但黎琳 ，肖 悅，李少謙

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610054)

MC-CDMA中PTS副信息盲檢測方法

但黎琳 ，肖 悅，李少謙

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610054)

分析了PTS副信息在MC-CDMA系統(tǒng)中對傳輸性能的影響，提出了一種適用于MC-CDAM系統(tǒng)的新的PTS盲檢測算法，該算法在接收端將解擴(kuò)過程與PTS相位恢復(fù)相結(jié)合，根據(jù)部分解擴(kuò)信號選取最優(yōu)相位因子，在相位恢復(fù)的同時(shí)生成解擴(kuò)信號。與傳統(tǒng)算法相比，該算法不需要傳輸任何副信息，傳輸性能穩(wěn)定，能有效提高M(jìn)C-CDMA的頻譜效率和魯棒性。

碼分多址; 多載波調(diào)制; 峰均比; 部分傳輸序列; 副信息

多載波碼分多址[1]技術(shù)利用正交頻分復(fù)用技術(shù)并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，克服碼分多址技術(shù)在傳輸高速寬帶信號時(shí)所面臨的嚴(yán)重碼間干擾和頻率選擇性衰落等問題，提高了無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和抗多徑衰落能力，是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)備受關(guān)注的技術(shù)之一。

由于采用多載波調(diào)制，MC-CDMA信號包絡(luò)在符號周期內(nèi)起伏較大，造成較高的信號峰值平均功率比(peak-to-average power ratio，PAPR)[2-3]。PAPR信號通過前端功放時(shí)，會引起非線性失真以及帶外頻譜再生，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增高，還會引起相鄰信道間干擾。降低MC-CDMA信號的PAPR是MC-CDMA實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，降低MC-CDMA信號PAPR的無失真方法有選擇性映射法(selected mapping，SLM)[4]、部分傳輸序列法(partial transmit sequences，PTS)[5-6]、子載波加擾法(tone reservation，TR)[7]等，其中的PTS法在不影響調(diào)制星座圖和信號平均功率的前提下，通過增加備選信號數(shù)量從概率上降低發(fā)送信號的PAPR值。但是，傳統(tǒng)PTS法需要在發(fā)送信號中嵌入表示相位因子的副信息(side information，SI)，并將副信息告知接收端，用于信號恢復(fù)。因此，接收端的檢測性能在很大程度上受副信息可靠性的影響。一般地，PTS法需要對副信息進(jìn)行保護(hù)，從而提高其傳輸性能，但會犧牲系統(tǒng)的頻譜效率或者編碼效率[8]。另外，傳統(tǒng)的副信息檢測方法[9-10]主要針對正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)系統(tǒng)。而在MC-CDMA系統(tǒng)中，副信息在接收端的恢復(fù)性能還與擴(kuò)頻碼(spreading code)有關(guān)，但以往的PTS副信息檢測方法里未考慮擴(kuò)頻碼。

本文利用MC-CDMA系統(tǒng)中擴(kuò)頻碼的正交特性，提出一種適用于MC-CDMA系統(tǒng)的副信息盲檢測算法。該算法在給定備選相位空間中，根據(jù)解擴(kuò)信號的功率特性選取最優(yōu)相位因子組，完成頻域信號的相位恢復(fù)。仿真結(jié)果表明，與副信息直接傳輸方法相比較，新的盲檢測方法能夠取得更優(yōu)的比特誤碼率(bit error ratio，BER)性能。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)MC-CDMA系統(tǒng)總用戶數(shù)為K，每個(gè)用戶有M個(gè)并行數(shù)據(jù)：

每個(gè)數(shù)據(jù)使用長度為L的正交擴(kuò)頻碼片進(jìn)行擴(kuò)頻：

圖1 結(jié)合PTS方法的MC-CDMA發(fā)送端框圖

如圖1所示，各用戶首先經(jīng)過串/并變換生成M個(gè)并行數(shù)據(jù)，然后分別復(fù)制并乘以擴(kuò)頻碼片，得到長度為L的擴(kuò)頻信號。擴(kuò)頻后，碼片全部映射到不同的子載波上，因此MC-CDMA系統(tǒng)需要N=ML個(gè)子載波。擴(kuò)頻信號通過交織分配到各子載波，第n個(gè)子載波傳輸?shù)臄U(kuò)頻數(shù)據(jù)為各用戶的第m個(gè)輸入數(shù)據(jù)的第l個(gè)擴(kuò)頻碼片之和，即：

傳統(tǒng)MC-CDMA在不考慮PAPR抑制性能的情況下，各用戶的擴(kuò)頻信號直接相加、通過快速傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform，IFFT)生成時(shí)域基帶信號：

經(jīng)過PTS法處理后的發(fā)送信號峰平比為[4]：

由于相位旋轉(zhuǎn)不會影響數(shù)據(jù)的平均功率，PTS方法通過產(chǎn)生更多的備選信號，從概率上降低發(fā)送信號的PAPR，其PAPR性能隨著備選信號的增多而逐漸提高。一般地，PTS不對第一個(gè)數(shù)據(jù)子塊進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，即b1≡1，而其他V?1個(gè)數(shù)據(jù)子塊各有W種可選相位因子，最多可以生成U=WV-1個(gè)備選信號。

由于在MC-CDMA接收端需要對接收信號進(jìn)行相位逆旋轉(zhuǎn)以恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)，因此會在發(fā)送信號中嵌入所選信號對應(yīng)的相位旋轉(zhuǎn)信息(稱為副信息)。對于Q調(diào)制MC-CDMA系統(tǒng)，嵌入log2U個(gè)比特副信息所引入的冗余度為：

2 新的副信息盲檢測法

在理想信道估計(jì)情況下，第j個(gè)用戶的解擴(kuò)信號為：

由式(14)可以看出，擴(kuò)頻碼的正交性受到錯(cuò)誤相位因子破壞，信號分量的能量會被消減，干擾項(xiàng)能量增加，導(dǎo)致判決出錯(cuò)概率增大。

本文提出一種適用于多個(gè)并行數(shù)據(jù)的PTS副信息盲檢測算法。如圖2所示，接收信號ir首先經(jīng)過FFT解調(diào)到頻域后，分為V組數(shù)據(jù)子塊，分組結(jié)構(gòu)與發(fā)送端PTS完全對應(yīng)。然后，各數(shù)據(jù)子塊再分別進(jìn)行解交織和解擴(kuò)處理，得到V組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)都包含M個(gè)并行數(shù)據(jù)的部分解擴(kuò)信號：

根據(jù)相位因子的不同組合，可以生成U=WV-1個(gè)不同的備選相位因子集合。新算法將各組的輸出信號乘以備選相位因子后求和，接著輸入到判決模塊有：

考慮到時(shí)延，假設(shè)并行數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)M足夠大，則上述統(tǒng)計(jì)期望值可以近似為每個(gè)MC-CDMA符合內(nèi)的數(shù)學(xué)平均值，即：

圖2 新的盲檢測算法收端系統(tǒng)框圖

下面以第j個(gè)用戶為例，給出新的MC-CDMA系統(tǒng)接收端對應(yīng)PTS副信息盲檢測算法的具體步驟為：

綜上所述，本文提出的副信息盲檢測算法在接收端將信息數(shù)據(jù)解擴(kuò)與PTS相位恢復(fù)相結(jié)合，使用部分解擴(kuò)信號，在恢復(fù)信號功率最小誤差準(zhǔn)則下，直接從備選組中選取最優(yōu)相位因子，根據(jù)最優(yōu)相位因子得到解擴(kuò)信號并輸出。該方法利用單個(gè)用戶并行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性實(shí)現(xiàn)相位恢復(fù)，其恢復(fù)性能隨著并行數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的增多而逐步提高。

3 仿真結(jié)果

本文采用的MC-CDMA系統(tǒng)的子載波數(shù)為N=ML，過采樣因子為J=4，調(diào)制方式QPSK；PTS分組數(shù)為V=4，可選相位因子數(shù)量為W=4，即{1,?1,j,?j}，且第一組數(shù)據(jù)子塊對應(yīng)的相位因子固定為1；擴(kuò)頻碼采用格雷(Golay)互補(bǔ)碼。

上述仿真條件下的峰均比互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)曲線如圖3所示，即PAPR超過某一門限值PAPR0的概率 P r{PAPR>PAPR0}。作為性能比較的參考，本文也給出副信息直接傳輸法的CCDF曲線，該方法直接將調(diào)制后副信息放置在預(yù)留子載波上與信息數(shù)據(jù)一起發(fā)送。比如，具有U=64個(gè)備選信號的PTS方法在Q=4點(diǎn)調(diào)制下需占用 ??lo gQU??= 3 個(gè)子載波，頻譜效率為97.7%。從圖3可以看到，PTS方法可以有效降低MC-CDMA信號的PAPR。例如在CCDF= 1 0?3處，比較原始MC-CDMA信號，有3 bit副信息的傳統(tǒng)PTS-MC-CDMA系統(tǒng)能夠取得2.8 dB的PAPR增益。值得注意的是，采用本文提出的盲檢測算法能夠較傳統(tǒng)PTS-MC-CDMA進(jìn)一步取得0.1 dB的PAPR增益。這是由于副信息直接傳輸法需要在PTS后的低PAPR信號中加入額外的副信息，而該副信息的PAPR未在PTS考慮之內(nèi)，因此有可能引起PAPR回升。而盲檢測算法避免了副信息傳輸，因此不存在PAPR回升，PAPR性能較優(yōu)。

圖3 MC-CDMA系統(tǒng)的PAPR性能比較

本文所提出的盲檢測算法在AWGN信道下的副信息檢測性能仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，擴(kuò)頻碼長度為L=16，并行數(shù)據(jù)M分別為32、64和128，活動(dòng)用戶數(shù)為K=16，仿真僅對第k=8個(gè)用戶進(jìn)行單用戶檢測?？梢钥闯觯z測算法的副信息錯(cuò)誤概率較直接副信息傳輸法要低。比如，當(dāng)并行數(shù)據(jù)數(shù)為128時(shí)，在BER=10?2處，盲檢測算法較傳統(tǒng)算法有2 dB的SNR增益?？梢钥吹?，隨著并行數(shù)據(jù)的增加，盲檢測算法的副信息正確率迅速提高。當(dāng)并行數(shù)據(jù)大于64、SNR大于2 dB時(shí)，盲檢測算法較直接傳輸副信息相位因子序列檢測性能更好。

圖4 AWGN信道下副信息檢測的BER性能比較

結(jié)合盲檢測算法的MC-CDMA系統(tǒng)在AWGN信道下的BER性能仿真結(jié)果如圖5所示。該圖仿真參數(shù)與圖4相同?？梢钥闯?，盲檢測算法的副信息錯(cuò)誤概率隨著并行數(shù)據(jù)的增多而降低。當(dāng)并行數(shù)據(jù)大于64、SNR大于2 dB時(shí)，盲檢測算法的接收端BER性能優(yōu)于傳統(tǒng)的直接傳輸副信息方法。當(dāng)并行數(shù)增加到128時(shí)，盲檢測算法接近理想副信息恢復(fù)的性能。因此，盲檢測算法非常適合存在大量并行數(shù)據(jù)的未來寬帶MC-CDMA系統(tǒng)。

圖5 AWGN信道下接收信息數(shù)據(jù)的BER性能比較

圖6 AWGN信道下加入功率放大器的BER性能

本文所提出的盲檢測算法在加入功率放大器情況下的接收端BER性能如圖6所示。圖中，采用的固態(tài)功率放大器(solid state power amplifier，SSPA)的輸入回退為8.5 dB，平滑指數(shù)為1.5。可以看到，盲檢測算法的BER性能優(yōu)于直接副信息傳輸，并且在高SNR情況下較原始MC-CDMA接收端性能好。在這種情況下，盲檢測算法在保證副信息檢測性能的同時(shí)，其低PAPR特性也降低了放大器非線性失真噪聲，在無頻譜損失的情況下取得較原始MC-CDMA信號更好的BER性能。

綜上所述，在發(fā)送端，盲檢測算法不存在副信息引起的PAPR回升；在接收端，盲檢測算法利用擴(kuò)頻碼本身的抗干擾特性進(jìn)行副信息恢復(fù)，取得比直接副信息傳輸更好的BER性能。因此，盲檢測算法能很好地平衡PAPR頻譜利用率和接收端性能。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合MC-CDMA系統(tǒng)的擴(kuò)頻正交特性，提出一種MC-CDMA中PTS副信息的盲檢測算法。該算法將解擴(kuò)與PTS相位恢復(fù)相結(jié)合，使用部分解擴(kuò)信號在解擴(kuò)信號功率最小誤差準(zhǔn)則下，直接從備選組中選取最優(yōu)相位因子，生成解擴(kuò)信號。與傳統(tǒng)的副信息直接傳輸方法相比較，結(jié)合了PTS盲檢測算法的MC-CDMA系統(tǒng)無載波效率損失，副信息錯(cuò)誤概率更低，PAPR也有一定降低。該方法可以應(yīng)用于要求低PAPR高頻譜利用率的MC-CDMA系統(tǒng)中。

[1]HéLARD M, LAGOUABLE R, HéLARD J F, et al.Multicarrier CDMA techniques for future wideband wireless networks[J]. Ann Telecommun, 2001, l(56): 260-74.

[2]JIANG Tao, WU Yi-Yan. An overview: peak-to-average power ratio reduction techniques for OFDM signals[J].IEEE Trans Broadcast, 2008, 54(2): 257-268.

[3]雷 霞, 李少謙. 過采樣OFDM信號的峰值平均功率比[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 32(5): 499-502.

LEI Xia, LI Shao-Qian. Peak-to-average power ratio of the oversampling OFDM signals[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2003, 32(5): 499-502.

[4]OHKUBO N, OHTSUKI T. A peak to average power ratio reduction of multicarrier CDMA using selected mapping[C]//IEEE VTC’ 2002. Fall, Canada, 2002: 2086- 2090.

[5]YOU Y H, JEON W G. Low-complexity PAR reduction schemes using SLM and PTS approaches for OFDM-CDMA signals[J]. IEEE Trans Consum Electron, 2003, 49(2): 284-289.

[6]武林俊, 朱世華, 馮興樂. 利用部分傳輸序列減小MC-CDMA系統(tǒng)的峰均比[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2005,27(4): 599-602.

WU Lin-jun, ZHU Shi-hua, FENG Xing-le. Peak-to-average power ratio reduction in MC-CDMA systems by using partial transmit sequence schemes[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2005, 27(4): 599-602.

[7]WANG Lu-qing, TELLAMBURA C. Analysis of clipping noise and tone-reservation algorithms for peak reduction in OFDM systems[J]. IEEE Trans Veh Technol, 2008, 57(3):1675- 1694.

[8]HAN S H, LEE J H. An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission[J].IEEE Wirel Commun, 2005, 12(2): 56-65.

[9]HE Xu, WEN Qing-song, XIAO Yue, et al. A novel method for reducing the side information of MSR-OFDM system[C]//4th AICT’ 2008. Athens, Greece: [s.n.], 2008:404-407.

[10]FUJII A, NAKAGAWA M. Weighting factor estimation methods for partial transmit sequences OFDM to reduce peak power[J]. IEICE Trans Commun, 2002, E85-B(1):221- 230.

編 輯 稅 紅

Blind PTS Receiver for PAPR Reduction in MC-CDMA Systems

DAN Li-lin, XIAO Yue, and LI Shao-qian

(National Key Lab of Communication, University of Electronic Science and technology of China Chengdu 610054)

In this paper, a blind PTS scheme in MC-CDMA systems is proposed. Based on the relationship between the dispreading codes and side information, the new scheme utilizes the phase recovering with the partial dispread signal, and makes the optimal decision based on minimum power error of the dispread signals. Simulation shows that compared with the conventional PTS scheme, the proposed scheme can recover the phase information without SI at the receiver and provide better frequency efficiency and transmitting performance.

CDMA; multicarrier modulation; PAPR; PTS; side information

TN929.533

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.007

2009- 04- 20;

2009- 02- 19

國家自然科學(xué)基金(60902026)；國家科技重大專項(xiàng)(2009ZX03005-003)

但黎琳(1980- )，女，博士生，主要從事移動(dòng)通信系統(tǒng)物理技術(shù)方面的研究.