SC-CFDMA无线传输技术

SC-CFDMA技术是4G LTE 传输体制SC-FDMA的改进，可实现更高速率、更多用户、更可靠的数据传输。本书介绍了LTE中的SC-FDMA技术和设计，改进技术SC-CFDMA的技术原理、系统模型、关键参数，*后介绍了SC-CFDMA技术的应用，包括在UMB、地面移动通信和卫星通信中的应用。本书理论叙述严谨，创新性强，对移动通信、卫星通信等领域的研究有一定学术价值。

丁丹，通信与信息系统博士，一直从事通信专业一线教学和科研工作，主持和参与科研项目多项。

目 录
第1章 移动通信发展 （1）
1.1 地面移动通信发展 （1）
1.1.1 第1代（1G）移动通信 （1）
1.1.2 第2代（2G）移动通信 （2）
1.1.3 第3代（3G）移动通信 （5）
1.1.4 第4代（4G）移动通信 （7）
1.1.5 第5代（5G）移动通信 （9）
1.2 卫星移动通信发展 （16）
1.2.1 卫星移动通信特点 （16）
1.2.2 卫星移动通信技术体制发展 （17）
1.2.3 典型卫星移动通信系统 （23）
第2章 SC-CFDMA传输技术 （29）
2.1 OFDM技术 （29）
2.1.1 技术提出 （29）
2.1.2 技术原理 （30）
2.2 SC-FDMA技术 （33）
2.2.1 技术提出 （33）
2.2.2 技术原理 （33）
2.3 SC-CFDMA技术 （36）
2.3.1 技术提出 （36）
2.3.2 技术特点 （37）
2.4 SC-CFDMA传输模型 （38）
2.4.1 发射端模型 （38）
2.4.2 AWGN信道下接收端模型及误码率分析 （39）
2.4.3 频率选择性信道下接收端模型及误码率分析 （43）
2.5 SC-2DCFDMA技术及其传输模型 （49）
2.5.1 模型建立 （49）
2.5.2 误码率分析 （51）
2.5.3 仿真分析 （52）
2.6 需解决的问题 （55）
2.7 本章小结 （56）
第3章 SC-CFDMA载波同步技术 （57）
3.1 载波同步偏差对SC-CFDMA系统性能影响分析 （57）
3.1.1 理论分析 （57）
3.1.2 仿真分析 （58）
3.2 SC-CFDMA载波同步机制 （59）
3.3 基于改进超矩形分解法的载波频偏及其变化率联合估计 （61）
3.3.1 基于化的LFM信号参数估计概述 （61）
3.3.2 传统方法描述 （63）
3.3.3 传统方法的改进 （64）
3.3.4 L-DIRECT算法分析 （69）
3.3.5 仿真分析 （72）
3.4 本章小结 （76）
第4章 SC-CFDMA符号同步技术 （77）
4.1 符号同步误差对SC-CFDMA系统性能的影响 （77）
4.1.1 理论分析 （78）
4.1.2 仿真分析 （79）
4.2 基于多速率环路的SC-CFDMA符号同步方法 （81）
4.3 符号定时误差估计方法 （83）
4.3.1 估计机制设计 （83）
4.3.2 估计精度提升 （84）
4.3.3 多用户能力提升 （85）
4.3.4 仿真分析 （85）
4.4 符号定时误差闭环调整方法 （89）
4.4.1 多速率控制环路与提升技术 （89）
4.4.2 提升后的累加器状态空间方程 （90）
4.4.3 提升后的环路滤波器状态空间方程 （90）
4.4.4 仿真分析 （91）
4.5 本章小结 （94）
第5章 SC-CFDMA样值同步技术 （96）
5.1 基于改进和声搜索多用户检测的SCO同步方法 （96）
5.2 基于多用户检测的SC-CFDMA系统模型 （96）
5.2.1 发送端模型 （96）
5.2.2 接收端模型 （97）
5.3 SCO影响分析 （97）
5.3.1 系统模型扰动分析 （97）
5.3.2 信号畸变分析 （98）
5.4 SCO补偿方法 （100）
5.4.1 相关度量函数修正 （100）
5.4.2 一种新的检测算法 （101）
5.5 仿真分析 （104）
5.6 本章小结 （106）
第6章 SC-CFDMA应用前景 （107）
6.1 SC-CFDMA应用于移动通信 （107）
6.1.1 5G移动通信标准进展 （107）
6.1.2 SC-CFDMA应用适应性 （107）
6.2 SC-CFDMA应用于卫星通信 （108）
6.2.1 卫星通信需求及存在的问题 （108）
6.2.2 SC-CFDMA应用适应性 （108）
6.3 SC-CFDMA应用于电力线通信 （110）
6.3.1 电力线通信原理 （111）
6.3.2 电力线通信信道特点 （112）
6.3.3 SC-CFDMA应用适应性 （116）
6.4 SC-CFDMA应用于水声通信 （118）
6.4.1 水声通信概述 （118）
6.4.2 水声通信信道特点 （118）
6.4.3 SC-CFDMA应用适应性 （120）
6.5 SC-CFDMA应用于巡航导弹组网通信 （121）
附录A SC-CFDMA系统各节点信噪比变化 （123）
附录B 频率选择性信道下采用ZF均衡的SC-2DCFDMA误码率分析 （124）
附录C AWGN信道下SC-2DCFDMA误码率分析 （126）
附录D AWGN信道下MC-CDMA误码率分析 （127）
附录E SC-2DCFDMA系统中各节点信噪比变化 （128）
参考文献 （129）

前 言
纵观移动通信的发展脉络，其每一次更新换代既是技术的发展，又是用户体验的发展，也是用户需求的发展。1G解决户外移动话音通信，2G增加了低速数据业务，3G进一步提供高速多媒体业务，4G则实现了移动互联网。未来，人们对移动通信的需求将进一步增加，一方面，预计未来10年移动通信数据流量将呈爆发式增长，将达到当前的数百倍甚至更多，而且追求极致的使用体验，要求获得与光纤相似的接入速率、媲美本地操作的实时体验、随时随地的宽带接入能力；另一方面，伴随着移动物联网（Internet of Things，IoT）产业浪潮，车联网、智能家居、移动医疗等将会推动移动互联网和物联网相互融合形成新型“跨界业务”，数以千亿的设备将接入无线网络，形成“万物互联”新局面，实现“信息随心至、万物触手及”的美好愿景，由此催生了5G移动通信。这些发展动因给无线传输技术带来了更新、更高的要求，包括用户数量、数据吞吐量、抗干扰能力、资源分配灵活性、组网能力、实现复杂度等方面。在当前诸多无线传输技术中，OFDM具有较高的传输效率、多用户适应能力以及资源分配灵活性；CDMA则具有较强的多用户和抗干扰能力。因此，将OFDM技术和CDMA技术相结合、综合二者优势，是实现满足日益旺盛的通信需求的一种可行途径。
SC-CFDMA（Single Carrier Code-Frequency Division Multiple Access，单载波码分、频分多址）即SC-FDMA技术与CDMA技术结合的产物，也可视为一种呈现单载波特性的特殊MC-CDMA，具有较低的PAPR。CDMA扩频技术是用更宽的频带换取通信的可靠性和抗干扰能力；SC-FDMA则是通过对各用户数据进行DFT预编码，将普通OFDMA转变为一种时域、宽带调制技术，物理上仍然以多个正交子载波来划分频率资源，但其波形呈现单载波特性，避免了传统OFDMA的高PAPR问题。除了具备低PAPR的特点，SC-CFDMA的扩频处理使得它能够和传统的扩频技术一样有效对抗窄带干扰，且在对抗部分带宽干扰方面比传统扩频方式更为有效。由于结合了正交子载波和扩频码两种多用户复用手段，SC-CFDMA系统对用户数量变化的适应能力较强，这在用户数量和业务需求多变的场合下就显得更有利。传统的扩频技术需要采用RAKE接收技术来对抗多径衰落，实现起来比较复杂；而由于子载波面临平坦衰落、接收端采用频域均衡等原因，正交多载波技术本身就有对抗多径衰落的能力，与扩频技术相结合后比单纯采用RAKE接收的扩频系统性能还要优越，实现也更为简单。在信道资源分配动态性、灵活性方面，CDMA虽然能够通过采用正交可变扩频因子码改变各用户的传输速率，但必须按2的幂次分挡位改变；而在SC-CFDMA体制中，可通过改变用户占用的子载波数量来调整数据速率，这种方式比改变扩频码周期长度更为灵活和方便，不受限于2的幂次。所以，SC-CFDMA通信技术能够满足多用户、大容量、抗干扰、资源分配灵活的需求，适用于军、民用移动通信。
全书共6章，第1章全面总结了地面移动通信以及卫星移动通信的发展，包括发展动因、技术体制以及系统特点；第2章介绍了OFDM和SC-FDMA技术基础知识，在此基础上引出SC-CFDMA技术，分析SC-CFDMA传输模型和传输性能，并提出了SC-2DCFDMA技术；第3～5章分别探讨SC-CFDMA的载波同步、符号同步和样值同步三大技术难题，深入分析了同步偏差对系统性能带来的影响，提出了有效的载波、符号、样值同步方法，仿真验证了相关方法的性能。第6章展望了SC-CFDMA在移动通信、卫星通信、电力线通信、水声通信以及巡航导弹组网通信等方面的应用前景。
本书的写作得益于作者所在团队成员的鼎力相助，全书由丁丹撰写，陈宜文参与了第2、6章部分内容的撰写，柴黎、倪淑燕、姜明勇参与了第1、6章部分内容的撰写，李云涛、赵阳、李兆铭为本书部分仿真实验做出了贡献，廖育荣、程乃平教授审阅全书并提出了宝贵建议。作者团队在国内外重要学术期刊上发表论文30余篇，提交国家、国防发明专利10余项，本书正是在上述研究成果基础上完成，并得到了装备预研、863等多项课题资助。此外，本书在写作过程中参考了有关书籍和文献（见本书列出的参考文献），在此向这些作者一并致谢。
本书脉络清晰、深入浅出，且具有一定创新性，可作为通信与信息类专业高年级本科生及相关专业硕士生、博士生的教学用书或参考书，也可供无线通信领域从事研究与开发的科研人员、工程技术人员参考。
由于作者水平所限，加之时间仓促，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。