基于互补码的多用户无线传输技术及码设计方法

摘要

多址接入技术是无线通信相关技术中最为核心的物理层关键技术之一，其从根本上决定了通信系统中多用户、多信道共享无线资源的方式，因此该项技术的发展也标志了移动通信系统的逐代更替、演进。相比于其他多址方案，基于扩频技术的码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）具有独特的选择性寻址能力强、保密安全性高、抗窄带干扰及多径衰落等诸多优势。然而，由于传统扩频码非理想的相关特性而导致的干扰受限、远近效应及复杂的功率控制等问题，传统的CDMA技术没有成为第四代移动通信的主流多址技术。
　　为了加速码分技术的革新，基于一类新颖的扩频码――互补码（Complementary Codes， CCs）的下一代CDMA全新解决方案被提了出来。互补码采用了结合真实通信环境的码设计理念，能够真正意义上实现理想的自相关及互相关特性，从而赋予了CDMA技术摆脱干扰受限的能力，为未来无线通信系统中码分技术的革新及应用开辟了一条新的道路。近十年来，基于互补码理论的CDMA（Complementary Coded CDMA，CC-CDMA）技术主要围绕互补码理论的完善、互补码的构造及理想通信环境下的系统设计展开研究。然而，基于互补码理论通信系统的研究仍处于起步阶段，还有诸多关键问题没有解决。实际上，互补码结构的特殊性给实际通信系统设计带来了压力。在复杂通信环境下，独立的基于互补码的扩频技术是否依然可以达到理论上的抗干扰性能仍有待验证。
　　基于上述背景及分析，本文针对基于互补码理论的多用户无线传输技术展开了深入的研究。首先从互补码及其相关函数的基本定义和性质出发，本文分析了互补码结构的特殊性为其系统设计所带来的新问题，得出实现CC-CDMA系统至少满足四条约束：
　　1)有效子码分离；
　　2)子码顺序对应；
　　3)子码位移同步；
　　4)相关值等增益合并。
　　以此为基础，本文通过理论分析和仿真对比了串行时分和并行频分两类经典CC-CDMA系统架构在不同信道下的抗多址及多径干扰的能力，并指出了“在频率选择性衰落信道中，由于不再满足第4条约束，并行频分的CC-CDMA系统将失去原有抗多址干扰能力”的问题。
　　考虑到CDMA系统上、下行通信的差异性，本文分别针对上、下行CC-CDMA系统中的上述问题展开了研究。针对下行系统，在分析多种经典单用户合并准则对于系统误码率及抗干扰性能影响的基础上，提出了基于最小均方误差准则的多用户加权合并检测。理论分析和仿真结果皆验证了该方案能够权衡干扰和衰落两个影响误码率性能的最直接因素，从而在不同的通信环境和采用不同互补码的情况下，都获得最优的误码率性能。而考虑到该方案的复杂性及下行通信的特点，本文还通过理论分析和仿真得出结论：在频选下行信道中，可以通过设计和选用“下行最优互补码”并结合最大比加权合并检测来获得与最小均方误差加权合并检测相同的误码率性能，且其具有非常低的计算量及复杂度开销。当信道信息在接收端理想已知时，该方案在独立频选衰落信道中可以实现多址干扰的完全消除并获得满频率分集增益。
　　针对上行CC-CDMA系统，本文从理论上证明了其在频选信道中无法采用上述提出的加权合并检测来完全消除多址干扰，并推导了上行系统的最小均方误差多用户加权合并系数。通过仿真和分析验证了通过在抗多址干扰及频率分集增益间获得良好的折中，上行最小均方误差加权合并检测提供了较为优异的误码率性能。随后为了解决多址干扰无法完全消除和降低加权合并系数求解复杂度的问题，本文提出了一种联合预处理与自适应合并的检测方法。该方案的预处理部分弥补了自适应算法迭代次数较大而降低频谱效率的问题，而自适应合并检测弥补了预处理导致接收端难于合并的问题，从而实现了趋近于、甚至超过最小均方误差加权合并检测的性能。
　　随后，本文针对互补码理论面向多天线技术演进的问题展开了研究。在阐述基于三维互补码的码片级空时编码原理的基础上，着重针对三维互补码设计及相应的多用户MIMO系统设计展开了研究。在推导具有理想相关特性的三维互补码理论界的基础上，提出了构造具有灵活折中特性（系统开销与相关特性间的折中）的三维互补码的一般化方法。最后，本文提出了基于码片级空时编码的MIMO-CC-CDMA系统的基本架构，分别给出了串行时分及并行频分两种复用方案下的解扩及解码原理，并分别分析了其误码率性能、抗干扰及多天线分集/复用特性。理论分析和仿真结果皆验证了基于三维互补码的码片级空时编码能够赋予多用户MIMO通信抗多址及多径干扰的能力，同时MIMO-CC-CDMA系统可以同时支持多天线分集和复用模式，且可以灵活的在两者之间切换和折中，从而在不同的通信环境和系统要求下达到最佳的目标性能。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 互补码及其应用现状

1.3 基于互补码的通信系统研究现状

1.4 论文的研究内容与组织结构

第2章 互补码理论基础及CC-CDMA系统性能分析

2.1 引言

2.2 互补码理论基础

2.3 CC-CDMA系统架构需求分析

2.4 串行时分的CC-CDMA

2.5 并行频分的CC-CDMA

2.6 两类结构CC-CDMA系统的对比总结

2.7 本章小结

第3章 频选信道下行CC-CDMA系统的检测算法

3.1 引言

3.2 基于传统合并准则的单用户加权合并检测

3.3 基于最小均方误差准则的多用户加权合并检测

3.4 性能分析及仿真

3.5 本章小结

第4章 频选信道上行CC-CDMA系统的检测算法

4.1 引言

4.2 加权合并检测

4.3 联合的预处理及自适应合并检测

4.4 性能分析及仿真

4.5 本章小结

第5章 多用户MIMO系统中的三维互补码设计

5.1 引言

5.2 面向多用户MIMO系统的互补码的演进

5.3 三维互补码的理论界推导

5.4 一种基于迭代的三维互补码构造方法

5.5 一种基于扩展的三维互补码构造方法

5.6 本章小结

第6章 基于三维互补码的码片级空时编码

6.1 引言

6.2 MIMO-CC-CDMA系统模型

6.3 串行时分的MIMO-CC-CDMA

6.4 并行频分的MIMO-CC-CDMA

6.5 性能仿真及分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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