寬頻CDMA無線通訊收發機核心技術之研究與實現---子計畫II：寬頻CDMA無線通訊收發機之展頻碼設計與同步/參數估計技術

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

寬頻 CDMA 無線通訊收發機之展頻碼設計與同步/參數估計技術 Spr eading Codes Design and Sync./Par ameter Estimation Techniques for Wide-Band CDMA Wir eless Tr ansceiver s

計畫編號：NSC 89-2213-E-007-094 執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日

主持人：陳俊才 清華大學通訊所

計畫參與人員：王永宜、陳弘政、李東輝、陳明傑 等四位研究生 台灣科技大學電子系

一、 中文摘要

第三代無線通訊系統以直接序列展頻 分碼多工系統的方式為主架構，這是由於 在細胞系統中，直接序列展頻分碼多工有 很大的優勢。在目前所使用的碼，一般分 有非正交碼及正交碼兩種，但是由於多路 徑的傳送以及符號間干擾(ISI)使得接收 到的訊號極為複雜。因此我們根據通道的 特性，設計出能夠在接收端相互正交的 碼，這樣大大的提高系統的容量以及降低 符號的傳送錯誤。而我又提出在發射及接 收端使用陣列天線，利用陣列天線來提高 訊號的差異性，進而增加傳送的容量。

關鍵詞：展頻分碼、陣列天線、符號干擾 Abstract

The 3rd generated wireless communication system used direct sequence spread spectrum code division multiple access (CDMA) system for the structure.

Because direct sequence spread spectrum code-division multiple-access system could take much advantage in the cellular network systems. Currently non-orthogonal code and orthogonal code are most used in CDMA system, but multi-path and inter symbol interference cause received signal complicated. Consequently we according the property of channel to design an orthogonal

code in the receiving side, which promoted this system to higher capacity and degraded the bit error rate. We also use antenna arrays in both transmitted and received side.

Antenna arrays promoted the signal diversity and increased the capacity.

Keywords: CDMA, Antenna Array, ISI

二、 緣由與目的

在 DS-SS CDMA(direct-sequence spread-spectrum code division multiple access)系統[1]中，每個使用者被設定有 一組不同的展頻碼被用在寬的頻帶上，然 後再用解展頻的訊號去對應所要解的使用 者。因此，使用者所使用的碼直接影響使 用者之間的干擾。所以研究有關 code 或 signature 成為重要的課題，而正交符號減 低了使用者之間的干擾，更大大提高頻帶 的使用率，所以也就成為研究的主題。

第三代 WCDMA[2]系統在 Forward link 及 Reverse link 的第一層 Spreading Code 是 以 Variable length Orthogonal sequences 為架構。雖然傳送的是正交碼，

但是由於多重路徑及 ISI(inter-symbol interference)的因素，使得信號在接收端 變的極為不正交。而我們曉得多重路徑的 改變在短時間內變化並不劇烈，所以為了 克服多重路徑及 ISI 的因素，我們希望能 藉由找出多重路徑的路徑延遲、路徑入射 方向(DOA)及路徑損耗來設計出在接收端 能正交的碼。

在無線通訊系統為了增加系統的傳送 容量，可以藉由增加天線來達成。因為陣 列天線的使用在 Cellular 中，可以藉由不 同 天 線 的 差 異 性 (Diversity) 或 Beam forming 來達到系統容量的倍增，所以也就 成為無線通訊研究的主要課題，所以提出 空間時間的展頻碼。

在 CDMA 的接收端多以 Rake 接收器來 做 接 收 ( 如 IS-95)[1]， 以 BPSK(binary phase-shift keying)來做調變。有許多的 觸手(fingers)去找尋最強的路徑。找到之 後再用 Matched filter 來做解調把不要的 訊號去除。但在此我們使用— 空間時間 (space-time) Matched filter 來做接收及 做解調。

三、 通道模型

無線通信系統通訊頻道通常被表示在 多重路徑的模型。在大細胞(cell)下會用 高的基地台天線平台，此傳播環境被適切 的被表示為一些主要的特別路徑。在此，

天線陣列接收到的基頻信號可表示如下 X : 接收端的基頻訊號。

H : 通道模型。

S

N : 展頻因子(spreading factor)*2。

Q : raise consine 所取的取樣點。

β

D

K

L

接收基頻信號通式 :

S T

H X = •

} )

( {

1 2 1

1

k K

k k k

T L

l

S D S G

A AB

X ∑ ∑

=

∗

∗

=

     

 

 

 

•

= Μ

通道模型的通式:

四、空間時間碼的接收調變 　　

在此提出一個新穎的演算法，一般在 CDMA 系統中，基地台發射 Walsh code 為一 個正交碼，但是由於多重路徑，產生路徑 損耗、路徑延遲、Doppler 效應，使得在接 收端所收到的訊號變的很不正交。若我們 能從接收的信號，估算出路徑的延遲、路 徑的損耗及路徑的接收方向，將這三個估 算值傳回發送端。在發送端利用這三個已 知的通道特性，做出一個能讓在接收端正 交的非正交碼。說明如下:

接收訊號

X ₌ HS

T T

H HS S

X

X

₌

將

H ^∗ H

Λ

可得

US T T U

S X

X ∗ = ∗ ∗ Λ

所以說，若

S T

=

²

*

Λ ⁻ 1

U

I UU

UU ∗ Λ ∗ Λ = Λ ΛΛ = Λ ^{− 1 2 − 1 2 − 1 2 − 1 2}

所以說接收訊號

X

X

於拿接收訊號做 Auto-correlation，而得 到單位矩陣 I ，表示接收到的 X 為一個正 交碼。

其中，

X

Λ

− 1

Λ ^{1 Λ 1}

− =

+ Q M N N

M

H _{( 1 ) *}

N Q N l M

M l t L

l

l

l a a G

t

( 1 ) *

* , 1

)

( ^∗ _{+ −}

=

⊗

∑ ^β •

在接收端接收到正交碼，表示使用者 和使用者之間所用的碼，完全不受別人干 擾，所以能夠去除使用者之間所構成的干 擾，而 CDMA 是 interference limited 的 系統，所以可以大量改善系統的容量。

利 用 先 前 的 演 算 法 ， matched filters、linear receiver 及 signature optimizer 需要通道的資訊特性,包含路徑 入射方向 DOAs (direction of arrival) 路徑延遲，及複數路徑損耗振幅。因此我 們要知道這些參數是如何得知的。

首 先 我 們 用 一 些 近 來 發 展 的 subspace-based 演算法來預估路徑 DOAs 及 路 徑 延 遲 , 譬 如 TST-MUSIC[3] 及 JADE[4]。因為路徑 DOAs 及路徑延遲通常 會好一段長時間保持不變,我們也可用更 複雜的演算法來獲得更好得預估。而我們 不想把重點擺在預估這些參數。我們假定 根據一些演算法我們有足夠好的資訊在路 徑 DOAs 及路徑延遲上。

利用 CDMA 傳送 pilot 訊號,經由通道, 在接收端加以預估通道的特性,將 slow fading 預估出。則我們可以將通道的特性 回 傳 到 發 射 端 , 發 射 端 知 道 了 接 收 端 的 DOAs,路徑延遲,及路徑損耗振幅,進而在 發射端設計出可以讓在接收端正交的展頻 碼,而在接收端也根據這三個參數計算出 發射端送出的碼,以及根據這三個參數設 計出在接收端應該解調的展頻碼,根據[5]

所描述的空間時間濾波器,接收到訊號加 以解調。空間-時間 匹配濾波器集[5]通常 使用在獲得充分的資料下解調數位調變信 號。我們導出充分資料可以減少接收信號 的維度，及簡化信號處理。

我們發現使用者空間簽名的關聯性及 時間簽名的關聯性是相互獨立的。也就是 說,路徑的相關性就是路徑空間關聯性和 路徑時間關聯性的乘積。在空間零相關性, 則保證會零相關而不必考慮時間簽名的相 關性。同樣地, 在時間零相關性,則保證會 零相關而不必考慮空間簽名的相關性。部 分相關,不論在空間或時間,兩者都會減低 空間時間簽名的相關性。所以很直接的說 系統的容量將會和天線陣列的個數線性增 加。

五、數值模擬結果

使用所設計在接收端正交的碼在 SNR 為 10dB 下，在高山環境下使用 6 個路徑，

接 收 及 發 射 使 用 陣 列 天 線， spreading factor 為 16， user 16，假設路徑雜訊 SNR=10dB 下，根據理論可由接收端算出通 道的 path delay， path fading 及 path angle，將這些參數回傳到發射端，利用這 些參數在發射端設計出在接受端可以正交 的碼，因此可得圖 1,2。

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

0 5 1 0 1 5 2 0

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

u s e r 1 ~ 1 6 u s e r 1 ~ 1 6

correlation

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8

0 2 4 6 8 1 0 1 2

S ig n a l to No is e R a tio

US E R

SNR=10LOG(S/N)

圖 1a,1b HT model， 6 path， 16 user， spreading factor 16， transmission Ant 6， receive Ant 6， SNR 10dB ( 已知通道設計出接收端正交的碼 )

0 2 4

6 8

1 0 1 2 1 4 1 6

0 5 1 0 1 5 2 0

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

u s e r 1 ~ 1 6 u s e r 1 ~ 1 6

correlation

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 0

2 4 6 8 1 0 1 2 1 4

S ig n a l to No is e R a tio

US E R

SNR=10LOG(S/N)

圖 2a,2b RA model， 6 path， 16 user， spreading factor 16， transmission Ant 6， receive Ant 6， SNR 10dB ( 已知通道設計出接收端正交的碼 )

將 Walsh code 以及 Pseudo-Random code 與我所找到的正交碼，將 BER 與 SNR 作一圖形做比較。得圖 3。此圖為在( HT model，6 path， 16 user，spreading factor 16，transmission Ant 6，receive Ant 6) 的情況下所做的。因為 spreading factor 為 16 而有 16 個使用者，所以雖然 SNR 很 高時 PN-code 的 BER 一樣降不下來，因為 是 Interference 的因素，而不是雜訊的因 素。而所設計的碼約比 Walsh code 好 6dB 左右。

-20 -15 -10 -5 0 5 1 0 1 5 2 0

1 0^-7 1 0^-6 1 0^-5 1 0^-4 1 0^-3 1 0^-2 1 0^-1 1 0⁰

S NR (d B )

BER (dB)

W a ls h c o d e P N c o de C o d e fo r De s ig n

圖 3 比較 BER 對 SNR

六、結論

在有關 CDMA 方面的研究，有關天線陣 列與碼(空間時間)的設計，以及在接收端 所用的接收技術，是很重要的課題。由於 第三代 CDMA 系統要加入 Multi-rate，使用 陣列天線可以讓在接收端用陣列天線接收 的人接收到比較多的訊息，而接收端較少 接收天線的人接收到較少的訊息。

在根 據 由 通道 特 性 所找 出 來 的

非數位的碼，也就是非單純為一或負一的 碼。而碼裡符號(signature)的大小是根據

2 /

−1

Λ

Λ

Λ

第五節所做出的模擬結果，與第四節 的理論互相輝映，的確在接收端可以得到 一個正交的碼。但是由於白雜訊，使得在 接收端量測到的數值並不十分準確，所以 回傳到發射端時，所設計的碼在接收端時 並不是完全正交，所以此時白雜訊的干擾 佔很大的因素。

模擬結果與我們預期的理論及觀念都 十分吻合，所以提出這樣的理論對無線通 訊的研究十分有助益。有關天線陣列的應 用更是第三代系統的研究重點，而 OPDM- CDMA 更是新的 CDMA 的發展技術，所以展望 將來 CDMA 可以說是無線通訊的主軸。

七、參考文獻

[1] R.Lupas and S. Verdu, “Linear multi- user detectors for synchronous code- division multiple-access channels,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 35, pp. 123- 136, Jan. 1989.

[2] E. H. Dinan and B. Jabbari, “Spreading codes for direct sequence CDMA and wideband CDMA cellular networks,”

IEEE Trans. Commun. Mag., vol. 36, pp.

48-54, Sept. 1998.

[3] Wang, Yung-Yi; Chen, Jiunn-Tsair;

Fang, Wen-Hsien, "TST-MUSIC for joint DOA-Delay Estimation." Submitted to IEEE Trans. on Signal Processing, Jul.

2000. (Revising)

[4] van der Veen, AJ; Vanderveen, MC;

Paulraj, AJ, ``Joint angle and delay estimation using shift-invariance techniques,'' IEEE Transactions on Signal Processing, p. 405-18, Feb.

1998.

[5] J. T. Chen, C. B. Papadias,and G. J.

Foschini, “Dynamic signature assignment for reverse-link CDMA systems,”IEEE Commun ICC conference,

5

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※

※ ※

※

　 ※

※ 　　

　　 　 　※

※　　　　　　※

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※

計畫類別：整合型計畫

計畫編號：NSC 89-2213-E-007-094

執行期間：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日

計畫主持人：陳俊才

執行單位：清華大學通訊所

中　華　民　國 89 年　8　月 30 日