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基于QPSK调制和互补码的无多径无多址干扰的扩频通信方法

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基于QPSK调制和互补码的无多径无多址干扰的扩频通信方法，涉及一种扩频通信方法，为了解决目前CDMA系统受到多址干扰和多径干扰的问题。它包括如下步骤：步骤一：在发送端，利用M个子码以并行的方式对第k个用户的数据进行扩频；步骤二：在发送端，对M路扩频后的第k个用户的数据分别用M个载波f

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公开/公告号CN102394671A

专利类型发明专利
公开/公告日2012-03-28

原文格式PDF
申请/专利权人哈尔滨工业大学;
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申请/专利号CN201110362111.3
发明设计人陈晓华;李国栋;孟维晓;
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申请日2011-11-15
分类号H04B1/7103;H04B1/711;H04L27/22;H04L27/20;
代理机构哈尔滨市松花江专利商标事务所;
代理人牟永林
地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
入库时间 2023-12-18 04:38:40

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2017-01-04

未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H04B1/7103 授权公告日:20131009 终止日期:20151115 申请日:20111115

专利权的终止
2013-10-09

授权

授权
2012-05-09

实质审查的生效 IPC(主分类):H04B1/7103 申请日:20111115

实质审查的生效
2012-03-28

公开

公开

说明书

技术领域

本发明涉及一种扩频通信方法，特别涉及基于QPSK调制和互补码的无多径无多址干扰的扩频通信方法。

背景技术

第四代移动通信中使用的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)虽然具有非常多的优良特性，比如高的频谱利用率、灵活的频谱资源分配等等。然而，OFDM技术依然存在很多缺点如对频偏和相位噪声比较敏感、功率峰值与均值比大等等，尤其是为了实现抗由多径产生的符号间干扰，OFDM引入了作为符号间保护间隔的循环前缀(Cyclic Prefix，CP)。CP的引入确实大大的减少OFDM的衰减，但却占用了最为宝贵的资源，反而影响了频谱的利用效率。

码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)技术由于具有抗干扰、信号低检测性、保密性、低辐射流密度等众多优势，已经被广泛的应用于第二代和第三代移动通信系统。CDMA技术利用扩频序列的正交性，使所有用户在所有的时间内共享相同的频谱，提高了频谱的利用效率。然而，传统的CDMA系统所采用的扩频码M-sequence、 Gold code以及OVSF code等，其正交性并不是非常完美的，使得CDMA系统受到多址干扰(Multiple Access Interference，MAI)和多径干扰(Multi-Path Interference，MPI)的影响。尤其在高的数据传输速率下，多径将导致严重的码片间干扰，并且很难进行同步。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前CDMA系统受到多址干扰和多径干扰的问题，提供一种无多址干扰和无多径干扰的基于QPSK调制的扩频通信方法。

本发明的基于QPSK调制和互补码的无多径无多址干扰的扩频通信方法，它包括如下步骤：

步骤一：在发送端，利用互补码对第k个用户的数据进行扩频；对第k个用户的数据进行扩频的过程为：

步骤1：构造M个M维正交列向量其中，上标“(M)” 表示列向量的维度为M维，M＝2ⁱ，i＝1，2，…；下标“m”表示第m个列向量， m＝1，2，…，M；构造方法如下：

当i＝1时，可找到2个2维正交列向量为

$V_{1}^{(2)} = {(+ 1, + 1)}^{T}$

(1)

$V_{2}^{(2)} = {(+ 1, - 1)}^{T}$

当i＝p+1，p＝1，2，…时，2^p+1个2^p+1维正交列向量可由i＝p时2^p个2^p维正交列向量构造，为

$V_{1}^{(2^{P})} = (\begin{matrix} V_{1}^{(2^{P})} \\ V_{1}^{(2^{P})} \end{matrix}),$ $V_{2}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{1}^{(2^{P})} \\ {- V}_{1}^{(2^{P})} \end{matrix})$

$V_{3}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{2}^{(2^{P})} \\ V_{2}^{(2^{P})} \end{matrix}),$ $V_{4}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{2}^{(2^{p})} \\ - V_{2}^{(2^{P})} \end{matrix}) - - - (2)$

$(\begin{matrix} \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \end{matrix})$

$V_{2^{P + 1} - 1}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{2^{P}}^{(2^{P})} \\ V_{2^{P}}^{(2^{P})} \end{matrix}),$ $V_{2^{P + 1}}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{2^{P}}^{(2^{P})} \\ - V_{2^{P}}^{(2^{P})} \end{matrix})$

步骤2：由M个M维正交列向量构造M个M×2维列相同矩阵a₁，a₂，a₃，…，a_M，方法如下：

$a_{m} = [V_{m}^{(M)} V_{m}^{(M)}] = (\begin{matrix} v_{1, m} & v_{1, m} \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ v_{M, m} & v_{M, m} \end{matrix}) - - - (3)$

式中：m＝1，2，…，M；

步骤3：由M个M维正交列向量构造M个M×2维列相异矩阵b₁，b₂，b₃，…，b_M，方法如下：

$b_{m} = [V_{m}^{(M)} - V_{m}^{(M)}] = (\begin{matrix} v_{1, m} & - v_{1, m} \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ v_{M, m} & {- v}_{M, m} \end{matrix}) - - - (4)$

式中：m＝1，2，…，M；

步骤4：构造个维正交行向量，记为其中， N＝2^t′，t′＝2，3，…；

当i′＝2时，可找到2个2维正交行向量为

$S_{1}^{(2)} = (+ 1, + 1)$

(5)

$S_{2}^{(2)} = (+ 1, - 1)$

当i′＝q+1，q＝2，3，…时，2^q个2^q维正交行向量可由i′＝q时2^q-1个2^q-1维正交行向量构造，为

$S_{1}^{(2^{q})} = (S_{1}^{(2^{q - 1})}, S_{1}^{(2^{q - 1})}),$ $S_{2}^{(2^{q})} = (S_{1}^{(2^{q - 1})}, {- S}_{1}^{(2^{q - 1})})$

$S_{3}^{(2^{q})} = (S_{2}^{(2^{q - 1})}, S_{2}^{(2^{q - 1})}),$ $S_{4}^{(2^{q})} = (S_{2}^{(2^{q - 1})}, {- S}_{2}^{(2^{q - 1})}) - - - (6)$

$(\begin{matrix} \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \end{matrix})$

$S_{2^{q} - 1}^{(2^{q})} = (S_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})}, S_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})}),$ $S_{2^{q}}^{(2^{q})} = (S_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})}, {- S}_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})})$

步骤5：产生可供2M用户使用的扩频码c⁽¹⁾，c⁽²⁾，…，c^(2M)，选取第k个用户的码，方法如下：

用户一：

$c^{(1)} = {(\begin{matrix} a_{1} & a_{2} & . . . & a_{\frac{N}{4}} & b_{1} & b_{2} & . . . & b_{\frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

用户二：

$c^{(2)} = {(\begin{matrix} a_{1} & a_{2} & . . . & a_{\frac{N}{4}} & b_{1} & b_{2} & . . . & b_{\frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{2}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户

$c^{(\frac{N}{2})} = {(\begin{matrix} a_{1} & a_{2} & . . . & a_{\frac{N}{4}},, b_{1} & b_{2} & . . . & b_{\frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{\frac{N}{2}}^{(\frac{N}{2})}$

用户

$c^{(\frac{N}{2} + 1)} = {(\begin{matrix} a_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{\frac{N}{2}} & b_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{\frac{N}{2}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户N：

$c^{(N)} = {(\begin{matrix} a_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{\frac{N}{2}} & b_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{\frac{N}{2}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{\frac{N}{2}}^{(\frac{N}{2})}$

用户N+1：

$c^{(N + 1)} = {(\begin{matrix} a_{\frac{N}{2} + 1} & . . . & a_{\frac{8 N}{2}} & b_{\frac{N}{2} + 1} & . . . & b_{\frac{8 N}{2}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户

$c^{(\frac{8 N}{2})} = {(\begin{matrix} a_{\frac{N}{2} + 1} & . . . & a_{\frac{8 N}{2}} & b_{\frac{N}{2} + 1} & . . . & b_{\frac{8 N}{2}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{\frac{N}{2}}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户

$c^{(2 M - \frac{N}{2} + 1)} = {(\begin{matrix} a_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{M} & b_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{M} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户2M：

$c^{(2 M)} = {(\begin{matrix} a_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{M} & b_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{M} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{\frac{N}{2}}^{(\frac{N}{2})}$

其中，第k个用户的码为

$c^{(k)} = {(\begin{matrix} a_{l + 1} & a_{l + 2} & . . . & a_{l + \frac{N}{4}} & b_{l + 1} & b_{l + 2} & . . . & b_{l + \frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{j}^{(\frac{N}{2})}$

$= {(\begin{matrix} s_{j, 1} a_{l + 1} & s_{j, 2} a_{l + 2} & \cdot \cdot \cdot & s_{j, \frac{N}{4}} a_{l + \frac{N}{4}} & s_{j, \frac{N}{4} + 1} b_{l + 1} & s_{j, \frac{N}{4} + 2} b_{l + 2} & \cdot \cdot \cdot & s_{j, \frac{N}{2}} b_{l + \frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N}$

$= (\begin{matrix} s_{j, 1} V_{l + 1}^{(M)} & s_{j, 1} V_{l + 1}^{(M)} & \cdot \cdot \cdot & s_{J, \frac{N}{4}} V_{l + \frac{N}{4}}^{(M)} & s_{j, \frac{N}{4}} V_{l + \frac{N}{4}}^{(M)} \end{matrix})$

$(\begin{matrix} s_{j, \frac{N}{4} + 1} V_{l + 1}^{(M)} & - s_{j, \frac{N}{4} + 1} V_{l + 1}^{(M)} & \cdot \cdot \cdot & s_{j, \frac{N}{2}} V_{l + \frac{N}{4}}^{(M)} & - s_{j, \frac{N}{2}} V_{l + \frac{N}{4}}^{(M)} \end{matrix})$

式中：N＝2^t′，t′＝2，3…；k＝1，2，，2M；为向零取整运算； j＝k-2l。

将第k个用户的码中的第m行称为第k个用户的第m个子码记为c_k，m，m＝1，2，…，M；

利用这M个子码c_k，1，c_k，2，…，c_k，M，同时以并行方式对第k个用户的数据进行扩频。

步骤二：在发送端，对利用M个码c_k，1，c_k，2，…，c_k，M扩频后的第k个用户的数据分别进行QPSK调制；

利用分配给第k个用户的码c^(k)，c^(k)包含M个子码，c^(k)为c_k，1，c_k，2，…，c_k，M对 c^(k)分别利用M个不同的载波f₁，f₂，…，f_M进行QPSK(正交相移键控)调制，经过QPSK 调制后的M个信号相加后通过天线发送出去；

步骤三：在接收端，利用与发送端调制时相同的M个载波f₁，f₂，…，f_M对接收到的信号进行QPSK解调，解调后的M路信号分别送入各自的相关器与分配给第k个用户的M 个子码进行相关运算，对解扩后的信号求和形成判决向量，利用抽样判决器恢复出第k 个用户的数据。

本发明的优点在于基于QPSK调制和互补码的无多径无多址干扰的扩频通信方法可以不需要附加任何其它技术的情况下抑制无线信道中存在的多径干扰和多址干扰。

附图说明

图1为基于QPSK调制和互补码的无多径无多址干扰的扩频通信方法多用户通信的结构示意图；图2为第k个用户的发送端的结构示意图；图3为第k个用户的接收端的结构示意图；图1和图2中，k＝1，2，…，2M；c_k，1表示第k个用户的第1个子码；c_k，2表示第k个用户的第2个子码；c_k，M表示第k个用户的第M个子码。

具体实施方式

具体实施方式一：本发明的基于QPSK调制和互补码的无多径无多址干扰的扩频通信方法，它包括如下步骤：

步骤一：在发送端，利用互补码对第k个用户的数据进行扩频；对第k个用户的数据进行扩频的过程为：步骤一：在发送端，利用互补码对第k个用户的数据进行扩频；对第 k个用户的数据进行扩频的过程为：

当i＝1时，可找到2个2维正交列向量为

$V_{1}^{(2)} = {(+ 1, + 1)}^{T}$

(1)

$V_{2}^{(2)} = {(+ 1, - 1)}^{T}$

当i＝p+1，p＝1，2，…时，2^p+1个2^p+1维正交列向量可由i＝p时2^p个2^p维正交列向量构造，为

$V_{1}^{(2^{P})} = (\begin{matrix} V_{1}^{(2^{P})} \\ V_{1}^{(2^{P})} \end{matrix}),$ $V_{2}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{1}^{(2^{P})} \\ {- V}_{1}^{(2^{P})} \end{matrix})$

$V_{3}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{2}^{(2^{P})} \\ V_{2}^{(2^{P})} \end{matrix}),$ $V_{4}^{(2^{P + 1})} = (\begin{matrix} V_{2}^{(2^{p})} \\ - V_{2}^{(2^{P})} \end{matrix}) - - - (2)$

$(\begin{matrix} \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \end{matrix})$

步骤2：由M个M维正交列向量构造M个M×2维列相同矩阵a₁，a₂，a₃，…，a_M，方法如下：

$a_{m} = [V_{m}^{(M)} V_{m}^{(M)}] = (\begin{matrix} v_{1, m} & v_{1, m} \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ v_{M, m} & v_{M, m} \end{matrix}) - - - (3)$

式中：m＝1，2，…，M；

步骤3：由M个M维正交列向量构造M个M×2维列相异矩阵b₁，b₂，b₃，…，b_M，方法如下：

$b_{m} = [V_{m}^{(M)} - V_{m}^{(M)}] = (\begin{matrix} v_{1, m} & - v_{1, m} \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ v_{M, m} & - v_{M, m} \end{matrix}) - - - (4)$

式中：m＝1，2，…，M；

步骤4：构造个维正交行向量，记为其中， N＝2^t′，t′＝2，3，…；

当i′＝2时，可找到2个2维正交行向量为

$S_{1}^{(2)} = (+ 1, + 1)$

(5)

$S_{2}^{(2)} = (+ 1, - 1)$

当i′＝q+1，q＝2，3，…时，2^q个2^q维正交行向量可由i′＝q时2^q-1个2^q-1维正交行向量构造，为

$S_{1}^{(2^{q})} = (S_{1}^{(2^{q - 1})}, S_{1}^{(2^{q - 1})}),$ $S_{2}^{(2^{q})} = (S_{1}^{(2^{q - 1})}, {- S}_{1}^{(2^{q - 1})})$

$S_{3}^{(2^{q})} = (S_{2}^{(2^{q - 1})}, S_{2}^{(2^{q - 1})}),$ $S_{4}^{(2^{q})} = (S_{2}^{(2^{q - 1})}, {- S}_{2}^{(2^{q - 1})}) - - - (6)$

$(\begin{matrix} \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot \end{matrix})$

$S_{2^{q} - 1}^{(2^{q})} = (S_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})}, S_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})}),$ $S_{2^{q}}^{(2^{q})} = (S_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})}, {- S}_{2^{q - 1}}^{(2^{q - 1})})$

步骤5：产生可供2M用户使用的扩频码c⁽¹⁾，c⁽²⁾，…，c^(2M)，选取第k个用户的码，方法如下：

用户一：

$c^{(1)} = {(\begin{matrix} a_{1} & a_{2} & . . . & a_{\frac{N}{4}} & b_{1} & b_{2} & . . . & b_{\frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

用户二：

$c^{(2)} = {(\begin{matrix} a_{1} & a_{2} & . . . & a_{\frac{N}{4}} & b_{1} & b_{2} & . . . & b_{\frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{2}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户

$c^{(\frac{N}{2})} = {(\begin{matrix} a_{1} & a_{2} & . . . & a_{\frac{N}{4}},, b_{1} & b_{2} & . . . & b_{\frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{\frac{N}{2}}^{(\frac{N}{2})}$

用户

$c^{(\frac{N}{2} + 1)} = {(\begin{matrix} a_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{\frac{N}{2}} & b_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{\frac{N}{2}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户N：

$c^{(N)} = {(\begin{matrix} a_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{\frac{N}{2}} & b_{\frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{\frac{N}{2}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{\frac{N}{2}}^{(\frac{N}{2})}$

用户N+1：

$c^{(N + 1)} = {(\begin{matrix} a_{\frac{N}{2} + 1} & . . . & a_{\frac{8 N}{2}} & b_{\frac{N}{2} + 1} & . . . & b_{\frac{8 N}{2}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户

$c^{(2 M - \frac{N}{2} + 1)} = {(\begin{matrix} a_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{M} & b_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{M} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{1}^{(\frac{N}{2})}$

$(\begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix})$

用户2M：

$c^{(2 M)} = {(\begin{matrix} a_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & a_{M} & b_{M - \frac{N}{4} + 1} & . . . & b_{M} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{\frac{N}{2}}^{(\frac{N}{2})}$

其中，第k个用户的码为

$c^{(k)} = {(\begin{matrix} a_{l + 1} & a_{l + 2} & . . . & a_{l + \frac{N}{4}} & b_{l + 1} & b_{l + 2} & . . . & b_{l + \frac{N}{4}} \end{matrix})}_{M \times N} \otimes S_{j}^{(\frac{N}{2})}$

$= (\begin{matrix} s_{j, 1} V_{l + 1}^{(M)} & s_{j, 1} V_{l + 1}^{(M)} & \cdot \cdot \cdot & s_{J, \frac{N}{4}} V_{l + \frac{N}{4}}^{(M)} & s_{j, \frac{N}{4}} V_{l + \frac{N}{4}}^{(M)} \end{matrix})$

式中：N＝2^t′，t′＝2，3…；k＝1，2，，2M；为向零取整运算； j＝k-2l。

将第k个用户的码中的第m行称为第k个用户的第m个子码记为c_k，m，m＝1，2，…，M；

利用这M个子码c_k，1，c_k，2，…，c_k，M，同时以并行方式对第k个用户的数据进行扩频。

步骤二：在发送端，对利用M个码c_k，1，c_k，2，…，c_k，M扩频后的第k个用户的数据分别进行QPSK调制；

步骤三：在接收端，利用与发送端调制时相同的M个载波f₁，f₂，…，f_M对接收到的信号进行QPSK解调，解调后的M路信号分别送入各自的相关器与分配给第k个用户的M个子码进行相关运算，对解扩后的信号求和形成判决向量，利用抽样判决器恢复出第k个用户的数据。

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