专利名称：：时域同步的多载波扩频收发方法、装置及系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及通信
技术领域：
，特别涉及一种时域同步的多载波扩频收发方法、装置及系统。
背景技术：
：与TDMA(TimeDivisionMultipleAccess,时分多址)、FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess,频分多址)技术相比，CDMA(CodeDivisionMultipleAccess，码分多址)技术在系统容量、抗干扰、网络质量以及保密性等方面具有无可争辩的优势。但是，CDMA是多址干扰和多径干扰受限系统，在传输较高速率的信号时，CDMA系统的码元周期大大縮短，因而在高速(宽带)数据传输时必然受到码间干扰的影响，尤其在多径衰落比较严重的无线信道中传输时，码间干扰更为严重。由于多径衰落和现有频率带宽的限制，CDMA系统的数据传输速率只能达到2Mbps，数据速率比较低，不能胜任高速多媒体数据通信的发展需求。而OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分复用)技术恰好具有抗信道衰落和抗多径干扰等优异性能，特别适用于无线高速数据传输，其数据传输速率可高达到100Mbps，远高于CDMA系统。这是因为在OF匿系统中，在发送端，高速率信息数据分割为若干路低速率数据流，然后用同一组相应数量且相互正交的载波进行调制，所有调制后的信号进行叠加并进行发送；在接收端，采用同样数量的正交载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据后，再通过并/串转换得到原来的高速率信息。由OF匿的基本原理可知，OFDM系统是将传送的信息分散到许多个子载波上，使各子载波信号速率大大下降，从而可以有效地对抗高速率调制系统中的多径效应。到目前为止，OF匿技术已经在IEEE802.lla/g、802.lln(WLAN/Wi_Fi)、WiMAX、UWB、DVB、B3G(LTE)/4G等领域取得了广泛而成功的应用。因此，许多研究者开始考虑将0F匿和CDMA技术融合起来，即探讨0F匿和CDMA混合技术，以便充分利用了OFDM和CDMA两项技术各自的优点。目前针对两项技术融合的研究方向已经非常广泛，主流的多载波CDMA方案有如下三种MC-CDMA(Multi-carrierCDMA)、MC-DS-CDMA(Multi-carrierDirectSpreadingCDMA)、MT-CDMA(Multi-toneCDMA)。已有文献分析表明，MC-CDMA具有结构简单、抗多径能力强、抗窄带干扰能力强、频谱利用率高、数据速率高、多址接入能力优越等显著优点，并且其综合性能优于其余两种方案，因此得到了广泛的研究和应用。在目前研究的MC-CDMA技术中，与OFDM系统一样，为了消除ISI(Inter-SymbolInterference,码间干扰)的影响，需要加入循环前缀作为保护间隔。此外，为了辅助接收机进行同步和信道估计等功能实现，还需要在频域的有用数据之间插入约占子载波总数5%15%的导频，而这无疑会降低MC-CDMA系统的频谱效率，在频谱资源弥足珍贵的今天，这显然有悖于通信技术发展的需求。
发明内容本发明针对现有技术的不足，为了提高传统MC-CDMA系统的频谱效率，提出了CDMA与TDS_0FDM(TimeDomainSynch皿ousOrthogonalFrequency-Division-Multiplex,时域同步正交频分复用)这两种技术相结合的一种新的多载波扩频发送和接收方法，该方法是一种使得TDS-OFDM技术具备优秀的多址接入能力的多载波扩频技术，同时，该系统在借鉴了TDS-OF匿技术的优点后又区别于传统的MC-CDMA技术，使得其频谱效率较传统的MC-CDMA技术提高了5%15%。为达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种时域同步的多载波扩频发送方法，所述方法包括以下步骤Sl，将各用户的原始数据用扩频码进行扩频后进行叠加；S2，将叠加后的扩频信号进行串并变换，得到多个并行的信号流；S3，将所述信号流经过傅立叶逆变换后生成OFDM数据块；S4，在所述OF匿数据块前插入训练序列作为保护间隔；S5，将步骤S4得到的数据经过并串变换后得到时域同步的多载波扩频基带信号，发送该信号。其中，所述扩频码为正交或准正交的序列。所述训练序列为已知的序列，优选地，该序列选自PN序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一种。所述训练序列为已知的序列，优选地，该序列选自PN序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一种经逆傅里叶变换到时域后的序列。本发明还提供了一种时域同步的多载波扩频发送装置，所述装置包括扩频模块，用于将各用户的原始数据用扩频码进行扩频后进行叠加；串并变换模块，用于将叠加后的扩频信号进行串并变换，得到多个并行的信号流；傅立叶逆变换模块，用于将所述信号流经过傅立叶逆变换后生成0FDM数据块；插入保护间隔模块，用于在所述0FDM数据块前插入训练序列作为保护间隔；并串变换模块，用于将所述插入保护间隔模块得到的数据经过并串变换后得到时域同步的多载波扩频基带信号，发送该信号。本发明还提供了一种时域同步的多载波扩频接收方法，所述方法包括以下步骤Sl，将接收到的时域同步的多载波扩频基带信号进行串并变换；S2，对串并变换后得到的数据分离训练序列后得到0FDM数据块；S3，将所述0F匿数据块进行傅立叶变换；S4，将经傅立叶变换后得到的数据流进行并串变换后得到串行数据；S5，将所述串行数据用扩频码进行解扩，恢复出各用户的原始数据。其中，所述扩频码为正交或准正交的序列。本发明还提供了一种时域同步的多载波扩频接收装置，所述装置包括串并变换模块，用于将接收到的时域同步的多载波扩频基带信号进行串并变换；分离保护间隔模块，用于对串并变换后得到的数据分离训练序列后得到OF匿数据块；傅立叶变换模块，用于将所述0F匿数据块进行傅立叶变换；并串变换模块，用于将经傅立叶变换后得到的数据流进行并串变换后得到串行数据；解扩模块，用于将所述串行数据用扩频码进行解扩，恢复出各用户的原始数据。本发明还提供了一种时域同步的多载波扩频收发方法，所述方法包括以下步骤信号发送步骤，利用上述的时域同步的多载波扩频发送方法发送信号；信号接收步骤，利用上述的时域同步的多载波扩频接收方法接收信号。本发明还提供了一种时域同步的多载波扩频收发系统(以下称为TDS-MC-CDMA系统)，所述系统包括上述的时域同步的多载波扩频发生装置以及上述的时域同步的多载波扩频接收装置。上述技术方案具有如下优点通过在TDS-0F匿技术中引入CDMA技术，从而使得TDS-OFDM技术具备了更优越的多址接入能力；用已知训练序列取代了MC-CDMA系统中的循环前缀作为IDFT数据块的保护间隔，从而使得系统的频谱效率得到了提高。图1为本发明实施例的TDS-MC-CDMA系统的原理框图；图2为现有技术的MC-CDMA系统和本发明实施例的TDS_MC_CDMA系统中信号帧结构的对比图；图3为AWGN信道下本发明实施例的TDS_MC_CDMA系统与现有技术的TDS-OFDM系统的BER性能对比图;图4为本发明实施例的TDS-MC-CDMA与现有技术的DS-CDMA系统在AWGN信道下的BER性能对比以及抗多径性能的对比图；图5为本发明实施例的TDS-MC-CDMA与现有技术的MC-CDMA系统在AWGN信道和多径信道下的BER性能对比图；图6为本发明实施例的TDS-MC-CDMA系统在各种典型多径信道模型下的BER性能曲线图；图7为本发明实施例的TDS-MC-CDMA系统在抗多用户干扰性能的仿真结果。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图1为依据本发明实施例的TDS-MC-CDMA系统的原理框图。如图1所示，在TDS-MC-CDMA系统的发射端，来自不同用户的数据首先经过不同的扩频码进行扩频后叠加在一起，然后经过串并变换、逆傅里叶变换(IDFT/IFFT)后得到称之为IDFT数据块的时域数据。在IDFT数据块之前插入已知的序列作为训练序列，从而构成TDS-MC-CDMA信号帧，然后并串变换后将信号发射出去。以下举例描述上述发送过程。假设TDS-MC-CDMA系统中的用户数为K，用户k对应的数据符号为d(k)，其符号速率为1/Td。首先，数据符号被用户特定的扩频码cW^cf)，C^，.，.，^i]进行扩频，串并变换前扩频码c(k)的码片速率为丄码片速率是数据符号速率的N倍。扩频后得到的序列可用表示为向:sU(".c("《,d^f.(1)(2)K个用户的数据sX—l(k)t加在一起，可表示为=》上式可用矩阵表示为s=Cd，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>是K个用户的发送符号的向:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>t表示，而c则是扩频码矩阵，表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>完成上述扩频过程后，经过扩频的序列s首先经过串并变换将高速的串行数据变成低速的并行数据，然后经过IFFT(InverseFastFourierTransform,快速傅立叶逆变换)(假设子载波总数等于扩频序列长度)，从而得到OFDM调制后的序列x=wH.s=[x(o)，x("，…，x(N-"]T(7)其中[]h表示矩阵的共轭转置，w为NXN的IFFT变换矩阵，w的第(m，n)个元素Wm,n表示为1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在得至IJ时域OFDM符号x后，将长度为Ng的已知训练序列p=[;((})，；/1),...,;7()]71填充于OFDM符号之间作为保护间隔，从而构成如图2所示的TDS-MC-CDMA信号帧。长度为Ns=N+Ng、包含时域保护间隔的TDS-MC-CDMA信号帧t可表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>在TDS-MC-CDMA的接收端执行的是与发射端一一对应的逆过程。即，经过信道并叠加了噪声后的基带信号首先经过串并变换，然后分离IDFT数据块和已知训练序列，将得到的IDFT数据块做傅里叶变换(DFT/FFT)后得到频域数据，然后用与用户对应的扩频码解扩出每个用户的信号。FFT(FastFourierTransform,快速傅立叶变换)后得到的频域数据r可表示为r=Hs+n=[R0，RN—JT，(10)其中H为NXN的信道矩阵，n是长度为N的噪声向量。接收机对r进行软判决或硬判决，从而得到判决后的频域符号向量f.对于多用户检测，上式可以改写为r=As+n=[R0，RN—JT，(11)其中系统矩阵A定义为A=HC(12)若接收机可以对r进行正确的判决，即r=s.(13)利用不同用户间扩频码的正交性<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>C.C—r.c("=(14)用与每个用户对应的扩频码C(k)分别与判决后得到的符号向量f相乘，即可完成TDS-MC-CDMA系统中的解扩过程，从而恢复出各用户的数据U=o」(15)本发明实施例的时域同步的多载波扩频收发方法中的扩频码可以是任何正交或者准正交的序列，如m序列、Gold序列、Walsh序列、或其他任何正交或者准正交的序列。而扩频因子(即扩频码的长度)可根据系统设计的需求和扩频码本身的特点来灵活配置，以扩频码选用Walsh序列为例，扩频码长度可以是1、2、4、8、16。该方法的帧结构中的子载波总数可根据系统设计的需求来灵活配置，可以是64、256、1024、2048、8196。训练序列可以为任意已知的序列，如m序列、Gold序列、Walsh序列、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列等。对于时域同步的多载波扩频发送和接收方法中已知的已知训练序列，该序列所具备的特定特征，可以是在时域上的，也可以是在频域上的，具体而言，以训练序列选用长度为127的m序列为例，例如，训练序列的特定特征可是在时域上的，即训练序列本身就是长度为127的m序列；训练序列的特定特征可以是在频域上的，即训练序列本身不是长度为127的m序列，而是长度为127的m序列经过逆傅里叶变换后的所得到的序列。由以上实施例可以看出，与TDS-OF匿系统的最大不同在于，本发明提出的TDS-MC-CDMA系统中引入了CDMA技术，从而使得TDS-OFDM这一技术具备了优越的多址接入能力。此外，与TDS-OF匿系统中时域训练序列仅限于PN序列或者扩展PN序列不同，本发明提出的TDS-MC-CDMA系统中的已知训练序列可以是任何已知的序列。另外，与TDS-OFDM系统中的训练序列仅限于时域不同，本发明提出的TDS-MC-CDMA系统中的已知训练序列本身可以不是在时域上已经具备某些特定特点的序列，而是在频域上具备某些特定特点的序列，如PN序列等经过傅里叶变换到时域后的序列。与传统的MC-CDMA系统的最大不同在于，本发明提出的TDS-MC-CDMA系统借鉴并扩展了TDS-OF匿系统中时域同步的概念，用已知训练序列取代了MC-CDMA中的循环前缀作为IDFT数据块的保护间隔，从而使得该多载波扩频系统的频谱效率提高了约5%15%。图2给出了MC-CDMA和TDS-MC-CDMA这两不同的多载波扩频系统中信号帧结构的对比，从图中我们可以看出，MC-CDMA系统中的信号帧由IDFT数据块及其循环前缀构成，而TDS-MC-CDMA系统中的信号帧则由IDFT数据块和已知训练序列构成。基于上述具体实施例，我们对主要参数如表1所示的非编码时域同步的多载波扩频通信系统(TDS-MC-CDMA)的主要性能进行了计算机仿真。仿真所采用的信道为AWGN(AdditiveWhiteGaussionNoise,加性高斯白噪声)信道和ITU(InternationalTelecommunicationUnion，国际电联)推荐的四种多径信道模型。表1为TDS-MC-CDMA系统仿真的主要参数；表2为ITU多径信道模型。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图3给出了AWGN信道下TDS-MC-CDMA系统与TDS-OFDM系统的BER性能对比，以及在不同扩频因子(SF)下TDS-MC-CDMA系统的BER性能。调制方式均为BPSK。从仿真结果中可以看出，在不同的扩频因子下，TDS-MC-CDMA系统将获得扩频增益SF，扩频因子越大，则系统的BER性能越好；当SF=1时(即相当于不扩频)，TDS-MC-CDMA退化为一般的TDS-OFDM系统，此时二者的BER完全一致。仿真结果还表明，TDS-MC-CDMA系统在用户信号完全湮没在噪声中时，系统仍旧能够正确的提取用户数据。以扩频因子SF取2为例，即使在信道信噪比为零时，TDS-MC-CDMA系统接收端误码率仍可达到0.002，如果加上信道编码或前向纠错等技术，系统在这种情况下仍就能够满足实际系统应用的要求。而TDS-OFDM系统早已无能为力。图4给出了TDS-MC-CDMA与DS-CDMA系统在AWGN信道下的BER性能对比以及抗多径性能的对比。二者的扩频因子均为16，调制方式为BPSK。从仿真结果中可以看出，在AWGN信道下，TDS-MC-CDMA系统比DS-CDMA系统性能提升约3dB。在ITU室内多径信道模型A下，TDS-MC-CDMA和DS-CDMA系统的BER性能均恶化，但是MC-CDMA比DS-CDMA具有更强的对抗多径的能力。在图4中，当BER=0.001时，DS-CDMA系统的归一化信噪比门限从_2.5dB提高到8.5dB，即信噪比需要提高lldB，但是在TDS-MC-CDMA系统中，从_5.3dB提高到-1.7dB，即信噪比需要提高3.6dB，远小于DS-CDMA系统所需的lldB。由于TDS-MC-CDMA多载波可以根据不同子载波上信道的特性来灵活分配资源(如发射功率、调制方式等)，并可以非常方便的进行频率交织，因此，在采用了bitloading和频域交织技术后，MC-CDMA多抗频率选择性信道的能力又将大大增强。图5给出了TDS-MC-CDMA与MC-CDMA系统在AWGN信道和多径信道下的BER性能对比。从仿真结果中可以看出，TDS-MC-CDMA在AWGN和多径信道下的BER性能与MC-CDMA均一致。但正如前面所指出，由于TDS-MC-CDMA采用了已知训练序列取代了MC-CDMA中的循环前缀作为保护间隔，且已知训练序列可以用作辅助接收机进行同步和信道估计，因而无需额外的导频，从而使得TDS-MC-CDMA系统的传输效率提高了约5%15%。图6给出了TDS-MC-CDMA系统在各种典型多径信道模型下的BER性能曲线。在AWGN信道下，系统的BER性能最好；随着多径的增强，BER性能恶化，在多径效应最明显的ITU车载多径信道模型B中，BER恶化最多。图46中Indoor表示室内环境；Vehicular表示车载环境。图7中User皿mber表示用户数。图7给出了TDS-MC-CDMA系统在抗多用户干扰性能的仿真结果。系统采用扩频因子为16的Walsh序列作为扩频码，调制方式为BPSK。由于不同用户之间的Walsh序列完全正交的，因此当用户数小于或等于16时，TDS-MC-CDMA系统均可解扩出所用用户的信号。图7的仿真结果也表明，存在多用户时(16个用户)，由于各用户之间的扩频码完全正交，其系统BER与单用户完全一致，因此可以完全避免多用户干扰。本发明是CDMA技术与中国地面数字电视传输标准的核心技术TDS-OFDM(TimeDomainSynchronous-OFDM)的有机融合，我们称之为时域同步的多载波扩频收发方法，即TDS-MC-CDMA(TimeDomainSynchronous-MultiCarrier-CDMA)系统的收发方法。由以上实施例可以看出，在本发明中，我们充分借鉴TDS-OFDM这一原创性技术(参见2006年8月颁发的国家标准《(数字电视地面广播传输系统的帧结构信道编码和调制》，GB20600-2006)，采用已知的序列作为训练序列而不是像传统MC-CDMA系统中的循环前缀作为保护间隔插入到0FDM数据块之间。插入的已知序列不仅可以起到保护间隔的作用以消除ISI，还可以用于辅助接收进行同步和信道估计，因此在TDS-MC-CDMA方案中无需额外的频域导频，从而使得该多载波扩频系统的频谱效率提高了约5%15%。另一方面，TDS-OFDM主要用于下行的广播信道传输，并不具备多址接入能力，而本发明提出的TDS-MC-CDMA方案不仅使得TD-0FDM这一技术具备了多址接入的功能，而且该方案的多址接入能力大大高于2009年提出的基于TDS-OFDM的多址接入方案TDS-0FDMA(参考L.Dai，J.Fu，etc,"ANovelTimeDomainSynchronousOrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccessScheme,，，inProc.IEEEGlobalCommunicationsConference(Globecom'09)，Hawaii,USA，Nov.2009)。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。权利要求一种时域同步的多载波扩频发送方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤S1，将各用户的原始数据用扩频码进行扩频后进行叠加；S2，将叠加后的扩频信号进行串并变换，得到多个并行的信号流；S3，将所述信号流经过傅立叶逆变换后生成OFDM数据块；S4，在所述OFDM数据块前插入训练序列作为保护间隔；S5，将步骤S4得到的数据经过并串变换后得到时域同步的多载波扩频基带信号，发送该信号。2.如权利要求1所述的时域同步的多载波扩频发送方法，其特征在于，所述训练序列为已知的序列，该序列为PN序歹lj、Gold序歹lj、Walsh序歹lj、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一种。3.如权利要求1所述的时域同步的多载波扩频发送方法，其特征在于，所述训练序列为已知的序列，该序列为PN序歹lj、Gold序歹lj、Walsh序歹lj、Kasami序列、LA序列、ZCZ序列中的一种经逆傅里叶变换到时域后的序列。4.一种时域同步的多载波扩频发送装置，其特征在于，所述装置包括扩频模块，用于将各用户的原始数据用扩频码进行扩频后进行叠加；串并变换模块，用于将叠加后的扩频信号进行串并变换，得到多个并行的信号流；傅立叶逆变换模块，用于将所述信号流经过傅立叶逆变换后生成OFDM数据块；插入保护间隔模块，用于在所述OFDM数据块前插入训练序列作为保护间隔；并串变换模块，用于将所述插入保护间隔模块得到的数据经过并串变换后得到时域同步的多载波扩频基带信号，发送该信号。5.—种时域同步的多载波扩频接收方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤Sl，将接收到的时域同步的多载波扩频基带信号进行串并变换；S2，对串并变换后得到的数据分离训练序列后得到0FDM数据块；S3，将所述OFDM数据块进行傅立叶变换；S4，将经傅立叶变换后得到的数据流进行并串变换后得到串行数据；S5，将所述串行数据用扩频码进行解扩，恢复出各用户的原始数据。6.如权利要求5所述的时域同步的多载波扩频接收方法，其特征在于，所述扩频码为正交或准正交的序列。7.—种时域同步的多载波扩频接收装置，其特征在于，所述装置包括串并变换模块，用于将接收到的时域同步的多载波扩频基带信号进行串并变换；分离保护间隔模块，用于对串并变换后得到的数据分离训练序列后得到0FDM数据块；傅立叶变换模块，用于将所述OFmi数据块进行傅立叶变换；并串变换模块，用于将经傅立叶变换后得到的数据流进行并串变换后得到串行数据；解扩模块，用于将所述串行数据用扩频码进行解扩，恢复出各用户的原始数据。8.—种时域同步的多载波扩频收发方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤信号发送步骤，利用权利要求1所述的时域同步的多载波扩频发送方法发送信号；信号接收步骤，利用权利要求3所述的时域同步的多载波扩频接收方法接收信号。9.一种时域同步的多载波扩频收发系统，其特征在于，所述系统包括权利要求2所述的时域同步的多载波扩频发生装置以及权利要求4所述的时域同步的多载波扩频接收装置全文摘要本发明公开了一种时域同步的多载波扩频收发方法、装置及系统。发送方法包括以下步骤S1，将各用户的原始数据用扩频码进行扩频后进行叠加；S2，将叠加后的扩频信号进行串并变换，得到多个并行的信号流；S3，将所述信号流经过傅立叶逆变换后生成OFDM数据块；S4，在所述OFDM数据块前插入已知的序列作为OFDM数据块的保护间隔；S5，将步骤S4得到的数据经过并串变换后得到时域同步的多载波扩频基带信号，发送该信号。本发明的技术方案通过在TDS-OFDM技术中引入CDMA技术，从而使得TDS-OFDM技术具备了优越的多址接入能力；用已知训练序列取代了MC-CDMA系统中的循环前缀作为OFDM数据块的保护间隔，从而提高了系统的频谱效率。文档编号H04L27/26GK101702704SQ20091023772公开日2010年5月5日申请日期2009年11月16日优先权日2009年11月16日发明者戴凌龙,杨知行,王军,王昭诚申请人:清华大学