CN101827050B - 一种新型cdma下行通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信及其信号处理技术领域，具体说是一种Group-CDMA通信方法及系统，其特征在于所有用户被分为G组，组与组之间采用码分多址的方式来区分，一组内用户采用交织分多址的方式来区分，在接收端，采用解扩操作来消除组建干扰，采用逐步迭代消除用户间的多址干扰，接收机的结构复杂程度以及计算复杂程度与组内的用户数呈线性关系，经仿真研究显示，本发明能够有效的提高通信容量以及频谱利用率，有力的推动MUD在MS中的应用，具有低复杂度、高可靠性等显著的优点。

Description

一种新型CDMA下行通信方法及系统

技术领域

 本发明涉及通信及其信号处理技术领域，具体说是一种可称为Group-CDMA系统的新型CDMA下行通信方法及系统。

背景技术

随着市场需求的不断增长，移动通信系统在这几十年中得到了迅猛发展，从初期的基于模拟信号处理技术的第一代移动通信系统，到取得巨大商业成功的基于数字信号处理技术的第二代移动通信系统经历了不到半个世纪的时间。根据2010年2月，联合国一家下属机构研究表示，手机使用量正在迅速增加，因此B3G,4G技术对速率，容量，频谱利用率等提出了更高的要求。目前，第三代移动通信（3G）系统所包括中国的TD-SCDMA系统，欧洲的WCDMA，以及北美的CDMA2000已经在中国市场上开始商用。

传统的CDMA通信系统通过正交移相键控（QPSK）或者类似的方式对要传输的原始数据进行初级调制，并依靠如PN码（伪噪声码）这样的扩频码对初级调制信号进行二次调制，以扩展带宽，然后将经过二次调制的信息传送出去。在此系统中，每个用户使用同样的频带进行通信，并通过唯一的扩频码被识别出来，由于扩频码有限，因此系统内的用户数量受到限制，难以应对通信用户数量大幅度提高的需求，同时由于用户之间存在着一定的相关性，在不同用户之间的扩频序列不能进行完全正交，即互相关系数不为零，导致产生多址干扰（MAI），随着用户数量的增多，多址干扰（MAI）成为影响系统性能的关键因素之一。

为了解决多址干扰（MAI）问题，研究人员提出了多用户检测技术（MUD），但是目前已经研究成型的MUD技术复杂度很高，例如，基于极大似然估计ML和最大后验概率 MAP的最优多用户检测技术的复杂度为o(2^K)，基于MMSE的次优多用户检测技术因为涉及矩阵运算，复杂度为o（K^2），就连最近研究火热的以低复杂度接收机著称的IDMA技术，其逐码片迭代接收机的复杂度也为o（K），其中K为用户数。设想K很大时，这个复杂度对于小小的移动台（MS）来讲仍旧是不堪重负的，这一点导致MUD技术仍旧得不到应用，尤其在下行信道中。

然而现在的3G系统中，由于多媒体下载，视频点播等不对称业务对下行链路的要求使得下行链路的性能成为限制3G系统的发展瓶颈。因此急需一种低复杂度、高可靠性的通信系统，在有效的提高通信容量以及频谱利用率的同时，推动MUD在MS中的应用。

发明内容

本发明针对传统CDMA通信系统中的不足，提出一种复杂度低、可靠性高，并能够有效提高通信容量以及频谱利用率的Group-CDMA通信方法及系统。

一种新型CDMA下行通信方法，其特征在于所有用户被分为G组，组与组之间采用码分多址的方式来区分，一组内用户采用交织分多址的方式来区分，在接收端，采用解扩操作来消除组建干扰，采用逐码片迭代多用户检测方式（CBC-IMUD）消除用户间的多址干扰，接收机的结构复杂程度以及计算复杂程度与组内的用户数呈线性关系，具体包括如下步骤：

步骤A：信道编码，目标用户发送原始数据至信道编码器，进行信道编码，

步骤B:交织处理，将初级调制信号送入与其相对应的交织器进行交织处理，获得处理后的码流，

步骤C: 基带调制处理，对经过上述处理的信息进行基带调制，

步骤D:扩频处理，将经过上述处理后的码流与本组内其他码流合并，并送入本组对应扩频器内利用扩频码进行扩频处理，产生chip流，记为                                               

，

步骤E：发送信息，将扩频处理后的信息调制到高频送至发送器，进行发送，

步骤F：解扩处理，接收端将接收到的信息经过调制降到零频后，送入解扩器中进行解扩处理，获得每组内的用户信息叠加值的估计，

步骤G：迭代处理，将解扩处理所得的估计值送入逐码片迭代多用户检测模块（CBC-IMUD）中进行迭代处理，消除用户间的多址干扰后获得信息，

步骤H: 判决，将迭代结束后得到的用户发送信息估计值送入判决器内，进行判决处理，得到发送信息的二元信号。

本发明中所述系统用户的分组中，平均组内的用户数与系统内用户总数K和组数G之间可以表示为K=(G-1)*M+M’，其中M为前G-1组各组内的用户数，M’为第G组的用户数。

本发明步骤A中所述信道编码可采用重复码，卷积码，Trubo码，LDPC码等编码方式。

本发明中步骤C所述调制处理可以采用BPSK，QPSK，QAM等调制方式。

本发明中步骤D中所述的扩频处理是指利用扩频码来区分分组，所采用的扩频序列s_g可以为PN码也可以为WALSH码。

一种新型CDMA下行通信系统，包括发射装置与接收装置，其特征在于发射装置包括

信道编码器，用于对用户原始信息进行信道编码，

交织器，用于对码流进行交织处理，

调制器，用于对信息进行调制，

扩频器，用于对码流进行扩频处理，

发送器，用于发送信息，

接收装置包括

接收器，用于接收信息，

解扩器，用于对信息进行解扩处理，

逐码片迭代多用户检测模块（CBC-IMUD），用于消除信息的多址干扰，

判决器，用于恢复发送信息的二元0，1值形式。

本发明中发射装置内设有的交织器π的数量M与扩频器spreader的数量G相对于系统用户数量K具有下列关系：K=(G-1)*M+M’，其中M为前G-1组各组内的用户数，M’为第G组的用户数。

本发明中接收装置内的逐码片迭代多用户检测模块（CBC-IMUD）由基本信号检测模块ESE（elementary signal estimator）和解码模块DECs(decoders)构成。

本发明经过分析以及仿真证明，在性能和容量上较传统的CDMA系统提高很多，具有复杂度低、可靠性高等显著优点。

附图说明：

附图1为本发明的系统结构框图。

附图2为本发明的发射机结构框图。

附图3为本发明的接收机结构框图。

附图4为Group-CDMA-PN系统分组数与BER性能关系仿真图。

附图5为Group-CDMA-WALSH系统组内用户数M与BER性能关系仿真图。

附图6为GCDMA系统与TrCDMA系统的性能比较图。

附图7为GCDMA-WALSH系统和TrCDMA系统性能的比较图。

附图8为GCDMA_PN系统与TrCDMA系统，CDMA-MMSE系统在不同用户数条件下的BER性能比较。

附图9为GCDMA_WALSH系统与IDMA系统在不同用户数下的BER性能比较仿真图。

附图10为CDMA-MMSE,IDMA,GCDMA系统的计算复杂度比较图。

附图11为多径条件下GCDMA系统与CDMA系统的性能比较图。

具体实施方式：

一种新型CDMA下行通信方法，其特征在于所有用户被分为G组，组与组之间采用码分多址的方式来区分，一组内用户采用交织分多址的方式来区分，在接收端，采用解扩操作来消除组建干扰，采用逐码片迭代多用户检测方式（CBC-IMUD）消除用户间的多址干扰，接收机的结构复杂程度以及计算复杂程度与组内的用户数呈线性关系，具体包括如下步骤：

步骤A：信道编码，目标用户发送原始数据至信道编码器，进行信道编码，

步骤B:交织处理，将初级调制信号送入与其相对应的交织器进行交织处理，获得处理后的码流，

步骤C: 基带调制处理，对经过上述处理的信息进行基带调制，

步骤D:扩频处理，将经过上述处理后的码流与本组内其他码流合并，并送入本组对应扩频器内利用扩频码进行扩频处理，产生chip流，记为

，

步骤E：发送信息，将扩频处理后的信息调制到高频送至发送器，进行发送，

步骤F：解扩处理，接收端将接收到的信息经过调制降到零频后，送入解扩器中进行解扩处理，获得每组内的用户信息叠加值的估计，

步骤G：迭代处理，将解扩处理所得的估计值送入逐码片迭代多用户检测模块（CBC-IMUD）中进行迭代处理，消除用户间的多址干扰后获得信息，

步骤H: 判决，将迭代结束后得到的用户发送信息估计值送入判决器内，进行判决处理，得到发送信息的二元信号。

本发明中所述系统用户的分组中，平均组内的用户数与系统内用户总数K和组数G之间可以表示为K=(G-1)*M+M’，其中M为前G-1组各组内的用户数，M’为第G组的用户数。

本发明步骤A中所述信道编码可采用重复码，卷积码，Trubo码，LDPC码等编码方式。

本发明中步骤C所述调制处理可以采用BPSK，QPSK，QAM等调制方式。

本发明中步骤D中所述的扩频处理是指利用扩频码来区分分组，所采用的扩频序列s_g可以为PN码也可以为WALSH码。

一种新型CDMA下行通信系统，包括发射装置与接收装置，其特征在于发射装置包括

信道编码器，用于对用户原始信息进行信道编码，交织器，用于对码流进行交织处理，调制器，用于对信息进行调制，扩频器，用于对码流进行扩频处理，发送器，用于发送信息，接收装置包括接收器，用于接收信息，解扩器，用于对信息进行解扩处理，逐码片迭代多用户检测模块（CBC-IMUD），用于消除信息的多址干扰，

判决器，用于恢复发送信息的二元0，1值形式。

本发明中发射装置内设有的交织器π的数量M与扩频器spreader的数量G相对于系统用户数量K具有下列关系：K=(G-1)*M+M’，其中M为前G-1组各组内的用户数，M’为第G组的用户数。

本发明中接收装置内的逐码片迭代多用户检测模块（CBC-IMUD）由基本信号检测模块ESE（elementary signal estimator）和解码模块DECs(decoders)构成。

本发明经过分析以及仿真证明，在性能和容量上较传统的CDMA系统提高很多，具有复杂度低、可靠性高等显著优点。

下面结合实施例作进一步的说明：

当系统采用BPSK调制方式，且系统是完全同步的，设

目标用户k位于第g组的第m个问题，则有

       

                             （1）

如附图2所示，目标用户发送的比特流经过信道编码后输出的码流经过第g组内的第m个交织器

后，与本组内的其他用户的经过编码和交织处理的码流合并，记为

，

再经过本组的扩频器spreader_g，被扩频序列

扩频（扩频序列的长度记为L），产生chip流，记为

，则有

                （2）

                         （3）

其中

记为扩频运算, 

表示第m个交织操作。且

 , 

,

, I是chip序列的长度，J是编码后序列的长度，L是扩频序列的长度，且有

。

在上述系统中，如果扩频序列

采用PN码，GCDMA系统记为GCDMA_PN系统。如果扩频序列

采用WALSH码，GCDMA系统记为GCDMA_WALSH系统，在后续讨论中，如果没有特殊说明，GCDMA系统就表示GCDMA_PN系统。

如图3所示用户k的接收机包含一个扩频器despreader g和一个CBC-IMUD模块。

假设信道为单径衰落信道，信道系数为，则用户k接收到的信息

可以表示为

                       （4）

其中I是帧长，是均值为0，方差为

的高斯噪声 。

由式(1),(2)和（3），（4）式可以表示为

             （5）

其中

,

 , 

.

在接收端，第一级解扩操作的作用是消除组间干扰（inter-group-interference IGI）以得到每组内所有用户信息的叠加值的估计，记为

,可以表示为

                      （6）

其中

 表示解扩运算, 

 是经过解扩处理后的表示。（6）式中的第二部分是上述材料中提到的IGI。

另，如果是WALSH码的情况下，

                               （7）

则，IGI=0。

经过解扩处理得到的估计值

作为CBC-IMUD模块的输入，通过CBC-IMUD的迭代运算，得到目标用户的发送信息的估计值。

   图3中的CBC-IMUD 检测器包含1个ESE模块和M个 基于a posteriori probability (APP)准则的解码器DECs。其工作方式跟传统的IDMA系统的工作方式是一致的。

Group-CDMA的性能分析：

1、分组数与系统误码率(BER)的关系：

  上述（6）式给出了每组用户信息叠加值的估计，假设目标用户K位于第g组的第m个位置，将（2）-（5）式代入（6）式，可以得到

             （8）

上式中，part A是目标用户的信息；

      Part B是来自于目标用户使用相同的交织器的用户的干扰；

      Part C 是第g组内的其他用户的干扰；

      Part D是其他用户的干扰。

其中，Part B是随着分组数G的增大很增大的， Part C是随着分组数G的增大而减小的，Part D是不随分组数G变化的，所以要使干扰最小的话，G的最优选择是介于最大值与最小值之间的某个值。

对于Group-CDMA-WALSH系统，则有

                     （9）

其中Part A是目标用户的信息，Part B是干扰部分，显而易见，Part B是随着组内用户平均数M的增加而增加的，即随着分组数G的增加而减小的。所以要想使Group-CDMA-WALSH性能最优，分组数G要取最大值。

附图4，5分别给出了Group-CDMA-PN系统分组数与BER性能关系仿真图以及Group-CDMA-WALSH系统组内用户数M与BER性能关系仿真图。

从图4看出，系统的BER性能不但和信噪比（SNR）有关系，还跟分组数G有关，图中虚线组是扩频码长采用7位，用户数为12条件下的仿真图，可以看出在G=3时，4条虚线均出现最低值。而在扩频码长采用15位，用户数为24位时（图中的实线组），在G=6时，4条实线均出现最低值，因此G的最优选择，不是一个固定值，它随着系统参数的变化而变化。

图5给出了Group-CDMA-WALSH系统的分组数与BER性能关系的仿真图，仿真条件为用户数为30，扩频码长为32.从仿真图可以看出，M=1时系统性能是最优的。即G的最优选择是G取最大值。

从上述分析和仿真可以看出，扩频码采用PN，和WALSH时，可以得出不同的结论，采用PN码时，G的最优选择是介于最大值和最小值的某一个值， 采用WALSH码时，G的最优选择是最大值。这是因为PN码不能做到完全正交，经过解扩器后，IGI不能完全消除。

      在传统的CDMA系统中，当用户数超过一定值时，如果仅仅通过解扩操作来消除多址干扰，系统性能会剧烈下降，同样，按着CDMA方式工作的GCDMA的组，当选取的G值太大的时候，IGI仅通过解扩操作处理仍旧会残余很大一部分，所以也会严重影响GCDMA的性能。在传统的IDMA系统中，信道编码一定时，当用户数太大时，系统性能也会剧烈下降。而在GCDMA系统中，一组内的用户按着IDMA方式工作，所以M取值也不能过大。综上所述，在GCDMA-PN系统中，G的最优值应该是一个介于最大值与最小值之间的。 

2、系统BER的仿真性能：

仿真条件：系统采用BPSK信号，Monte Carlo（蒙特卡洛）仿真次数为10000。所有比特码，交织器均为随机产生的。信道编码采用重复码。所有系统均为完全同步系统。对Group-CDMA系统，K表示用户数，G是分组数，Iter=3表示CBC-IMUD检测器的迭代次数，扩频长度采用7位，bit长度为125，交织器工作深度（也是帧长）为5250。对于TrCDMA系统，扩频码长为7位，bit长度为125，交织器的工作深度为5250。

附图6给出了GCDMA-PN和传统的CDMA系统（TrCDMA）的BER性能仿真图，其中实现组为GCDMA系统的BER性能，虚线组表示TrCDMA系统的仿真图，由图6可以看出，用户数为3的GCDMA系统仍旧逼近单用户性能，比3个用户的TrCDMA系统的性能提升了2个dB，TrCDMA系统，用户数超过3时，系统性能将严重下降，如图K=6的TrCDMA系统的BER性能仿真图（带圈的虚线）比GCDMA系统16个用户的性能都要差，比K=6的GCDMA系统性能差了近7个dB。

我们知道，传统CDMA系统依靠扩频码来区分用户，不同的用户使用不同的扩频码，因此用户数不可能超过扩频码的长度，所以当扩频码长为7时，用户数K应该满足，

，而在GCDMA系统中，K=16时，系统性能仍旧优于K=6的TrCDMA系统，K=8的GCDMA系统BER性能（带三角的实线）优于K=3的TrCDMA系统性能（带黑点的虚线）。所以，在相同的带宽下，GCDMA系统与CDMA系统相比，在系统性能和容量上均得到了很大的提高。

附图7给出了GCDMA-WALSH系统和TrCDMA系统的性能比较图，从图7得出，在相同带宽条件下（L=8），用户数为8的GCDMA_WALSH的系统性能仍旧逼近单用户的系统性能。用户数为16，24时系统性能也保持在跟单用户性能一个数量级。用户数为32时的系统BER性能仍旧优于K=3的TrCDMAPN的性能。

因为采用WALSH码的GCDMA系统，经过第一级的解扩处理，IGI可以完全消除。而且因为CBC-IMUD的原因，MAI也可以较好的消除。所以采用WALSH的GCDMA系统，较采用PN码的GCDMA系统，在性能和容量上又得到了提升。

附图8给出了 GCDMA_PN系统与TrCDMA系统，CDMA-MMSE系统在不同用户数条件下的BER性能比较（M(M’)为3或4），从图8可以看出，K=3时的GCDMA-PN系统的误码率性能较GCDMA系统性能提升了近4个dB，K=6时提高了近6dB。对于CDMA_MMSE系统，在用户数小于扩频码长度时，其BER性能与GCDMA十分接近。

附图9给出了GCDMA_WALSH系统与IDMA系统在不同用户数下的BER性能比较仿真图。在上述仿真中，系统的总带宽资源是一定的，即重复码的码长与扩频码的乘积一定。由图9可得，GCDMA_WALSH的性能与IDMA系统略好一点点，而且十分接近。

3、 接收机算法的计算复杂度分析

1）CDMA-MMSE：因为MMSE算法中涉及矩阵运算，其复杂度可表示为o（U*K^2）；

2）IDMA：IDMA的CBC-IMUD接收机，每次迭代中每个码片的运算是与用户数无关的，但是迭代过程中要更新所有用户的信息，所以其复杂度可记作o（U*K*I）；

3) GCDMA：  因为GCDMA系统中将用户数分为G组，因此可以针对目标用户所在组的M个用户进行多用户检测（我们称之为部分多用户检测），所以其复杂度可记作o（U*M*J）；

其中K表示用户数，U表示多径的条数，I，J分别表示IDMA系统和GCDMA系统的迭代次数,且有K=G*M，J<I。

附图10给出了GCDMA系统与CDMA-MMSE,IDMA系统的接收机计算复杂度的仿真图,从图中可以看出，GCDMA系统的复杂度与CDMA-MMSE,IDMA相比降低了很多。

附图11为多径条件下GCDMA系统与CDMA系统的性能比较图，其中（M=2；K=2,4,6,8条件下的GCDMA系统，It=3;L=15；重复码长为6，CDMA-RAKE即为采用RAKE接收机的CDMA系统。

从图11可以看出，在多径条件下，GCDMA系统仍旧在性能和容量上 比传统的CDMA系统提升很多，例如，图11中，2个用户的GCDMA系统（带黑点的实线）比2个用户的GCDMA系统（带三角的实线）提升了近4个dB，而8个用户的GCDMA系统跟2个用户的CDMA系统的性能是比较接近的。

从图11中还可以得到一下结论：在relay-衰落信道条件下，假设带宽资源一定，GCDMA的容量可以提高至少4倍。

综上所述，经仿真研究显示，本发明能够有效的提高通信容量以及频谱利用率，有力的推动MUD在MS中的应用，具有低复杂度、高可靠性等显著的优点，具体分析如下：

（1）与传统CDMA系统相比：因为GCDMA系统的接收端的第二级接收机采用CBC-IMUD检测，CBC-IMUD以其较低的复杂度和较好的性能而优于其他检测器。其中每次迭代中每个用户的每个码片的检测复杂度为8次乘法，7次加法和一次tanh运算，如果我们限制每组的用户数，则Group-CDMA与CDMA相比，复杂度增加不多，但是性能和容量上获得很大的提升。

（2）与CDMA-MMSE相比：由图8和图10可以看出，在用户数小于扩频码长度时，GCDMA系统性能和CDMA-MMSE系统性能差不多，容量提高了很多，复杂度降低了很多。

（3）与IDMA相比：由图9和图10，可以看出，GCDMA和IDMA相比，性能保持基本保持不变，但是复杂度得到了部分的下降。

Claims (4)

1..一种CDMA下行通信方法，其特征在于所有用户被分为G组，组与组之间采用码分多址的方式来区分，一组内用户采用交织分多址的方式来区分，在接收端，采用解扩操作来消除组间干扰，采用逐码片迭代多用户检测方式CBC-IMUD消除用户间的多址干扰，接收机的结构复杂程度以及计算复杂程度与组内的用户数呈线性关系，具体包括如下步骤：

步骤A：信道编码，目标用户发送原始数据至信道编码器，进行信道编码，

步骤B:交织处理，将初级调制信号送入与其相对应的交织器进行交织处理，获得处理后的码流，

步骤C: 基带调制处理，对经过上述处理的信息进行基带调制，

步骤D:扩频处理，将经过上述处理后的码流与本组内其他码流合并，并送入本组对应扩频器内利用扩频码进行扩频处理，产生chip流，记为，

步骤E：发送信息，将扩频处理后的信息调制到高频送至发送器，进行发送，

步骤F：解扩处理，接收端将接收到的信息经过调制降到零频后，送入解扩器中进行解扩处理，获得每组内的用户信息叠加值的估计，

步骤G：迭代处理，将解扩处理所得的估计值送入逐码片迭代多用户检测模块CBC-IMUD中进行迭代处理，消除用户间的多址干扰后获得信息，

步骤H: 判决，将迭代结束后得到的用户发送信息估计值送入判决器内，进行判决处理，得到发送信息的二元信号，

系统用户的分组中，平均组内的用户数M或M’与系统内用户总数K和组数G之间可以表示为K=(G-1)*M+M’,其中M为前G-1组各组内的用户数，M’为第G组的用户数。

2.根据权利要求1所述的一种CDMA下行通信方法，其特征在于步骤C所述基带调制处理采用BPSK调制方式。

3.根据权利要求1所述的一种CDMA下行通信方法，其特征在于步骤D中所述的扩频处理采用的扩频序列s_g为PN码。

4.根据权利要求1所述的一种CDMA下行通信方法，其特征在于步骤D中所述的扩频处理采用的扩频序列s_g为WALSH码。

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