用於多載波/正交分頻多工分碼多重進接系統之空時處理器

全文

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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用於多載波/正交分頻多工分碼多重進接系統之空時處理器

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計畫類別:□個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號:

NSC 89-2213-E-009-160

執行期間:89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

計畫主持人:

李大嵩

共同主持人:

本成果報告包括以下應繳交之附件:

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位:

國立交通大學電信工程系

中 華 民 國

90 年 7 月 6 日

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用於多載波/正交分頻多工分碼多重進接系統之空時處理器

Space-Time Processor for Multi-Carrier/OFDM CDMA Systems

計劃編號 : NSC89-2213-E-009-160 執行期限 : 89 / 8 / 1 - 90 / 7 / 31 主持人 : 李大嵩 國立交通大學電信系 教授 參與人員 : 何從廉、鄧俊宏、陳智源、張智偉 一、中文摘要 在未來的無線通訊系統中,最重要的需 求之一為高速傳輸。然而通道的多路徑衰退 現象限制了系統的傳輸速率。而多載波傳輸 為 一 種 可 有 效 對 付 頻 率 選 擇 性 衰 退 之 技 術,可用來克服上述的問題。在本報告中, 吾人考慮一種新的多重進接技術,此技術結 合了多載波傳輸及分碼多重進接,成為所謂 之多載波分碼多重進接系統。此種技術可分 為兩種類型:第一種為在頻域上傳送展頻 碼,另一種則是在時域上傳送展頻碼。吾人 針對此兩種不同之多載波分碼多重進接系 統提出陣列天線接收器架構。陣列天線接收 器可提供額外的空間多重進接,並可有效地 降低其它使用者的干擾。此乃一種能有效解 決近-遠問題,並提升整個系統容量的方 法。吾人更進一步提出多階平行干擾消除演 算法及傳送功率控制兩種不同的方法來解 決其他使用者所造成的多重進接干擾。由電 腦模擬結果顯示,在強干擾的環境下,吾人 所提之空-時多載波分碼多重進接接收器, 其效能明顯優於傳統之時域接收器。 關鍵詞:多載波傳輸,多載波分碼多重進 接,多重進接干擾 英文摘要

A major requirement in future advanced wireless communication systems is high transmission data rate. Unfortunately, multipath fading limits a system's transmission rate. To mitigate this problem, the multi-carrier (MC) transmission scheme is proposed which is robust to frequency selective fading. In this report, we consider a new multiple access technique based on a combination of code-division multiple access (CDMA) and MC transmission, called MC CDMA system. The proposed technique can be categorized into two types: one spreads across frequency domain, and the other spreads across time domain. We then propose an adaptive antenna array receiver for the two types of MC CDMA systems. The antenna array receiver provides an extra dimension for space division multiple access (SDMA), which can be used to reduce the interference from other users. This makes it an effective remedy for overcoming the near-far problem and potential solution for increasing the capacity. Furthermore, we propose a scheme of multistage parallel interference cancellation (MPIC) and transmission power control (TPC) methods to reduce the multiple access interference (MAI) from other users. From simulation results, we demonstrate that the proposed space-time receiver outperforms the conventional time-only MC CDMA receiver in the presence of strong MAI.

Keywords: Multi-carrier transmission,

Multi-carrier CDMA, Multiple access interference)

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二、計畫緣由與目的 多載波傳輸-即正交分頻多重進接,是 一種可以有效克服頻率選擇多路徑衰退所 引起之符際干擾問題的系統。它將原先較寬 的頻帶分成數個較窄的子頻帶,而後將欲傳 的訊號分別從這些子頻帶選取正交的載波 做調變。如此一來,每個子頻帶所傳的訊號 變為一窄頻訊號,這樣就不會有多路徑衰退 的效應。因此在無線通訊系統中,結合多載 波傳輸和分碼多重進接系統是一種值得研 究的傳輸方法-此稱為多載波分碼多重進接 系統。此系統通常分為兩種類型:第一種類 型稱為OFDM/CDMA 系統、另一種則稱為 MC DS-CDMA 系統。此外,陣列天線也是 近年來無線通訊界之重要研發方向及熱門 議題。其主要的概念在以某種具適應性的演 算法去調整出適當的參數,使陣列天線能在 空間上提供額外的自由度,達到在空間上多 重進接的效果。在不增加系統頻寬的前題, 藉由此空間多重進接的效果可以有效壓抑 其它使用者的干擾,進而提升整個系統的容 量。有鑑於此,在本報告中,吾人結合陣列 天線及多載波分碼多重進接,並針對兩種不 同之系統提出空-時多載波分碼多重進接接 收器(見圖一、圖二),並使用訓練訊號來 求得陣列天線所需的參數。然而此系統之效 能仍會被多重進接干擾所限制住,為提高整 個系統的效能,吾人亦提出干擾消除的方 法。最後,結合上述之空-時多載波分碼多 重進接接收器及干擾消除之演算法,系統可 有效降低其它使用者所造成的干擾,並可達 到訊號偵測的目標。 三、研究方法及成果 研究方法:吾人所提之具加強干擾之空-時 多載波分碼多重進接接收器研 究方法如下 1. 吾 人 將 探 討 兩 種 多 載 波 分 碼 多 重 進 接 (OFDM/CDMA 及 MC DS-CDMA)系統 之基本架構及其性能。並建立各種不同之 無線通道,求得在不同通道之訊號比(SNR) 與比次錯誤率(BER)之關係圖。 2.吾人將結合陣列天線與 OFDM/CDMA 系 統。利用輔助訊號在時域上不同之路徑先 作通道估測,並利用 RLS 或 NLMS 等演 算法來調整陣列天線的參數。利用時域上 的所得之陣列天線係數,將所收到的訊號 加權後並轉換到頻率。最後把通道的頻率 響應補償後即可做訊號偵測。 3.針對上述系統,吾人提出多階平行干擾消 除演算法來做干擾消除。此演算法的概念 為:在要偵測一使用者訊號前,先將其它 使用者信號扣除,便可得到較精確的偵 測。而每一階都針對所有的使用者重建其 所接受到的訊號,並做扣除的動作。因此, 若使用若多階做處理,所偵測之結果會越 好。 4. 吾 人 將 結 合 陣 列 天 線 與 MC-CDMA 系 統。由於此時每個載波傳送一窄波訊號, 故多路徑干擾在每個載波上將不存在。吾 人將針對每個載波接收到的訊號分別處 理。利用輔助信號先作通道估計,再用 RLS 或 NLMS 等演算法適應性調整參 數。再將每個載波做完空間加權後之訊號 利用最大比值結合以達成頻率分集的效 果。 5.針對上述系統,吾人提出傳送功率控制來 做干擾消除。此演算法之概念為:先計算 每個使用者之訊號與干擾功率比,並與一 預先設定值做比較。若其訊號與干擾功率 比太小,即通知傳送端提高傳輸功率。反

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之,則降低傳輸功率。其可使每個使用者 在接收端的功率相等,以降低多重進接干 擾之影響。 成果:本計畫完成下列工作 1.建立多載波分碼多重進接系統並模擬其性 能。 2.以 OFDM/CDMA 系統為架構並加上陣列 天線處理,並在不同通道環境下進行模擬 與評估。 3.建立 OFDM/CDMA 空-時多階平行干擾 消除接收器,並在不同通道環境下進行模 擬。此接收器可將其它使用者所產生之多 重進接干擾作有效的壓抑。 4.結合陣列天線與 MC DS-CDMA 系統,並 在不同通道環境下進行模擬與評估。 5.建立 MC DS-CDMA 空-時接收器並作傳 輸功率工率控制。此接收器在有強干擾下 亦可壓抑其它使用者之干擾,達到相當好 之效能。 上述具加強干擾之空-時多載波多重進 接接收器研究成果結合陣列天線與多載波 多重進接系統,並提出有效之演算法來克服 多重進接干擾,使得其上鏈端之偵測更為準 確。 四、結論與討論 本報告中,吾人經由電腦模擬結果來 成線索提出之具加強干擾之空-時多載波多 重進接接收器。圖三(a)呈現 OFDM/CDMA 空-時接收器對近-遠問題的效能分析。由圖 可知,有陣列天線處理之接收器可有效克服 近-遠問題。圖三(b)呈現 OFDM/CDMA 空-時多階平行干擾消除接收器對多重進接 干擾的效能分析。由圖可知,所提出之接收 器可有效降低多使用者所造成的干擾。圖三 (c)呈現 OFDM/CDMA空-時多階平行干 擾消除接收器對多使用者之效能分析。由圖 可知,所提出之接收器在5與10個使用者的 狀況下,其效能與只有1個使用者之狀況相 近。並可逼近理想的狀況下的效能。 圖四 呈現出在30個使用者,並有一個強干擾同時 傳送之狀態下,系統之效能。由圖可知,此 系統在此狀態下還可達成相當良好之效能。 五、參考文獻

[1] S. Hara and R. Prasad, “An overview of multicarrier CDMA,” IEEE Commun.

Mag., pp. 126-133, Dec. 1997.

[2] Khaled Fazel and Gerhard P. Fettweis,

Multi-carrier spread-spectrum, Kluwer

Academic, Boston, 1997.

[3] A. Chouly, A. Brajal and S. Jourdan, “Orthogonal multicarrier techniques applied to direst sequence spectrum CDMA systems,” Proc. of IEEE GLOBECOM ’93, Houston, USA, pp. 1723-1728, Nov 1993. [4] S. Kondo and L. B. Milstein, “Performance

of Multicarrier DS CDMA systems,” IEEE

Trans. Commu., vol. 44, no. 3, pp. 238-246,

Mar. 1996.

[5] Yukitoshi Sanada, Michael Padilla and Kiyomichi Araki, “Performance of adaptive array antennas with multicarrier DS/CDMA in a mobile fading environment,” IEICE Trans. Commu., vol. E81-B, no. 7, pp. 1392-1400, July. 1998. 六、圖表 Reference Pilot Symbol Remove guard interval Despread with Pilot code in Time domain Despread with Pilot code in time domain Adaptive Weight Combining for path 1 Adaptive Weight Combining for path 2 + + Channel Estimation for path 1 Channel Estimation for path 2 e1 Reference Pilot Symbol e2 hk,1 FFT Channel comp. in freq. domain Despread with user code in freq. domain Data decision hk,2 1 , k w 2 , k w H k k ) (w,2+w,2 ⊕ ⊕ ⊗ ⊗ 圖1:OFDM/CDMA 空-時接收器架構圖

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圖3(b):OFDM/CDMA 空-時多階平行干擾 N ⊗ ⊗ ⊗ 1 cos(2πf t)

M

LPF LPF LPF ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ + Adaptive Weight Combining for carrier 1 L Channel Estimation with Pilot Signal

⊗ ⊗ MRC N

M

Decision carrier 1 carrier 2 carrier M Antenna 1 Antenna 2 Antenna P N * ) 1 ( 1 , k w ⊗ ReferencePilot Symbol Receiver Pilot Signal ⊕+ -e * ,1 ˆ k ξ * ) 2 ( 1 , k w * ( ) ,1 P k w 1 cos(2πf t) 1 cos(2πf t) * ,1 ˆ k ξ ( ) k c t ( ) k c t ( ) k c t 圖2:MC DS-CDMA 空-時接收器架構圖 圖3(a): OFDM/CDMA 空-時接收器對近-遠問題效能分析 接收器對多使用者干擾之效能 圖3(c):OFDM/CDMA 空-時多階平行干擾 接收器之效能 圖4: MC DS-CDMA 具傳輸功率控制空-時 接收器之效能

數據

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參考文獻

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