基于Simulink的GO-MC-CDMA系统仿真

王 超，曾玖贞，王 彦

（南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

群正交多载波码分多址[1]是对多载波码分多址技术的一个改进。MC-CDMA是基于扩频技术的一种多载波通信方案，其要求扩频序列严格正交。由于理论上已证明不存在严格正交的扩频序列，所以该系统必然会存在多用户间干扰（MUI）。众所周知，多用户检测是解决MUI的有效技术手段，但其复杂度会随着总用户数目的增长而成指数增长，因此较难实现[2-3]。由此可见，解决MC-CDMA系统中MUI的关键在于如何减少系统子载波总数，GO-MC-CDMA技术为解决该关键问题提出了可行方案，其对MC-CDMA系统做如下改进：将正交载波分成若干组，而且将用户分配到各小组，小组内的用户对本组内的载波进行调制。如此一来，每个小组都是一个独立的MC-CDMA系统，通过合理分配组数和组大小，可以有效降低组内多用户检测算法的复杂度。

当前，学者们对GO-MC-CDMA系统的研究更多的是处于理论研究阶段，如何使其用于实践仍是一研究热点[4-5]。采用Simulink[6]对GO-MC-CDMA基带处理系统进行建模仿真与分析，旨在为 GOMC-CDMA技术的深入研究和实践应用提供一种便利且有效的新途径。

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统收发框图，模型主要由源数据发生模型、信道编解码模型、数字调制模型，以及多径信道等模型构成。

1.1 源数据产生模型

GO-MC-CDMA仿真模型内的源数据产生模型使用了Simulink专用资源数据库内的伯努利信号发生器。该发生器主要用于生成随机二进制数据，其二进制数据长度和 0/1出现概率均可调。由于MC-CDMA系统需要并行处理数据，该模型中的伯努利信号发生器应配置成并行输出帧模式，这里可通过选中帧结构输出参数设置选项来实现。帧长度可在每帧符号长度选项栏设置。

1.2 信道编、解码模型

Simulink通信专用模块的错误检测及纠正子库中提供了各种常用信道编码与解码模型，仿真中的信道编码方式采用生成矩阵为[1 0 1 1]的RS编码模型，这样的RS码可纠正2个错误比特。

1.3 数字调制和解调模型

Simulink通信专用模块的错误检测及纠正子库中提供了各种常用数字调制与解调模块。GO-MCCDMA基带处理系统仿真模型中采用的是QPSK四相相移键控。

1.4 正交频分复用模型

GO-MC-CDMA调制的一个重要过程便是正交频分复用（OFDM），其建模过程详细介绍如下：如图1所示，正交频分复用模型包括补零操作、导入train序列、逆傅里叶变换，以及导入CP等子模型。

图1 OFDM调制模型

OFDM 调制模型涉及 2处补零操作：①QPSK数字调制后的 30路复数数据由端口 2输入到模型中，采用多路选择器和矩阵连接模型在30路数据中补零，该处补零操作的目的是滤除直流分量；②在傅里叶逆变换前补零，以进行时域过采样。经过补零操作的数据送至傅里叶逆变换进行OFDM调制，调制后插入循环前缀对抗多径时延。该部分模型直接使用了传输子库的基2IFFT模块和信号路由子库的选择模块。

正交频分复用的解调操作是其调制的逆过程。另外，为了实现解调模型的信道估计和信道均衡操作，需为其添加分离train序列和信息序列子模块。解调模型使用了信号路由子库内的选择和信号管理子库内的多路选择模块。

2 基于Simulink的GO-MC-CDMA仿真

2.1 信道编码对GO-MC-CDMA性能的影响

利用Simulink仿真模型比较采用不同信道编码方式时GO-MC-CDMA基带处理系统的性能，得出信道编码方式如何影响GO-MC-CDMA系统性能的结论。仿真参数为：QPSK数字调制、64个子载波、CP长度26 bit、训练序列长度31 bit、信道采用二径瑞利衰落信道、噪声类型为高斯白噪声、多普勒频移为200 Hz。信道编码方式分别采用循环码、里所码和汉明码。

图2比较了分别采用循环码、里所码和汉明码的GO-MC-CDMA系统的性能。从其接收信号QPSK解调星座点分布图可看出：采用里所编码的GO-MC-CDMA性能最优；采用汉明编码时的GO-MC-CDMA系统性能次之；采用循环编码时的GO-MC-CDMA系统性能最差。

图2 不同信道编码情况下的系统信号星座图

该部分仿真获得的采用3种不同信道编码方式时GO-MC-CDMA系统误比特率分别是0.01%、0%和0.005%。分析三种不同信道编码方式下的信号星座分布图和系统误比特率性能可知：采用里所信道编码的GO-MC-CDMA系统性能最优、采用循环编码的GO-MC-CDMA系统性能最差。

2.2 数字调制对GO-MC-CDMA性能的影响

利用Simulink仿真模型比较采用不同数字调制方式时GO-MC-CDMA基带处理系统的性能，得出数字调制方式如何影响GO-MC-CDMA系统性能的结论。仿真参数与 2.1小节相同，数字调制方式分别采用4PAM 、QPSK、以及16QAM。

图3比较了分别采用4PAM 、QPSK、16QAM数字调制方式的GO-MC-CDMA系统性能。从其接收信号解调星座点分布图可看出：GO-MC-CDMA系统采用上述3种数字调制方式时均表现出较好的星座图分布情况，其主要原因在于：GO-MC-CDMA仿真模型中使用了LS信道估计与均衡技术[7-8]。

图3 不同数字调制的信号星座图

通过数值仿真分析得：采用 16QAM 调制方式时，GO-MC-CDMA系统的BER高达75%。导致该现象的原因在于：仿真模型载波总数为64，但模型采用的 16QAM 是一种高速率调制方式，相对较高的信息传输速率引起了频率选择性衰落，进而引发信号失真，致使系统 BER过高。由此可见：GO-MC-CDMA采用何种数字调制方式才能使系统性能最佳取决于系统载波总数。若系统载波总数较小，则不宜采用高速率调制方式，应采用4PAM这类低传输速率的调制方式，以保证理想的系统误码率；若系统载波总数较大，可以采用16QAM、32PSK这类高速率调制方式，且不会引起频率选择性衰落。

2.3 循环前缀对GO-MC-CDMA系统的影响

利用Simulink仿真模型比较采用不同长度的循环前缀（CP）时GO-MC-CDMA基带处理系统的性能，得出循环前缀如何影响GO-MC-CDMA系统性能的结论。仿真参数与2.1小节相同，CP长度分别为 13 bit和 26 bit。

图4 CP13时接收信号功率谱密度曲线

图5 CP13时的星座图

通过对不同长度的循环前缀的仿真分析可知：在GO-MC-CDMA系统中采用合适的循环前缀能增强其抵抗多径干扰的能力，能够优化系统性能，采用的循环前缀长度应不小于信道最大多径时延。

3 结语

采用Simulink仿真工具对GO-MC-CDMA基带处理系统进行了建模分析。构建的仿真模型包括GO-MC-CDMA系统各个基本模块、基于train序列的LS信道估计和均衡模块、以及性能分析模块。通过对模型的仿真，研究了不同信道编码、数字调制，以及循环前缀长度对GO-MC-CDMA系统各方面性能的影响。为深入研究GO-MC-CDMA技术提供了一种有效方法。

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