一種基于MCCDMA的測(cè)距算法

李 瑤,汪 濤,劉珞琨,王道岷

摘 要:多載波CDMA技術(shù)在無(wú)線衰落信道中傳輸高速數(shù)據(jù)時(shí)具有突出的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)伴隨著無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,各種基于測(cè)距定位的業(yè)務(wù)也越來(lái)越多的涌現(xiàn)出來(lái)。給出一種快速測(cè)距方法,利用MC-CDMA信號(hào)擴(kuò)頻碼的頻域相關(guān)性,進(jìn)行精確測(cè)距,具有一定的創(chuàng)新性。仿真表明,該算法的抗噪聲性能好,在非常低的信噪比下,具有良好的測(cè)距精度,且能通過(guò)過(guò)采樣進(jìn)一步提高精度,具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:多載波碼分多址;測(cè)距;擴(kuò)頻碼;正交頻分復(fù)用

中圖分類(lèi)號(hào):TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-157-03

Ranging Scheme for MC-CDMA

LI Yao,WANG Tao,LIU Luokun,WANG Daomin

(Information Engineering College,PLA Information Engineering University,Zhengzhou,450002,China)

Abstract: Multi-carrier code division multiple access(MC-CDMA) technology has superior performance when transmitting high rate data in wireless fading channel.Meanwhile,with development of the wireless radio networks,there are more and more services based on ranging and positioning.A fast ranging method is presented.The precise range utilizes the pertinence of CDMA codes in the frequency domain.Computer simulation shows that this method is robust to the noise and has good precision for ranging at very low SNR′s.It can improve the precision with resampling,and has a good prospect of application.

Keywords:MC-CDMA;ranging;spread-spectrum code;OFDM

0 引 言

CDMA(MC-CDMA)[1,2]技術(shù)作為一種擴(kuò)頻技術(shù),避免了在深度衰落時(shí)整個(gè)信號(hào)幾乎完全損失的情況,但是高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí),由于多徑信道的影響,系統(tǒng)性能受到限制。OFDM技術(shù)將高速數(shù)據(jù)流分成多路低速數(shù)據(jù)流并行傳輸,具有很強(qiáng)的抗多徑能力;同時(shí)子載波間相互重疊正交,提高了頻譜利用率。多載波CDMA技術(shù)充分利用了OFDM和CDMA兩種技術(shù)的利弊,取長(zhǎng)補(bǔ)短,以求獲得高容量、高頻譜利用率和高抗干擾的能力,該項(xiàng)技術(shù)引起了無(wú)線通信界的廣泛興趣。

同時(shí)伴隨著無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,各種基于測(cè)距定位的業(yè)務(wù)越來(lái)越多。在基于MC-CDMA信號(hào)的考慮下,研究測(cè)距的關(guān)鍵問(wèn)題,即精確確定信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。

在介紹測(cè)距原理并分析現(xiàn)有算法的基礎(chǔ)上,充分利用MC-CDMA信號(hào)中擴(kuò)頻碼的特性,提出了一種在時(shí)域上能夠快速捕獲,精度高的測(cè)距算法。

1 測(cè)距原理

通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間,再將時(shí)間乘以光速,即可得到信號(hào)的傳播距離,其基本原理如圖1所示。由待測(cè)節(jié)點(diǎn)A向參考節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測(cè)距信號(hào),并同時(shí)記錄下最初發(fā)送的時(shí)間t0。節(jié)點(diǎn)B接收到信號(hào)后,盡管節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間時(shí)間不同步,但節(jié)點(diǎn)B只需標(biāo)記信號(hào)的到達(dá)時(shí)間,由于此時(shí)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間存在傳輸時(shí)延τ,故節(jié)點(diǎn)B記錄下的時(shí)間是t0+τ。然后節(jié)點(diǎn)B對(duì)收到的測(cè)距信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理,處理時(shí)延不大于系統(tǒng)給定的默認(rèn)時(shí)延Δ,然后將處理后的信號(hào)發(fā)回給節(jié)點(diǎn)A。節(jié)點(diǎn)A最終接收到的信號(hào)時(shí)間為t0+τ+τ+Δ,由節(jié)點(diǎn)A的最初發(fā)送時(shí)刻t0、最終接收時(shí)刻t1及固定時(shí)延Δ,可得出傳輸時(shí)延:

τ=(t1-t0-Δ)/2(1)

已知信號(hào)的傳輸速度為光速,只要將光速c乘以傳輸時(shí)延τ,就可得到A與B之間的距離,從而完成整個(gè)測(cè)距過(guò)程。

由測(cè)距原理可以得知,欲獲得高精度的信號(hào)傳輸時(shí)間估計(jì),就必須盡可能精確地檢驗(yàn)到信號(hào)到的達(dá)時(shí)間,反映在無(wú)線電通信系統(tǒng)中即是定時(shí)同步算法。但是現(xiàn)有的算法并不完全滿(mǎn)足實(shí)際需求,有必要研究新的測(cè)距算法,以提高定時(shí)估計(jì)精度。

圖1 節(jié)點(diǎn)間傳輸時(shí)延的測(cè)量原理

2 新的測(cè)距算法

現(xiàn)有的定時(shí)同步算法主要是完全將MC-CDMA信號(hào)看作OFDM信號(hào)進(jìn)行處理的方法,可以將其分為兩類(lèi):基于導(dǎo)頻的同步算法[3]和基于循環(huán)前綴的同步算法[4-6]。這兩類(lèi)算法都已經(jīng)很成熟,兩者各有優(yōu)劣?；趯?dǎo)頻的同步算法,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究,產(chǎn)生了多種構(gòu)造方式,同步精度較高,尤其是在信道條件惡劣時(shí)保護(hù)間隔的數(shù)據(jù)損傷嚴(yán)重的條件下仍有較好的性能;但是相對(duì)于基于循環(huán)前綴的同步算法,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率下降。

在這兩類(lèi)算法中基于導(dǎo)頻的同步算法比較適合成為測(cè)距算法,文獻(xiàn)[3]的算法中構(gòu)造了一種特殊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)頻,但算法判決變量數(shù)值會(huì)出現(xiàn)一段平臺(tái),不利于精確判決。文獻(xiàn)[7,8]又對(duì)導(dǎo)頻的構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn),使得判決變量的數(shù)值會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值,但效果仍然不理想,其需要工作在較高的信噪比之下,精度也不令人滿(mǎn)意。這兩類(lèi)算法都是只考慮信號(hào)的OFDM特性,而忽略了MC-CDMA信號(hào)中的擴(kuò)頻碼特性?；谝陨涎芯?在文獻(xiàn)[9,10]的啟發(fā)下,提出一種利用IFFT之后的PN序列作為導(dǎo)頻的測(cè)距算法。

以一段長(zhǎng)度為Nμ的PN序列S(n)作為導(dǎo)頻,用于測(cè)距實(shí)現(xiàn);設(shè)接收信號(hào)序列為R(k),R(k)為S(n)的IFFT:

R(k)=1Nμ∑Nμ-1n=0S(n)ei2πknNμ(2)

c(n)為擴(kuò)頻序列,c(n)的Nμ點(diǎn)IFFT為:

C(k)=1Nμ∑Nμ-1n=0c(n)ei2πknNμ(3)

設(shè)x(n)=S(l+n)c(n),0≤n≤Nμ-1,l為接收信號(hào)相對(duì)于本地信號(hào)的時(shí)延,則相關(guān)值可以表示為:

P(l)=∑Nμ-1n=0x(n)=∑Nμ-1n=0S(l+n)c(n)(4)

對(duì)于一般的CDMA系統(tǒng),在碼捕獲時(shí)利用擴(kuò)頻序列良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性,將接收序列與本地序列做相關(guān)運(yùn)算得到相關(guān)峰作為判決標(biāo)準(zhǔn)。在MC-CDMA系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)直接采用擴(kuò)頻碼序列的IFFT作為導(dǎo)頻,由此聯(lián)想到可利用擴(kuò)頻碼的相關(guān)性進(jìn)行幀捕獲,以實(shí)現(xiàn)測(cè)距。設(shè)X(k)為接收序列R(k)與本地序列C(k)的循環(huán)卷積:

X(m)=R(k)狢(k)(5)

式中:表示循環(huán)卷積。由時(shí)域與頻域的關(guān)系可知,X(m)蹻FTIFFTx(n),0≤m≤Nμ-1,0≤n≤Nμ-1,即:

X(m)=∑Nμ-1n=0c(n)S(n)ei2πmnNμ ,0≤m≤Nμ-1(6)

在式(6)中,令m=0,得到相關(guān)值X(0),見(jiàn)式(7)。

X(0)=∑Nμ-1n=0S(n)c(n)(7)

根據(jù)以上推導(dǎo),幀定時(shí)捕獲算法可以描述為:將接收序列R(k)與本地序列C(k)做長(zhǎng)度為Nμ卷積運(yùn)算,在這里只計(jì)算第一項(xiàng)X(0),X(0)即為發(fā)送擴(kuò)頻碼與接收機(jī)本地?cái)U(kuò)頻碼的相關(guān)值x(n),將X(0)與門(mén)限比較,當(dāng)接收序列和擴(kuò)頻序列的相位對(duì)齊,則得到相關(guān)峰。實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)現(xiàn)流程

利用此原理,可在對(duì)接收信號(hào)做FFT之前,最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)捕獲,獲得信號(hào)傳輸時(shí)間,得到測(cè)距估計(jì)?？紤]到擴(kuò)頻處理增益,該捕獲算法可在低信噪比下,保持良好的捕獲性能。但是即使精確地捕獲測(cè)距信號(hào),測(cè)距誤差也只能控制在采樣間隔以?xún)?nèi)。往往一個(gè)采樣間隔以?xún)?nèi)的誤差仍然是不能接受的,比如碼片速率60 MHz,那么由這部分產(chǎn)生的測(cè)距偏差為3×1082×60×106=2.5 m。要進(jìn)一步提高測(cè)距精度,還可以考慮增加對(duì)接收信號(hào)的采樣率。相應(yīng)地,如果增加了接收信號(hào)的采樣率,那么必然會(huì)增加精確捕獲所需要的信噪比,但在精確捕獲測(cè)距信號(hào)之后就可以把誤差控制在更窄的間隔之內(nèi)。

3 仿真驗(yàn)證

通過(guò)仿真驗(yàn)證該算法的實(shí)用性。MC-CDMA信號(hào)是周期為1 024的偽隨機(jī)碼,循環(huán)前綴長(zhǎng)度為256,信噪比為-15 dB。仿真結(jié)果如圖3所示?？梢?jiàn),在-15 dB的信噪比下的算法相關(guān)值曲線在257位置有良好的峰值,可以進(jìn)行精確的捕獲。

仿真觀察該算法在不同信噪比下的性能,以及采樣率增加之后的精度變化。仿真采用周期為1 024的偽隨機(jī)碼,碼片速率為60 MHz,接收端采樣率為60 MHz,并分別進(jìn)行2倍、3倍和4倍的過(guò)采樣。首先考察算法的捕獲性能。由圖4可以看出,單倍采樣時(shí),信噪比在-15 dB左右,算法即可實(shí)現(xiàn)精確捕獲。同時(shí),從圖4中可以看出,隨著采樣率的增加,信號(hào)的精確捕獲概率確實(shí)有一定的下降。即使是4倍過(guò)采樣,在信噪比為-11 dB左右仍然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)距信號(hào)的精確捕獲。再考察采樣率提高后測(cè)距精度的改善。

圖3 -15 dB下的相關(guān)值輸出

圖4 考察捕獲概率

由圖5可以看出,在信噪比過(guò)低的情況下,不同的采樣率對(duì)應(yīng)的測(cè)距精度偏差并不是很大。但在可以精確捕獲信號(hào)之后,高采樣率可以明顯地提高測(cè)距精度。

圖5 考察測(cè)距誤差

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,各種無(wú)線電通信系統(tǒng),都需要開(kāi)發(fā)自身平臺(tái)之上的測(cè)距定位功能。MC-CDMA系統(tǒng)因其優(yōu)良的性能,廣泛引起了業(yè)界的關(guān)注。研究基于MC-CDMA的測(cè)距算法有著很大的實(shí)際意義。這里提出的測(cè)距算法,充分利用了MC-CDMA信號(hào)的擴(kuò)頻碼特性,實(shí)現(xiàn)了快速的幀定時(shí)捕獲。算法可以工作在很低的信噪比之下,所獲精度比較滿(mǎn)意,且可以進(jìn)一步提高。通過(guò)仿真,驗(yàn)證了該算法的實(shí)用性,以及進(jìn)一步提高測(cè)距精度的可能性。

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