2015年埃及信息学杂志：MIMO-CDMA系统及其调制技术分析

埃及信息学杂志（2015年）16，351开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com全长文章CDMA不同调制技术Arun Kumara，*，Manisha Guptaba印度斋浦尔JECRC大学ECE系，邮编303905b物理系，JECRC大学，Jaipur 303905，印度接收日期：2015年6月8日;接受日期：2015年2015年9月6日在线发布本文设计了一个采用4 × 8天线的MIMO-CDMA系统，该系统结合了MMSE（最小均方误差消除器）对BPSK（二进制相移键控）、QPSK（正交相移键控）、16-QAM、64-QAM和256-QAM（正交幅度调制）调制方案的支持。分析是建立在发射-接收信号的基础上从误码率（BER）的角度分析了16-qam、64-QAM和256-QAM的误码率为零的高阶调制方式。所提出的研究提高了无线链路的质量，并且通过应用MMSE和MIMO（多输入多输出）与OSTBC（正交空时分组码）编码器和组合器的组合来同样地削减符号间干扰（ISI）。©2015制作和主办由Elsevier B.V.代表计算机与信息学院开罗大学。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍CDMA是多址技术，其中多个用户使用相同的信道并彼此通信每个用户都有一个唯一的代码，由于CDMA成为最安全的通信系统之一。在CDMA中，*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： arunlive.com.sikkim@hotmail 。 com （ A.Kumar），manisha. jecrcu.edu.in（M. Gupta）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。传输带宽比原始信号的带宽更大这里，在发射机处的信号被扩展，通过信道调制，并且在接收机处，信号被解扩并且从调制波解调为接收到的原始信号数学上，它显示如下：设X为要发送的原始消息扩展信号X（t）如下给出：YtXtXORBt 2其中B（t）是伪序列发生器，Y（t）发送信号。再次在信道上存在噪声（n）的增加，因此等式（1）（2）成为Yt X tXOR B tn 3http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2015.07.0041110-8665© 2015制作和主办Elsevier B. V.代表开罗大学计算机和信息学院这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。制作和主办：Elsevier关键词MIMO;MMSE;BER;QAM-64;QAM-256352A.库马尔，M。古普塔p在接收机处，信号用B（t）解扩并解调，因此，Zt Y tXOR Bt 4其中Z（t）是接收信号。CDMA可以有效地利用频谱资源，提高通信组织的容量和数据速率，但CDMA的缺点是它需要高的电路功率，有时由于干扰而导致呼叫中断。码间干扰（ISI）是CDMA系统中的一个重要问题。当两个或多个信号彼此如此紧密时，就会导致ISI。在这方面，有不同的均衡器可以消除ISI，但不能完全消除ISI，使用均衡器的缺点之一是它的硬件实现非常复杂[1]。CDMA系统在多径环境中由于信号的衰落而性能急剧下降，这反过来又降低了无线链路的质量。在本文中，我们在发射机处使用了4个天线，在接收机处使用了8个天线，因此接收机将接收8个信号;因此可以从8如果我们可以通过使用高效的DSP算法以相同的频率发送四个不同的信号，则数据速率和容量也可以急剧增加。在所提出的就业，MIMO-CDMA的分析清楚地表明，可以选择最佳的调制方案，同样可以知道MIMO-CDMA系统在不同调制方案下的行为。还计算了不同调制方案的BER。BER可以被定义为传输信号中的误差与总传输比特的比率。BER的发生是由于信号中的噪声、干扰和失真2. 相关工作8 * 8 MIMO系统是通过使用BPSK调制技术设计的，其中重点是修改CDMA移动在衰落环境中的设计，并且还使用有效的矩阵求逆技术修改系统的设计频率[2，3]。MIMO-MC-2 × 3 MIMO-MC-采用这种方法，误码率大大提高，”[10]。作者对CDMA QAM-16在AWGN和Rayleigh信道下的性能进行了设计和分析，得出了CDMA在AWGN信道下的性能优于Rayleigh信道的结论[11]。在不增加接收机复杂度的情况下实现了MIMO-CDMA的改进通过将均衡器与天线相结合来设计联合收发器，实现了多用户干扰 和 多 天 线 干 扰 的 减 少 [13] 。 设 计 了 用 于 8-PSK 、QPSK、QAM- 16、32、64的2 * 4 MIMO CDMA，并且工作表明，与其他调制方案相比，QPSK是具有高增益的最佳调制方案[14]。256-对零误差的QAM CDMA调制器进行了仿真，结果表明，所提出的系统的BER性能与理论QAM BER相当[15]。分析了CDMA MMSE接收机的性能，并且可以利用高阶调制方案来增加预测的用户容量 ， 以 使 MMSE 接 收 机 远 离 干 扰 受 限 区 域 进 行 操 作[16]。对于高阶调制方案，通过使用与速率分配方案组合的强大控制来增加WC-CDMA的峰值速率3. 调制技术调制方式通常可以定义为借助载波发送信息的过程，而现在通信系统的效率和性能取决于调制方式的选择在本节中，我们将介绍BPSK、QPSK和QAM调制技术。3.1. BPSKBPSK是Binary Phase Shift Keying的缩写。当接收到1时，存在180°的相移，并且当接收到0时，存在360°的相移。BPSK的调制信号由以下等式给出：g2Eb=Tb cos 2pfctα从等式（a）我们可以说BPSK被描述为一维数字载波调制方案。解调信号由下式给出：减少，这反过来又增加了系统的吞吐量[5]。分析了MIMO-MC-DS-CDMA系统中采用混沌扩频序列的性能，结果表明混沌扩频序列的引入显著提高了MIMO-MC-spEBdtr2ZTbTb0xt·cosmosxcthdt b与 Walsh Hadamard 扩 频 码 [6] 相 比 ， 空 时 分 组 编 码 和MIMO-CDMA的结合对多天线MC-CDMA系统的性能作者设计了一个采用不同调制技术的CDMA，并得出结论，与BPSK、ASK和FSK相比，QPSK具有更好的性能[9]。 对CDMA的BPSK、QPSK和QAM调制方案进行了预测和比较，发现BPSK是最佳的调制方案在CDMA中，因为与QPSK相比，它给出更少的BER由方程式（b）第一项表示期望的BPSK信号，以及第二项表示噪声的影响3.2. QPSKQPSK代表正交相移键控。QPSK调制信号由下式给出：表1QAM状态和数据速率。S. 没有调制技术国数据速率（Mbps）1QAM-1616242QAM-6464303QAM-25625640CDMA系统的设计、比较研究与分析353图1使用4 * 8天线和STBC码的BPSK模拟图2使用4 * 8天线和STBC码的QPSK模拟354A.库马尔，M。古普塔图3使用4 * 8天线和STBC码对Qam-16进行的拟议模拟图4使用4 * 8天线和STBC码对Qam-64进行的拟议模拟CDMA系统的设计、比较研究与分析355p¼ Zkt 2E=Tbcos 2pfct2s-1p=40其中06tPT;s= 1，2，3，4（星座点）。QPSK通过积分Eq. （c）利用本地振荡器并设置由以下等式给出的某个阈值：不vkt·cosxtdt03.3. QAM在QAM中，生成两个信号，它们彼此异相180°。I和Q信号由下式给出：I¼Acos和Q¼Asin在接收器处，通过使用相干解调器来解调调制信号。接收器将接收到的信号与正弦和余弦项相乘。最后使用LPF图5使用4 * 8天线和STBC码对Qam-256进行的拟议模拟。图6BPSK传输信号。356A.库马尔，M。古普塔其允许低频通过并阻挡高阶频率信号。表1中示出了具有状态和数据速率的不同调制方案。4. 拟议方法在图1A和1B中示出了针对BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM和256-QAM使用4 * 8天线的MIMO CDMA的所提出的模拟框图。1比5。Bernoulli二进制生成器用作生成随机数的输入，随机数的输出被提供给CRC生成器，CRC生成器生成根据所使用的生成多项式的CRC位（这里使用16位多项式）和CRC位将它们附加到输入数据帧。卷积编码器对CRC生成的数据进行编码，其输出被提供给卷积编码器，该卷积编码器包括N移位寄存器，该N移位寄存器将比特从一个移位寄存器移位到另一个移位寄存器，并且其输出通过使用调制器（BPSK、QPSK和QAM）进行I跳频和数字滤波器的组合用于避免与另一设备的干扰，通过在多个频率之间切换载波来发送调制数据，并且通过使用OSTBC编码器来过滤出其输出以3/4编码输出被传输图7QPSK传输信号图816-QAM的传输信号CDMA357的设计、比较研究与分析图964-QAM的传输信号图10256-QAM的传输信号图11BPSK的接收信号358 A.库马尔，M。古普塔图12QPSK接收信号图1316-QAM的接收信号图1464-QAM的接收信号CDMA系统的设计、比较研究与分析359通过使用四个发射机天线，并通过使用八个接收机天线在AWGN信道上接收。AWGN信道和8个接收天线的输出通过使用OSTBC合并器合并，并提供给跳频解跳和数字滤波器，该信号解跳并过滤掉不想要的信号。数字滤波器的输出通过使用卷积解交织器进行解调和解交织，卷积解交织器的输出通过使用维特比解码器进行解码，并且解码信号被提供给CRCN校正子检测器，CRCN校正子检测器检测输入数据帧中的错误。最后，CRC检测器输出被提供给错误检测器和MMSE消除器，其中前者计算BER、发送信号和信号中的错误，并且MMSE消除器通过计算有效的外积和内积来进一步减少符号中的错误。5. MIMO天线MIMO代表多输入和多输出，这意味着通信系统中的发射机和接收机处的多天线。同信道干扰和多径衰落严重影响了通信系统的性能，MIMO技术在消除同信道干扰和衰落的影响方面起着非常重要的作用。从而增加容量、数据速率、无线电链路并且还有效地利用频谱。MIMO系统使用大量的天线阵列，并且通过使用高效的DSP算法，还可以使它们智能化，从而研究本文采用四根发射天线和八根接收天线，实现图15256-QAM的接收信号图16BPSK的MMSE图360A.库马尔，M。古普塔*使用OSTBC代码。在[14]中描述了发送和接收的信号。6. OSTBC码让我们考虑信号Xk={x1，x2，x3，x4，.............xn}，被传输。与传统方法相比，x1信号将在第一时隙发送，x2信号将在第二时隙发送，但是在本文中，x1通信系统的速率[18]。随着发射机和接收机中天线数量的增加，容量也增加，并且与[19，20，21]中研究的SISO，MISO和SIMO相比，MIMO的容量更大。7. 仿真结果7.1. 发射信号*-x1到-x2。每个发射天线与其它天线经历的信道条件无关通过增加天线数量，还可以实现功率效率，并增加容量和数据传输BPSK、QPSK、QAM-16、QAM-64和QAM-256传输信号的频谱如图1A和1B所示。图6-10 中 示 出 了 通 过 使 用伯 努 利 二 进制 生 成 器 生 成 的 第 一数 据 集 。的图17QPSK的MMSE图图1816-QAM的MMSE图CDMA系统的设计、比较研究与分析361--------RWB在3.90 MHz下使用，信号之间的跨度为3.17千兆赫 对于BPSK，如图所示。 6，在0.564 GHz处的最大峰值为3.098 m，在0.740 GHz处为3.331 m，在0.74011 GHz处为3.334 m。信道功率为20.851 dBm，占用带宽为1.8733 GHz，频率误差为58.3493 KHz。 对于QPSK，如图所示。 7，最大峰值在2.642 GHz处为12.435 m，0 GHz和326.484 m，0.740 GHz。信道功率为20.851 dBm，占用带宽为1.824 GHz，频率误差为147.1921 KHz。 对于如图8所示的16-QAM，最大峰值在0 GHz处为31.736 m，在2.642 GHz处为26.610 m，在0.070 GHz处为4.296 m。渠道力量是33.366 dBm，占用带宽为1.6097 GHz ，频率误差为101.5707 KHz。对于所示的64-QAM图 9的最大峰值分别为39.586m（0 GHz）、34.636m（2.642 GHz）和7.463m（0.070 GHz）。信道功率为40.223 dBm，占用带宽为413.2104 MHz，频率误差为15.1533 MHz。对于如图10所示的256-QAM，最大峰值在0 GHz处为46.790 m，在2.642 GHz处为41.530 m，在0.070 GHz处为12.353 m。信道功率为47.117 dBm，占用带宽为64.0060 MHz，频率误差为1.6499 MHz。7.2. 接收信号BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM和QAM- 256接收信号的频谱如图1A和1B所示。 11-15，获得图19QAM-64的MMSE图图20QAM-256的MMSE图362A.库马尔，M。古普塔------------通过解调调制波。这里RWB和跨度为4.8 MHz和3.90MHz。该图显示了三个峰值即当存在极好的覆盖时为最大峰值，当存在良好的覆盖时为中等峰值，并且零峰值对应于差的覆盖。 对于BPSK，如图所示。 11，最大峰值在3.461 GHz处为-100.558m，在0.147 GHz处为-100.550 m，在0.224 GHz处为-100.515 m。渠道力量是带宽为2.0599GHz，频率误差为-1.722MHz。对于如图12所示的QPSK，最大峰值在-2.638GHz处为-83.835，-2.642GHz时为-83.768m，0 GHz时为-52.629 m信道功率为 -9.889dB ， 占 用 带 宽 为 1.988GHz ， 频 率 误 差 为 -2.4997MHz。 对于16-QAM，如图13所示，最大峰值在2.638 GHz，68.470 V在0GHz和67.683 m，3.609千兆赫。信道功率为1.264 dBw，占用带宽为1.9726 GHz，频率误差为1.1350 MHz。对于如图14所示的64-QAM，最大峰值在3.609 GHz处为59.303 m，在0GHz处为60.199 m，在2.630 GHz处为61.632 m。信道功率为9.193 dB，占用带宽为1.9075 Hz，频率误差为1.251MHz。对于如图15所示的256-QAM，最大峰值在3.609GHz处为52.481 m，在0 GHz处为53.387 m，在2.638 GHz处为54.598渠道力量是16.054 dBm，占用带宽为1.9707 GHz，频率误差为-1.3197MHz。图21BPSK的散点图图22QPSK的散点图CDMA系统的设计、比较研究与分析3637.3. MMSE图振幅与时间表示MMSE曲线，其是均方均衡器的输出它平方的输入信号，并产生一个减少的误差，这是有用的，最小化的符号间干扰。BPSK的MMSE值由1.959e+07给出，最大峰值在T=100 ls时为19.586 m，峰间由19.586 m给出，均方根值为4.527 mm。如图16所示，幅度随着上升时间10.997 ls的增加而呈指数增加。QPSK的MMSE值由1.678e+07给出，最大峰值在T =100 ls处为19.630 m，峰-峰由19.630 m给出，均方根值为4.521 m。如图 17，振幅随上升时间11.022 l s的增加而呈指数增加。16- QAM的MMSE值由1.961 e+7 给出，最大峰值在T = 11s处为19.610，峰间由19.610 m给出，均方根值为4.521 m。 如图 18，振幅为随着上升时间11.024L/s的增加而指数地增加64-QAM的MMSE 值 由 1.955e+07 给 出 ， 最 大 峰 值 在 T=11s 处 为19.551m，峰-峰由19.551m给出，均方根值为4.510m。如图19所示，振幅随上升时间11.023l s的增加而呈指数增加。256-QAM的MMSE值由1.961e+07 给 出，最大峰值在T=11s处为19.571 m，峰-峰由19.571 m给出，均方根值为4.514 m。如图20所示，振幅随上升时间的增加而呈指数增加。11.028升7.4. 星座图BPSK、QPSK、16-QAM、64- QAM和256-QAM的星座图如图1A和1B所示。 21比25 输入星座图也被称为物理图，它演示了通信所使用的所有可能的符号。图2316-QAM的散点图图2464-QAM的散点图------364A.库马尔，M。古普塔图25QAM-256的散点图表2CDMA参数和BER。Eb/No（dB）1510203040BPSK误码率0.14150.13140.10720.098840.10260.1024QPSK误码率0.001260.00220.000750.0005040.00050430.000252116-QAM误码率00000064-QAM误码率000000256-QAM误码率000000阳离子系统来传输数据。对于图21所示的BPSK，EVM给出1.294 dB，峰值为1.08 dB，MER为1.294 dB。对于QPSK，如图所示。二十二岁，EVM给出12.051 dB与一峰值值的10.26 dBm ， MER 为 12.052 dB 。 对 于 图 23 所 示 的 16-QAM，EVM给出9.657 dB，峰值为10.764 dBm，MER为9.657 dB。对于所示的64-QAM在图24中，EVM给出18.711 dB，峰值为19.191 dBm，MER为18.711 dB。 对于256-QAM，如图所示。二十五岁，EVM给25.985分贝与一峰值值24.206 dBm，MER为-25.985dB。8. 结论它的结论是，与更高阶的调制方案，有一个有效的利用频谱和数据速率也得到了提高，在高的符号间干扰和 复 杂 的 发 射 机 和 接 收 机 的 成 本 。 针 对 BPSK 、QPSK、QAM-16、64和256调制方案，对采用OSTBC和MSE解调器相结合的4 × 8 MIMO CDMA进行了仿真通过对发射和接收信号频谱、MSE和散点图的分析，得出QPSK性能优于BPSK，但QAM-16、64和256总体上最适合大规模MIMO系统的结论。它也被发现，所提出的工作有效地降低了ISI，也增加了性能相比，传统 的CDMA 系统 ，因 为实现 的BER是低 QPSK ，BPSK和零QAM。这项工作还提供了一个这是因为大型MIMO的实现只能满足下一代网络的需求和期望该调制方案的BER性能如表2所示。引用[1] 放大图片作者：Suman，Rishipal E，Kumar A，Gupta M.综述了高阶调制技术在CDMA、UWB和OFDM收发机中的码间干扰优化问题。Int J Sci Eng Res 2014;5（3）：724-9.[2] Yasodha T. 8 × 8 MIMO系统卷积码译码的VLSI实现。Int JEng Res Appl 2013;3（）：278-82.[3] 贾拉勒·哈马德·阿明。下一代移动通信系统中采用MC-CDMA复用的8 × 8 MIMO系统传输特性。Pensee J2014;76（6）：295-307。[4] [10]杨文，李文，李文.多用户MIMO MC-DS/CDMA系统自适应同信道干扰抑制技术。 Int J Commun Network SystSci 2009;2（）：822-9.[5] Kushwah A，Manglasheril S.基于卷积码的2*3 MIMO-MC-CDMA性能估计Int J ComputTrend Technol 2014;9（1）：21-5.[6] 作者：N.Nagarjuna V，Dananjagan N.采用混沌扩频序列的MIMO MC-DS-CDMA系统性能分析 Int JComput ElectrEng 2010;2（2）：329-33.[7] [10]李文辉，李文辉.空时分组码与MC-CDMA的结合CDMA系统的设计、比较研究与分析365用于具有两个、三个和四个发射机MIMO系统的技术ftp://itp.estal.kuleuvenbe.[8] [10]杨文，杨文，杨文. 多天线MC_CDMA系统在各种信号检测技术实现下对彩色传输图像的性能评估。Int J AdvSci Technol2012;41（1）：71-82.[9] Kumar A，Naznin R. 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