基于导频的MC-DS-CDMA系统载波频偏估计资源-CSDN文库

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2008 年 8 月 Journal on Communications August 2008

第 29 卷第 8 期通信学报 Vo l .29

No.8

基于导频的 MC-DS-CDMA 系统载波频偏估计

刘立程

1,2

，戴宪华

(1. 中山大学信息科学与技术学院，广东广州 510275; 2. 广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006)

摘要：针对多载波直扩码分多址(MC-DS-CDMA)系统上行链路提出一种基于导频的多用户载波频偏估计算法：

利用频偏向量的低通特性设计了一种新的梳状导频传输方案，从而在接收端的各用户的导频子载波上近似获得单

用户信号，利用相位角平均法对该信号前后相邻两项的商的幅角取平均值，得到了效果较好的多载波频偏估计值；

并进一步采用了傅立叶变换法来进行多载波频偏估计，提高了算法的抗干扰性能。仿真实验结果表明：相位角平

均法在用户数较少(<3)和信噪比较高 (>15dB)时的频偏估计误差均值能达到 1%以下；而傅立叶变换法在多用户情

形和较低信噪比(<5dB)下对较大归一化频偏范围(−0.5,0.5)内的频偏估计误差均值仍能保持在 0.1%。提出的算法适

合于在频率选择性衰落的慢变信道中对细频偏进行估计。

关键词：OFDM；载波频偏估计；导频；MC-DS-CDMA

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2008)08-0030-08

Pilot-based carrier frequency offset estimation in

MC-DS-CDMA system

LIU Li-cheng

1,2

, DAI Xian-hua

(1. School of Information Science & Tech., Sun Yat-sen Univ., Guangzhou 510275,China;

2. School of Information Engineering, Guangdong Univ. of Tech., Guangzhou 510006,China)

Abstract: A pilot-based multiple carrier frequency offset (CFO) estimation algorithm was proposed for the uplink of

multicarrier DS-CDMA (MC-DS-CDMA) system. By exploiting the low-pass property of the CFO vector, a novel comb

pilot transmission scheme was designed to approximately acquire the single user signals on the pilot subcarriers at the re-

ceiver end. With the phase-angle averaging method to deal with the phase-angle of the quotient of two neighboring sam-

ple signals on the pilot subcarriers, the good result of the multiple CFO estimation was achieved. Further, the discrete

Fourier transform (DFT) was employed and consequently improved the algorithm’s robustness to the interference. The

simulation results show that with small number of users (<3) and high signal to noise ratio (SNR) (>15dB), the

phase-angle averaging method may obtain the mean of CFO estimation error below 1%; while under the conditions of

multiple users and low SNR(<5dB), the DFT method can still reach the mean of CFO estimation error equal to 0.1% for

the normalized CFO scale (−0.5,0.5). The proposed algorithm is applicable for the fine CFO estimation through the fre-

quency selective fading slow time-vary channels.

Key words: OFDM; carrier frequency offset estimation; pilot; MC-DS-CDMA

收稿日期：2007-03-21；修回日期：2008-07-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目（60772132）；广东省科技计划基金资助项目（207-B010200055）；广东省教育部产学

研基金资助项目（2007A090302116）

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (60772132); The Science & Technology Project of Guang-

dong Province (2007-B010200055); The Industry Research Project of Guangdong Province (2007A090302116)

第 8 期刘立程等：基于导频的 MC-DS-CDMA 系统载波频偏估计 ·31·

1 引言

多载波直扩码分多址(MC-DS-CDMA)系统是

一种在第 4 代移动通信及未来无线通信系统中具有

良好应用前景的候选多载波系统。它兼具 CDMA

系统的很高的频谱效率和正交频分复用(OFDM)系

统的优良的抗符号间干扰的特性。但是，由于多谱

勒频移或收发信机间的载波频率不同步而产生的

载波频率偏移，会造成子载波间信号干扰和用户间

信号干扰，从而极大地降低了 MC-DS-CDMA 系统

的性能

[1,2]

。因此，需要对载波频偏进行估计和补偿。

一般地，单用户的 OFDM 系统存在单载波频偏

问题，而在 MC-DS-CDMA 系统的上行链路中，因

各个用户终端与基站的载波频偏可能存在差异而

导致产生多载波频偏问题。由于基站端接收到的多

用户的叠加信号，会形成对解调信号的用户间干

扰，所以现有的用于估计单用户载波频偏的算法，

无论是盲信号处理类型的算法

[3]

，还是基于导频或

循环前缀信号类型的算法

[4,5]

，都不能够直接用于

MC-DS-CDMA 系统上行链路的多载波频偏估计。

在基于 OFDM 的频分正交频分复用(OFDMA)系统

中，由于所有用户占用不同的子载波来发送各自的

信号，各用户的接收信号可以使用滤波器组来分

离，不同用户的载波频偏就可以在不考虑多用户间

的干扰的情形下来估算，如最大似然法

[6]

等。而

MC-DS-CDMA 系统的所有用户都使用相同的子载

波来独立发送各自的信号，在接收端不可能利用滤

波器组来分离不同用户的信号，所以 OFDMA 的载

波频偏算法不能用于 MC-DS-CDMA 系统。另一种

基于 OFDM 的多载波码分多址(MC-CDMA)系统的

上行链路也存在多载波频偏问题，但由于它采用的

是和 MC-DS-CDMA 系统的时域扩频方式不同的频

域扩频，所以 MC-CDMA 系统的频偏估计算法

[7,8]

也不能应用于 MC-DS-CDMA 系统。到目前为止，

国内外针对 MC-DS-CDMA 系统的多载波频偏估计

算法的文献尚不多见。

本文提出一种基于导频的频偏估计算法来对

MC-DS-CDMA 上行链路多载波频偏进行估计。该

算法首先利用频偏向量的低通特性来设计一种新

的梳状导频传输方案来发送导频信号，使得任一个

用户都可以在系统的接收端的对应导频子载波上

得到主要包含该用户信号成分的接收信号；然后，

通过相位角平均法对导频子载波上的信号进行频

偏估计，得到用户的载波频偏估计值；并且为了增

强算法的抗干扰性，进一步利用离散傅立叶变换对

上述信号在一个扩频周期内的数据样值序列进行

处理，通过搜索该傅立叶变换的幅频响应的最大值

所对应的序列位置来得到效果更好的频偏估计值。

通常一个 OFDM 系统要求载波频偏在信噪比为

30dB 时要接近子载波间隔的 1%。实验仿真表明：

本文提出的算法能够在相同信噪比条件下求得的

载波频偏估计误差的均值可达到略小于 0.1%。

2 MC-DS-CDMA 系统模型和载波频偏的

影响

在 MC-DS-CDMA 系统上行链路中，所有用户

按统一的子载波调制方式独立发送信号，在接收端

（基站端）接收到各个用户的叠加混合信号。下面

以单个用户发送信号为例来简要说明

MC-DS-CDMA 系统发射信号的机制，见图 1。在

图 1 中，用户 n 的经过数字调制（MPSK 或 QAM）

后的复数据符号 a

n,k

首先通过串并变换形成 N

路符

号序列。在所有 N

个子载波上，考虑在一个扩频周

期时间 T 内，各子载波上的发送符号分别与同一个

码片周期为 T

，长度为 N

=T/T

的与用户 n 对应的

扩频序列{c

n,t

}相乘来进行时域扩频，则得到扩频后

的 N

×N

阶信号矩阵。各子载波上的扩频信号按照

通常的 OFDM 调制方式进行后续的发射过程处理

后被发送到信道。

图 1 MC-DS-CDMA 信号发射方式（单用户）

在接收端（基站端），假设不存在收发定时偏

差，在一个扩频周期时间 T 内，将接收到的所有

个用户（设从 0 到 N

−1 编号）的 OFDM 块的循

环前缀都去除掉，则得到时域接收信号矩阵。将接

收到信号进行多载波解调，即对时域接收信号矩阵

做离散傅立叶变换，可得到子载波上的频域接收信

号矩阵为

[]

tN−

= RR R R ，

,0 , , 1

[]

tt tk tN

RRR

−

= R (1)

其中

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