中国专利请求书.pdf

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1、（附件材料：专利申请书） 申请发明专利清单： 1 冯莉芳，范平志，唐小虎，郝莉，低干扰多速率多小区准同步码分多址通信系 统扩频序列码组生成方法，申请号：200710145542.8，中国发明专利 , 2007年 8 月 28 日。 说 明 书 摘 要 本发明公开了一种无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法。扩频序列 码组是由Z- 互补序列集与正交序列集生成类广义偶位移正交序列集；通过 Walsh-Hadamard 扩展操作增加序列数目及序列长度；通过消除奇位移相关操作实 现零相关区。当系统最大同步误差和信道最大多径时延扩展在所规定的范围之内 时，可实现无干扰传输。扩频序列码组的参数和系统效

2、率可根据实际因素实时调 整，灵活选取。减小了码分多址通信系统对功率控制和同步的要求，降低了系统 实现复杂性。 摘 要 附 图 码元周期 比特周期 UIjUQ 扩频 QPSK 调制 QPSK 解调相关解扩 原始数据 原始数据 信道 权 利 要 求 书 1 1.一种无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其特征在于包括以下 步骤： 从具有零相关区长度ZCZ的扩频序列码组中选择作为扩频码的扩频码字； 利用所选扩频码字对输入的原始数据进行扩频调制处理，由此生成扩频调制信 号； 其中，所述扩频序列码组由由序列长度为N，互补序列数目为 2，伴数目为 M， 零相关区长度为 Z 的 Z-互补序列集 Z-C

3、S(M,2,N,Z) 与 Walsh-Hadamard二阶正交矩 阵。 2.根据权利要求 1 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其 特征在于所述扩频序列码组按以下步骤生成： （1）首先由序列长度为N，互补序列数目为2，伴数目为 M，零相关区长度 为 Z 的 Z-互补序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 与 Walsh-Hadamard二阶正交矩阵通过迪卡尔 积生成一个类广义偶位移正交序列集； （2）再通过设置不同的Walsh-Hadamard扩展因子 K 进行递归扩展操作，增 加类广义偶位移正交序列集的序列数目； （3）接着对进行了递归扩展操作的类广义偶位移正交序列集执行消除奇位

4、移 相关操作。 3. 根据权利要求 1 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法， 其特征在于：所述类广义偶位移正交序列集在在零时延附近区间内偶位移处的自 相关旁瓣值及互相关值均为零。 4.根据权利 2 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其特征 在于所述步骤（ 1）包括以下步骤： 将一组 Z-互补序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 以矩阵形式排列为S： 11 12 22 12 12 MM SS SS S SS 其中第 i 行第 j 列个元素 S i j表示第 i 个 Z-互补序列集中的第 j 个子序列； 将一个二阶正交序列集以矩阵形式排列为H： 111 222 (1)(

5、2)11 (1)(2)11 hhh H hhh 权 利 要 求 书 2 对上述矩阵 S 和 H 进行迪卡尔积运算，生成包含M 个序列，长度为4N 的类 广义偶位移正交序列集： 111111 1 112211112222 222222 2 112211112222 112211112222 ,(1),(),(1),() ,(1),(),(1),() ,(1),(),(1),() MMMMMM M CSh ShhSh SNh Sh S N CSh Shh ShSNh Sh SN C CSh ShhShSNh Sh SN 其中表示迪卡尔积运算。 5.根据权利 4 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的

6、信号生成方法，其特征 在于所述步骤（ 2）包括以下步骤： 令 GC1=C，根据 Walsh-Hadamard扩展因子 K 进行如下操作： 22 22 22 22 1,1, 1,1, 1, 2, 2,2, 2,2, KK KK KK KK K K K GCGC GCGC GC GC GCGCGC GCGC GCK包含 MK 个长度为 4NK 的序列。 6.根据权利 5 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其特征 在于所述步骤（ 3）包括以下步骤： 对所述 GCK进行以下奇位移相关消除操作： 1 2 ( , )(, )( ) ( , )( , )( ) IK QK Up qGCp q

7、 h Up qGCp q h 其中1,14,mod( ,2)2pMK qNKq。最后组成复数矩阵U ,1 ,11 ,2,2 2 , Q I QI Q MKI MK MK uuu uuu Uj uuu U 是一个 ZCZ-(4NK,MK ,2Z) 序列集，包含 MK 个长度为 4NK 的序列，零相 关区 Zcz= 2Z。 7.根据权利 1 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其特征 在于：所述的扩频序列码组中任一序列的周期及非周期自相关函数在零移位两旁 均有零相关区。 8. 根据权利 1 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其特 征在于：所述扩频序列码组中任一对序列的

8、周期及非周期互相关函数在包括零移 位的零移位两旁均有零相关区。 9.根据权利 1 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其特征 权 利 要 求 书 3 在于：所述的扩频序列码组中任一序列由实数序列和序数序列组成单码形式。 10. 根据权利 1 所述的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法，其特 征在于还包括：在对原始数据进行扩频调制处理后，再进行四相调制QPSK 处理。 说明书 1 无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法 技术领域 本发明涉及一种直接序列扩频无线通信，特别涉及无干扰准同步码分多址通 信系统的信号生成方法。 背景技术 为了减小码分多址通信系统中的干扰，人们提出

9、了同步码分多址通信系统， 采用正交的沃尔什（ Walsh）码作为扩频序列码组。对于移动通信系统，上行链路 的准确同步不太容易保证，无线信道的多径传播使系统同步变得更加困难，而且 由于远近效应的存在，进一步降低了同步码分多址通信系统的性能，使系统容量 受到限制。为了尽量减轻远近效应的影响，在IS-95 等实用系统中，采用了复杂 的功率控制技术。 为了减小系统对同步精度的要求，近年来有人提出准同步或近似同步码分多 址通信系统，使得系统的同步误差控制在一定范围（如一个或几个码片周期）之 内，并在扩频码设计上展开了研究工作。 在理想情况下，码分多址通信系统中使用的扩频序列码组应具有如下相关特 性：每个

10、扩频序列码的自相关函数应该是一个冲激函数，即除零时延外，其值应 处处为零；每对扩频序列码的互相关函数值应该处处为零。 遗憾地是，对于单码（即每个用户分配一个码）设计，在一维情况下，无论 是二元、多元还是复数序列，已经证明具有这种理想相关特性的序列是不存在的。 亦即对给定的序列长度N 与数目 M，最大自相关函数边峰值和最大互相关函数值 不可能同时为零，它们受到一些理论限的限制，要求一个变小时，另一个必然增 大，如 Welch 限，Sidelnikov 限等。 针对这种情况，近年来设计出了具有低/零相关区的序列（该序列在零时延附 近一定范围之内，具有极小或理想的相关函数）。借助于低 /零相关区序列

11、，可以实 现抗多径干扰且性能优越的准同步CDMA 系统。目前已有一些相关的专利，如中 国专利 PCT/CN98/00151 （CN1175828A） ，采用一种具有零相关区的三元扩频序列 组；日本专利 TY99002（11-023252） ，采用一种具有零相关区的二元扩频序列组； 等等。 说明书 2 对于互补码（即每个用户分配一组码）设计，完全互补码具有理想的相关特 性，但其伴的数目不可能超过序列数目，其序列长度受限于2a10b26c（其中 a, b, c 为非负整数）。 针对这种情况，出现了一种广义正交互补码GPC （Generalized pairwise complementary co

12、des with set-wise uniform interference-free windows, IEEE Journal on selected areas in communications, vol 24, no.1, January 2006, pp.65-74） ，由完全互 补序列集与正交序列集通过以下步骤构造而成：（1）由完全互补序列对与二阶正 交矩阵生成广义偶位移正交序列；（2）通过 Walsh-Hadamard 扩展操作增加序列数 目； （3）通过奇位移相关消除操作实现零相关区特性。GPC码具有零相关区特性， 其序列数目可以大于完全互补序列的伴的数目。但由于完全互补序列

13、集伴的数目 不可能大于互补序列集内序列的数目P，因此 GPC码的数目 M KP；完全互补序列 的 长 度 受 限 于 2 a10b26c ， 因 此 GPC码 的 长 度 受 限 于 4K2 a10b26c ， 其 中 K 为 Walsh-Hadamard 扩展因子。 针对完全互补序列集长度受限的情况，近年来设计出了具有零相关区的Z-互 补序列集（该序列集在零时延附近一定范围之内，具有理想的相关函数， Z-complementary binary sequences, IEEE Signal Processing Letters, V olume 14, Issue 6, pp.401-404

14、, June 2007） 。Z-互补序列的长度自由度很大，且其伴的数目可大于 序列数目 。 发明内容 本发明的目的是提供灵活、简单的无干扰准同步码分多址通信系统信号生成 方法，使其结合单码序列的优点（易于实现）和Z-互补序列的优点（长度与伴的 数目受限较少），具有零相关区，从而使码分多址通信系统在一定条件下实现无干 扰传输，减小系统对功率控制和同步的要求，降低系统实现复杂性；并可与QPSK 调制结合使用，在实现无干扰传输的同时提高带宽利用率。 所设计的具有 “ 零相关区 ” 的序列定义如下： 对于具有 M 个长度为 N 的序列的序列集S=S (i), i=1,2, ,M ，按下式定义零 相关区

15、 Zcz： , max( )0, ( ) (0,) czs t ZTRTst Tst 其中， 或 说明书 3 其中 R s,t( )为序列 S (s)与 S (t)在时延 的周期或非周期互相关函数值。根据该定义， 我们称该序列集 S为一个 ZCZ-(N, M, Zcz)序列集。对于零相关区序列集S，在相关 函数原点周围存在着一个区域Zcz, 它们的相关函数在这个区域内达到理想。 本发明的上述方法是这样实现的，一种无干扰准同步码分多址通信系统的信 号生成方法，包括以下步骤： 从具有零相关区长度ZCZ的扩频序列码组中选择作为扩频码的扩频码字； 利用所选扩频码字对输入的原始数据进行扩频调制处理，由此

16、生成扩频调制信 号； 其中，所述扩频序列码组由由序列长度为N，互补序列数目为 2，伴数目为 M， 零相关区长度为 Z 的 Z-互补序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 与 Walsh-Hadamard二阶正交矩 阵。 在本发明的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法中，所述扩频序 列码组按以下步骤生成： （1）首先由序列长度为N，互补序列数目为2，伴数目为 M，零相关区长度 为 Z 的 Z-互补序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 与 Walsh-Hadamard二阶正交矩阵通过迪卡尔 积生成一个类广义偶位移正交序列集； （2）再通过设置不同的Walsh-Hadamard扩展因子 K 进行递归

17、扩展操作，增 加类广义偶位移正交序列集的序列数目； （3）接着对进行了递归扩展操作的类广义偶位移正交序列集执行消除奇位移 相关操作 。 其中，所述类广义偶位移正交序列集在在零时延附近区间内偶位移处的自相 关旁瓣值及互相关值均为零。 上述步骤（ 1）按如下方式实现： 将一组 Z-互补序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 以矩阵形式排列为S： 11 12 22 12 12 MM SS SS S SS 其中第 i 行第 j 列个元素 S i j表示第 i 个 Z-互补序列集中的第 j 个子序列； 将一个二阶正交序列集以矩阵形式排列为H： 说明书 4 111 222 (1)(2)11 (1)(2)11

18、hhh H hhh 对上述矩阵 S 和 H 进行迪卡尔积运算，生成包含M 个序列，长度为4N 的类 广义偶位移正交序列集： 111111 1 112211112222 222222 2 112211112222 112211112222 ,(1),(),(1),() ,(1),(),(1),() ,(1),(),(1),() MMMMMM M C Sh ShhSh SNh Sh S N C Sh Shh ShSNh Sh SN C CSh ShhShSNh Sh SN 其中表示迪卡尔积运算。 上述步骤（ 2）按如下方式实现： 令 GC1=C，根据 Walsh-Hadamard扩展因子 K 进行

19、如下操作： 22 22 22 22 1,1, 1,1, 1, 2, 2,2, 2,2, KK KK KK KK K K K GCGC GCGC GC GC GC GCGC GCGC GCK包含 MK 个长度为 4NK 的序列。 上述步骤（ 3）按如下步骤实现： 对上述 GCK进行以下奇位移相关消除操作： 1 2 ( , )(, )( ) ( , )( , )( ) IK QK Up qGCp q h Up qGCp q h 其中1,14,mod( ,2)2pMK qNKq。最后组成复数矩阵U ,1,1 1 ,2,2 2 , , QI QI Q MK I MKMK uuu uuu Uj uuu

20、U 是一个 ZCZ-(4NK,MK ,2Z) 序列集，包含 MK 个长度为 4NK 的序列，零相 关区 Zcz= 2Z。 在本发明的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法中，所述的扩频 序列码组中任一序列的周期及非周期自相关函数在零移位两旁均有零相关区。 在本发明的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法中，所述扩频序 列码组中任一对序列的周期及非周期互相关函数在包括零移位的零移位两旁均有 说明书 5 零相关区。 在本发明的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法中，所述的扩频 序列码组中任一序列由实数序列和序数序列组成单码形式。 在本发明的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法中

21、，还可以包括 以下步骤：对进行了扩频调制处理后的数据，再进行四相调制QPSK 处理。 本发明具有以下有益效果： 1.系统最大同步误差和信道最大多径时延扩展在所规定的范围之内时，可 实现无干扰传输。 2.扩频序列码组的参数可根据实际因素实时调整，灵活选取。 3.减小了码分多址通信系统对功率控制和同步的要求，降低了系统实现复 杂性。 4.可与 QPSK 调制相结合，在无干扰传输的同时，提高带宽利用率。 下面结合附图对本发明进行详细说明。 附图说明 图 1 是本发明的零相关区序列集作为扩频编码应用于QPSK 调制； 图 2 是本发明的零相关区序列集ZCZ-(20 , 2, 6) 中的两个序列 b1、

22、b2； 图 3是本发明的零相关区序列集的周期自相关函数图（以图 2 中序列 b1为例） ； 图 4 是本发明的零相关区序列集的周期互相关函数图（以图2 中序列 b1与序 列 b2为例） ； 图 5 是本发明的零相关区序列集的非周期自相关函数图（以图2 中序列 b1为 例） ； 图 6 是本发明的零相关区序列集的非周期互相关函数图（以图2 中序列 b1与 序列 b2为例） ； 图 7 是本发明的零相关区序列集ZCZ-(40 , 4, 6) 中的四个序列 a1、a2、a3、a4； 图 8是本发明的零相关区序列集的周期自相关函数图（以图 7 中序列 a1为例） ； 图 9 是本发明的零相关区序列集的

23、周期互相关函数图（以图7 中序列 a1与序 列 a2为例） ； 图 10 是本发明的零相关区序列集的非周期自相关函数图（以图7 中序列 a1 说明书 6 为例） ； 图 11是本发明的零相关区序列集的非周期互相关函数图（以图 7 中序列 a1与 序列 a2为例） 。 具体实施方式 本发明的无干扰准同步码分多址通信系统的信号生成方法包括以下步骤： 从具有零相关区长度ZCZ的扩频序列码组中选择作为扩频码的扩频码字； 利用所选扩频码字对输入的原始数据进行扩频调制处理，由此生成扩频调制信 号； 其中，所述扩频序列码组由由序列长度为N，互补序列数目为 2，伴数目为 M， 零相关区长度为 Z 的 Z-互补

24、序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 与 Walsh-Hadamard二阶正交矩 阵。 下面详细说明本发明的具有零相关区的扩频序列码组的生成，但是本发明不 限于此。 本发明系统中采用的扩频序列码组首先由序列长度为N，互补序列数目为2， 伴数目为 M， 零相关区长度为 Z 的 Z-互补序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 与 Walsh-Hadamard 二阶正交矩阵通过迪卡尔积生成一个类广义偶位移正交序列集，即在零时延附近 区 间 内偶 位 移 处 的 自 相 关旁 瓣 值 及 互 相 关 值均 为 零 ； 再 通 过 设 置 不 同 的 Walsh-Hadamard扩展因子 K 进行递归操作增加

25、类广义偶位移正交序列集的序列数 目及序列长度；最后通过消除奇位移相关操作构造而成。 本发明所提出的扩频序列码组生成步骤如下： 1. 得到一组 Z-互补序列集 Z-CS(M,2,N,Z) 表示为 S，以矩阵形式排列为： 11 12 22 12 12 MM SS SS S SS 其中第 i 行第 j 列个元素 S i j表示第 i 个 Z-互补序列集中的第 j 个子序列。得到 一个二阶正交序列集表示为H，以矩阵形式排列为： 111 222 (1)(2)11 (1)(2)11 hhh H hhh 说明书 7 基于 S 和 H，可生成广义偶位移正交序列集（在零时延附近区域内偶位移处 相关值为零）如下：

26、 111111 1 112211112222 222222 2 112211112222 112211112222 ,(1),(),(1),() ,(1),(),(1),() ,(1),(),(1),() MMMMMM M CSh Shh ShSNh Sh S N CSh Shh Sh SNh Sh SN C CSh Shh Sh SNh Sh SN （1） 其中表示迪卡尔积运算。 C 为广义偶位移正交序列集，包含M 个序列长度为 4N 的序列。 2. 令 GC1=C，根据 Walsh-Hadamard扩展因子 K 进行如下操作： 22 22 22 22 1,1, 1,1, 1, 2, 2,2

27、, 2,2, KK KK KK KK K K K GCGC GCGC GC GC GC GCGC GCGC （2） GCK包含 MK 个长度为 4NK 的序列。从构造上讲 ,公式（2）同时增加了序列 集 C 的行的数目（序列个数）与列的数目(序列长度 )。 3. 对 GCK进行奇位移相关消除操作如下：基于GCK和 H 可生成 1 2 ( , )( , )() ( , )( , )( ) IK QK Up qGCp q h Up qGCp q h （3） 其中 1 14 mod( ,2)2 pMK qNK q 公式（ 3）可写成 ,1 ,2 , ( , ) I I I I MK u u Up q

28、 u ， ,1 ,2 , ( , ) Q Q Q Q MK u u Up q u （4） 根据公式（ 4）可组成复数矩阵U ,1,1 1 ,2 ,22 , QI Q I Q MKI MK MK uuu uuu Uj uuu （5） 说明书 8 由公式（ 5）所得的扩频序列集U 含 MK个长度为4NK 的序列，是一个 ZCZ-(4NK,MK ,2Z) 序列集，零相关区Zcz= 2Z。 例如，选择 Z-互补序列集 11 12 22 12 SS S SS ，其中 1 1 11111S 1 2 11111S 2 1 11111S 2 2 11111S 利用公式（ 1）构造如下序列集B 111111 1

29、 112211112222 222222 2 112211112222 ,(1),(),(1),() ,(1),(),(1),() bSh Shh Sh S Nh Sh SN B b Sh ShhSh SNh Sh SN （6） B 是广义偶位移正交序列集， 令 Walsh-Hadamard扩展因子 K=2， 利用公式 （2） ， 得到如下序列集 11 1,2 11 2 2,2 22 22 BB GCBB GC GCBB BB 利用公式（ 3）构造如下序列集A ,1,1 1 ,2 ,22 ,3,3 3 ,4,4 4 QI Q I QI QI aaa aaa Aj aaa aaa A 是一个 Z

30、CZ-(40,4,6)序列集，有 4 个序列，序列长度为 40，零相关区 Zcz= 6. 下面参照附图对本发明进行说明。 参看图 1，QPSK也称四进制相移键控或正交相移键控，由于 在一个调制码元 中传输两个比特，其带宽效率较高。将互补码成对使用，即分别作为调制码元中 两个比特的扩频码，再通过信道后传递到接收端，作相关运算，恢复各自原始数 据。只要用作扩频的互补序列具有良好的相关特性，在接收端就能恢复出较好的 数据。当各扩频序列间在一定相对位移范围内满足近似同步关系时，采用本发明 说明书 9 所述具有零相关区特性的序列集将获得近乎理想的系统性能。 参看图 2， 基于 Z-互补序列集（2， 2，

31、 5， 3） 和二阶正交序列集，令 Walsh-Hadamard 扩展因子 K=1，利用零相关区序列集构造方法构造出ZCZ-(20 , 2, 6)，可供 2 个用 户使用，要求序列时延小于6。 参看图 3，是图 2 中序列 b1的周期自相关函数图，其周期自相关函数副峰在 一个区域内为零。 参看图 4，是图 2 中序列 b1与序列 b2的周期互相关函数图，其周期互相关函 数在一个区域内为零。 参看图 5，是图 2 中序列 b1的非周期自相关函数图，其非周期自相关函数副 峰在一个区域内为零。 参看图 6，是图 2 中序列 b1与序列 b2的非周期互相关函数图，其非周期互相 关函数在一个区域内为零。

32、 参看图 7， 基于 Z-互补序列集（2， 2， 5， 3） 和二阶正交序列集， Walsh-Hadamard 扩展因子 K=2，利用零相关区序列集构造方法构造出ZCZ-(40 , 4, 6)，可供 4 个用 户使用，要求序列时延小于6。 参看图 8，是图 7 中序列 a1的周期自相关函数图，其周期自相关函数副峰在 一个区域内为零。 参看图 9，是图 7 中序列 a1与序列 a2的周期互相关函数图，其周期互相关函 数在一个区域内为零。 参看图 10，是图 7 中序列 a1的非周期自相关函数图，其非周期自相关函数副 峰在一个区域内为零。 参看图 11，是图 7 中序列 a1与序列 a2的非周期互

33、相关函数图，其非周期互相 关函数在一个区域内为零。 说明书附图 1 图1 1 2 1111111111 1111111111 1111111111 1111111111 b j b j 图2 码元周期 比特周期 UIjUQ 扩频 QPSK 调制 QPSK 解调相关解扩 原始数据 原始数据 信道 说明书附图 2 图3 图4 图5 说明书附图 3 图6 说明书附图 4 1 2 1111111111111111 +111 +1, 1111111111111111 +111 +1 1111111111111111 +1111, 1111111111111111 +1111 +1 +1 +1 +1 +1

34、 +1111111111 a j a 3 11111, 11111111111111111111 11111111111111111111, 11111111111111111111 11111111111111111111, 11111111111 j a 4 111111111 11111111111111111111, 11111111111111111111 11111111111111111111, 11111111111111111111 111111 j a j11111111111111, 11111111111111111111 图7 图 8 说明书附图 5 图 9 图 10 说明书附图 6 图 11