MC-CDMA中PTS副信息盲檢測方法

但黎琳 ，肖 悅，李少謙

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室 成都 610054)

MC-CDMA中PTS副信息盲檢測方法

但黎琳 ，肖 悅，李少謙

(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室 成都 610054)

分析了PTS副信息在MC-CDMA系統中對傳輸性能的影響，提出了一種適用于MC-CDAM系統的新的PTS盲檢測算法，該算法在接收端將解擴過程與PTS相位恢復相結合，根據部分解擴信號選取最優相位因子，在相位恢復的同時生成解擴信號。與傳統算法相比，該算法不需要傳輸任何副信息，傳輸性能穩定，能有效提高MC-CDMA的頻譜效率和魯棒性。

碼分多址; 多載波調制; 峰均比; 部分傳輸序列; 副信息

多載波碼分多址[1]技術利用正交頻分復用技術并行傳輸的優點，克服碼分多址技術在傳輸高速寬帶信號時所面臨的嚴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的數據傳輸速率和抗多徑衰落能力，是第四代移動通信系統備受關注的技術之一。

由于采用多載波調制，MC-CDMA信號包絡在符號周期內起伏較大，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，會引起非線性失真以及帶外頻譜再生，不僅導致系統誤碼率增高，還會引起相鄰信道間干擾。降低MC-CDMA信號的PAPR是MC-CDMA實用化的關鍵技術之一。

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法在不影響調制星座圖和信號平均功率的前提下，通過增加備選信號數量從概率上降低發送信號的PAPR值。但是，傳統PTS法需要在發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。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法需要對副信息進行保護，從而提高其傳輸性能，但會犧牲系統的頻譜效率或者編碼效率[8]。另外，傳統的副信息檢測方法[9-10]主要針對正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)系統。而在MC-CDMA系統中，副信息在接收端的恢復性能還與擴頻碼(spreading code)有關，但以往的PTS副信息檢測方法里未考慮擴頻碼。

本文利用MC-CDMA系統中擴頻碼的正交特性，提出一種適用于MC-CDMA系統的副信息盲檢測算法。該算法在給定備選相位空間中，根據解擴信號的功率特性選取最優相位因子組，完成頻域信號的相位恢復。仿真結果表明，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的比特誤碼率(bit error ratio，BER)性能。

1 系統模型

假設MC-CDMA系統總用戶數為K，每個用戶有M個并行數據：

每個數據使用長度為L的正交擴頻碼片進行擴頻：

圖1 結合PTS方法的MC-CDMA發送端框圖

如圖1所示，各用戶首先經過串/并變換生成M個并行數據，然后分別復制并乘以擴頻碼片，得到長度為L的擴頻信號。擴頻后，碼片全部映射到不同的子載波上，因此MC-CDMA系統需要N=ML個子載波。擴頻信號通過交織分配到各子載波，第n個子載波傳輸的擴頻數據為各用戶的第m個輸入數據的第l個擴頻碼片之和，即：

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

經過PTS法處理后的發送信號峰平比為[4]：

由于相位旋轉不會影響數據的平均功率，PTS方法通過產生更多的備選信號，從概率上降低發送信號的PAPR，其PAPR性能隨著備選信號的增多而逐漸提高。一般地，PTS不對第一個數據子塊進行相位旋轉，即b1≡1，而其他V?1個數據子塊各有W種可選相位因子，最多可以生成U=WV-1個備選信號。

由于在MC-CDMA接收端需要對接收信號進行相位逆旋轉以恢復原始信息數據，因此會在發送信號中嵌入所選信號對應的相位旋轉信息(稱為副信息)。對于Q調制MC-CDMA系統，嵌入log2U個比特副信息所引入的冗余度為：

2 新的副信息盲檢測法

在理想信道估計情況下，第j個用戶的解擴信號為：

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

本文提出一種適用于多個并行數據的PTS副信息盲檢測算法。如圖2所示，接收信號ir首先經過FFT解調到頻域后，分為V組數據子塊，分組結構與發送端PTS完全對應。然后，各數據子塊再分別進行解交織和解擴處理，得到V組數據。每組數據都包含M個并行數據的部分解擴信號：

根據相位因子的不同組合，可以生成U=WV-1個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：

考慮到時延，假設并行數據個數M足夠大，則上述統計期望值可以近似為每個MC-CDMA符合內的數學平均值，即：

圖2 新的盲檢測算法收端系統框圖

下面以第j個用戶為例，給出新的MC-CDMA系統接收端對應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據解擴與PTS相位恢復相結合，使用部分解擴信號，在恢復信號功率最小誤差準則下，直接從備選組中選取最優相位因子，根據最優相位因子得到解擴信號并輸出。該方法利用單個用戶并行數據的統計特性實現相位恢復，其恢復性能隨著并行數據個數的增多而逐步提高。

3 仿真結果

本文采用的MC-CDMA系統的子載波數為N=ML，過采樣因子為J=4，調制方式QPSK；PTS分組數為V=4，可選相位因子數量為W=4，即{1,?1,j,?j}，且第一組數據子塊對應的相位因子固定為1；擴頻碼采用格雷(Golay)互補碼。

上述仿真條件下的峰均比互補累積分布函數(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，該方法直接將調制后副信息放置在預留子載波上與信息數據一起發送。比如，具有U=64個備選信號的PTS方法在Q=4點調制下需占用 ??lo gQU??= 3 個子載波，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PTS-MC-CDMA系統能夠取得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PTS-MC-CDMA進一步取得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，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。

圖3 MC-CDMA系統的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果如圖4所示。圖中，擴頻碼長度為L=16，并行數據M分別為32、64和128，活動用戶數為K=16，仿真僅對第k=8個用戶進行單用戶檢測。可以看出，盲檢測算法的副信息錯誤概率較直接副信息傳輸法要低。比如，當并行數據數為128時，在BER=10?2處，盲檢測算法較傳統算法有2 dB的SNR增益。可以看到，隨著并行數據的增加，盲檢測算法的副信息正確率迅速提高。當并行數據大于64、SNR大于2 dB時，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

結合盲檢測算法的MC-CDMA系統在AWGN信道下的BER性能仿真結果如圖5所示。該圖仿真參數與圖4相同。可以看出，盲檢測算法的副信息錯誤概率隨著并行數據的增多而降低。當并行數據大于64、SNR大于2 dB時，盲檢測算法的接收端BER性能優于傳統的直接傳輸副信息方法。當并行數增加到128時，盲檢測算法接近理想副信息恢復的性能。因此，盲檢測算法非常適合存在大量并行數據的未來寬帶MC-CDMA系統。

圖5 AWGN信道下接收信息數據的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，采用的固態功率放大器(solid state power amplifier，SSPA)的輸入回退為8.5 dB，平滑指數為1.5。可以看到，盲檢測算法的BER性能優于直接副信息傳輸，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，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，盲檢測算法利用擴頻碼本身的抗干擾特性進行副信息恢復，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 論

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

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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

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

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