基于Simulink的GO-MC-CDMA系統仿真

王 超，曾玖貞，王 彥

（南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

群正交多載波碼分多址[1]是對多載波碼分多址技術的一個改進。MC-CDMA是基于擴頻技術的一種多載波通信方案，其要求擴頻序列嚴格正交。由于理論上已證明不存在嚴格正交的擴頻序列，所以該系統必然會存在多用戶間干擾（MUI）。眾所周知，多用戶檢測是解決MUI的有效技術手段，但其復雜度會隨著總用戶數目的增長而成指數增長，因此較難實現[2-3]。由此可見，解決MC-CDMA系統中MUI的關鍵在于如何減少系統子載波總數，GO-MC-CDMA技術為解決該關鍵問題提出了可行方案，其對MC-CDMA系統做如下改進：將正交載波分成若干組，而且將用戶分配到各小組，小組內的用戶對本組內的載波進行調制。如此一來，每個小組都是一個獨立的MC-CDMA系統，通過合理分配組數和組大小，可以有效降低組內多用戶檢測算法的復雜度。

當前，學者們對GO-MC-CDMA系統的研究更多的是處于理論研究階段，如何使其用于實踐仍是一研究熱點[4-5]。采用Simulink[6]對GO-MC-CDMA基帶處理系統進行建模仿真與分析，旨在為 GOMC-CDMA技術的深入研究和實踐應用提供一種便利且有效的新途徑。

1 基于Simulink的GO-MC-CDMA建模

建立GO-MC-CDMA的Simulink仿真模型主要基于其系統收發框圖，模型主要由源數據發生模型、信道編解碼模型、數字調制模型，以及多徑信道等模型構成。

1.1 源數據產生模型

GO-MC-CDMA仿真模型內的源數據產生模型使用了Simulink專用資源數據庫內的伯努利信號發生器。該發生器主要用于生成隨機二進制數據，其二進制數據長度和 0/1出現概率均可調。由于MC-CDMA系統需要并行處理數據，該模型中的伯努利信號發生器應配置成并行輸出幀模式，這里可通過選中幀結構輸出參數設置選項來實現。幀長度可在每幀符號長度選項欄設置。

1.2 信道編、解碼模型

Simulink通信專用模塊的錯誤檢測及糾正子庫中提供了各種常用信道編碼與解碼模型，仿真中的信道編碼方式采用生成矩陣為[1 0 1 1]的RS編碼模型，這樣的RS碼可糾正2個錯誤比特。

1.3 數字調制和解調模型

Simulink通信專用模塊的錯誤檢測及糾正子庫中提供了各種常用數字調制與解調模塊。GO-MCCDMA基帶處理系統仿真模型中采用的是QPSK四相相移鍵控。

1.4 正交頻分復用模型

GO-MC-CDMA調制的一個重要過程便是正交頻分復用（OFDM），其建模過程詳細介紹如下：如圖1所示，正交頻分復用模型包括補零操作、導入train序列、逆傅里葉變換，以及導入CP等子模型。

圖1 OFDM調制模型

OFDM 調制模型涉及 2處補零操作：①QPSK數字調制后的 30路復數數據由端口 2輸入到模型中，采用多路選擇器和矩陣連接模型在30路數據中補零，該處補零操作的目的是濾除直流分量；②在傅里葉逆變換前補零，以進行時域過采樣。經過補零操作的數據送至傅里葉逆變換進行OFDM調制，調制后插入循環前綴對抗多徑時延。該部分模型直接使用了傳輸子庫的基2IFFT模塊和信號路由子庫的選擇模塊。

正交頻分復用的解調操作是其調制的逆過程。另外，為了實現解調模型的信道估計和信道均衡操作，需為其添加分離train序列和信息序列子模塊。解調模型使用了信號路由子庫內的選擇和信號管理子庫內的多路選擇模塊。

2 基于Simulink的GO-MC-CDMA仿真

2.1 信道編碼對GO-MC-CDMA性能的影響

利用Simulink仿真模型比較采用不同信道編碼方式時GO-MC-CDMA基帶處理系統的性能，得出信道編碼方式如何影響GO-MC-CDMA系統性能的結論。仿真參數為：QPSK數字調制、64個子載波、CP長度26 bit、訓練序列長度31 bit、信道采用二徑瑞利衰落信道、噪聲類型為高斯白噪聲、多普勒頻移為200 Hz。信道編碼方式分別采用循環碼、里所碼和漢明碼。

圖2比較了分別采用循環碼、里所碼和漢明碼的GO-MC-CDMA系統的性能。從其接收信號QPSK解調星座點分布圖可看出：采用里所編碼的GO-MC-CDMA性能最優；采用漢明編碼時的GO-MC-CDMA系統性能次之；采用循環編碼時的GO-MC-CDMA系統性能最差。

圖2 不同信道編碼情況下的系統信號星座圖

該部分仿真獲得的采用3種不同信道編碼方式時GO-MC-CDMA系統誤比特率分別是0.01%、0%和0.005%。分析三種不同信道編碼方式下的信號星座分布圖和系統誤比特率性能可知：采用里所信道編碼的GO-MC-CDMA系統性能最優、采用循環編碼的GO-MC-CDMA系統性能最差。

2.2 數字調制對GO-MC-CDMA性能的影響

利用Simulink仿真模型比較采用不同數字調制方式時GO-MC-CDMA基帶處理系統的性能，得出數字調制方式如何影響GO-MC-CDMA系統性能的結論。仿真參數與 2.1小節相同，數字調制方式分別采用4PAM 、QPSK、以及16QAM。

圖3比較了分別采用4PAM 、QPSK、16QAM數字調制方式的GO-MC-CDMA系統性能。從其接收信號解調星座點分布圖可看出：GO-MC-CDMA系統采用上述3種數字調制方式時均表現出較好的星座圖分布情況，其主要原因在于：GO-MC-CDMA仿真模型中使用了LS信道估計與均衡技術[7-8]。

圖3 不同數字調制的信號星座圖

通過數值仿真分析得：采用 16QAM 調制方式時，GO-MC-CDMA系統的BER高達75%。導致該現象的原因在于：仿真模型載波總數為64，但模型采用的 16QAM 是一種高速率調制方式，相對較高的信息傳輸速率引起了頻率選擇性衰落，進而引發信號失真，致使系統 BER過高。由此可見：GO-MC-CDMA采用何種數字調制方式才能使系統性能最佳取決于系統載波總數。若系統載波總數較小，則不宜采用高速率調制方式，應采用4PAM這類低傳輸速率的調制方式，以保證理想的系統誤碼率；若系統載波總數較大，可以采用16QAM、32PSK這類高速率調制方式，且不會引起頻率選擇性衰落。

2.3 循環前綴對GO-MC-CDMA系統的影響

利用Simulink仿真模型比較采用不同長度的循環前綴（CP）時GO-MC-CDMA基帶處理系統的性能，得出循環前綴如何影響GO-MC-CDMA系統性能的結論。仿真參數與2.1小節相同，CP長度分別為 13 bit和 26 bit。

圖4 CP13時接收信號功率譜密度曲線

圖5 CP13時的星座圖

通過對不同長度的循環前綴的仿真分析可知：在GO-MC-CDMA系統中采用合適的循環前綴能增強其抵抗多徑干擾的能力，能夠優化系統性能，采用的循環前綴長度應不小于信道最大多徑時延。

3 結語

采用Simulink仿真工具對GO-MC-CDMA基帶處理系統進行了建模分析。構建的仿真模型包括GO-MC-CDMA系統各個基本模塊、基于train序列的LS信道估計和均衡模塊、以及性能分析模塊。通過對模型的仿真，研究了不同信道編碼、數字調制，以及循環前綴長度對GO-MC-CDMA系統各方面性能的影響。為深入研究GO-MC-CDMA技術提供了一種有效方法。

[1] CAI Xiaodong, ZHOU Shengli, GEORGIOS B G. Grouporthogonal Multi-carrier CDMA[J]. IEEE Trans.Commun, 2004,2(01):90-99.

[2] WANG Ping, Tho Le-Ngoc. An Efficient Multi-user Detection Scheme for Overloaded Group-orthogonal Multi-carrier CDMA[C]. USA: IEEE,2007:280-284.

[3] 何春龍,郝莉. 一種改進的基于導頻的OFDM信道估計算法[J]. 通信技術,2009,42(07):57-59.

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[5] 陳妍. MC-CDMA技術研究及其展望[J].通信技術,2006(s1):108-110.

[6] 邵玉斌. Matlab/Simulink通信系統建模與仿真實例分析[M]. 北京:清華大學出版社, 2008.

[7] 曾玖貞, 黃洪全. OFDM系統導頻信道估計算法的性能研究[J]. 通信技術, 2010, 43(10): 54-56.

[8] 黃仁亮. OFDM系統原理及仿真實現[J]. 信息安全與通信保密, 2009(08): 111-113.