1、第七章,无线通信多址技术,主要内容,第一节 概述 第二节 频分多址技术 第三节 时分多址技术 第四节 扩频多址技术 第五节 空分多址技术 第六节 分组无线电,第一节 概述,1定义：无论是大区制还是小区制移动通信系统，一般都要求基站要能够为多个移动台的接入提供服务，即系统应能够在给定的频谱资源下同时允许多个移动台进行通信，解决这个问题的技术称为多址技术。 2研究目的：解决如何让更多的用户能够共享给定的有限频谱资源的问题。 3基本思想：合理地分配给定的频谱资源，从而获得最大的系统容量（或提高频谱的利用率），即在一定的频谱资源的条件下，使得系统能够容纳的用户数最多。,第一节 概述,4双工方式：在无线
2、通信中，实现双工通信最常用的方法有两种，即频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。 （1）频分双工：用户的接收和发送在不同的频道上进行，收发信机应工作在不同的频率上。为了有效地避免收发信机接收和发送之间的相互影响和干扰，一般要求每个收发信机发送和接收频道之间的隔离度要在100dB以上。因此，收发信机的频道之间必须保留足够的频率间隔，以简化射频设备的复杂性。,第一节 概述,（2）时分双工：是利用不同的时间区间来区分发送和接收信道。在该情况下，收发信机一般是工作在相同的频道上的，但它们工作的时间是不同的。每个用户的收发信机是在相同的频率下交替地工作的。同样，为了使得发送和接收互不影响，接收和发送的
3、时间应互不重叠，并应保留一定的时间间隔。,第一节 概述,5频道和信道的概念 频道：指的是一定的频率范围。它与采用的多址方式是无关的。 信道：是指传输一路信息所需要的通道。在不同的多址和双工方式下，信道相对于频率的实际含义有所不同。这两个概念既有联系，也有区别。,第一节 概述,6多址方式的基本类型：频分多址(FDMA)、 时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)是三种最主要的多址方式。这三种工作方式既可单独使用，也可混合使用，而且在无线通信网中通常混合使用。此外还有两种重要的多址方式，它们分别是空分多址（SDMA）和随机接入多址（RAMA） 。实现空分多址技术的典型应用是自适应（智能）天线技术
4、。随机接入多址方式一般主要以分组方式传输各种数据业务，因此常称为分组无线电，它在一定程度上可理解为统计时分多址方式。,第二节 频分多址技术,一、原理：频分多址技术是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道，每个频道在一次通信过程中，只能提供给一对用户使用的一种多址方式。,多数系统都采用FDD,第二节 频分多址技术,二、频道的组成：频道的实际宽度应大于一路信息的调制宽度，同时，发射机的输出应具有良好的射频滤波器，以尽可能地减小相临频道的干扰。,FDMA系统中同时支持的信道数：,第二节 频分多址技术,三、主要特点： 在采用频分双工的FDMA系统中，为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间
5、隔必须大于一定的数值。例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。 在采用频分双工的FDMA系统中，由于每个信道中的信息是一种不间断的发送模式，因此需要较少的比特来满足系统的开销（如位同步和帧同步）。 由于FDMA系统每频道（信道）的传输速率较低, 这就意味着符号间的干扰相对较小，因此，在FDMA系统中一般不需要进行均衡处理。 在采用FDD工作方式时，对于移动台，由于接收和发送是同时进行的，因此采用双工器是必要的。,FDMA模拟蜂窝系统一览表,四、FDMA的系统容量 对于蜂窝通信系统而言，由于采用频率再用技术，其通信容量一般用每个小区的可用信道数进行度量即每小区允许同时工作的用户数
6、。 不同区群之间的频率再用共道干扰 BS受临近共道小区中MS的干扰 MS受临近共道小区中BS的干扰,第二节 频分多址技术,第二节 频分多址技术,N=4的区群 每小区相距最近共道小区有6个,第二节 频分多址技术,MS的信干比设路径损耗指数相同为n，所有干扰小区与MS有近似相同距离D，且MS位于小区边缘D0=R（最坏情况），则：,D0:服务BS-MS的距离 Dk:MS-第k个小区的距离 nk:第k个干扰BS的路径损耗指数,给定的带宽为Bt，每个频道的宽度为：Bc 则每小区的频道数为（蜂窝系统的无线容量）：对不同标准的蜂窝系统进行比较时,第二节 频分多址技术,第三节 时分多址技术,一、原理：时分多址
7、是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙在时间上都是互不重叠的)。在这种多址方式下，不同帧中的相同序号的时隙组成一个个的信道。,第三节 时分多址技术,不同的通信系统所采用的帧长度和帧结构是不一样的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。 例如：GSM系统的帧长为4.6 ms(每帧8个时隙)，DECT系统的帧长为10 ms(每帧24个时隙)，PACS系统的帧长为2.5 ms(每帧8个时隙)。下面以GSM系统为例详细说明帧结构。,第三节 时分多址技术,图中每一个TDMA帧分 07 共 8 个时隙， 帧长度为 120/264.615 ms。 每个时隙含 156.25 个码元， 占
8、 15/260.577 ms。 复帧结构有两种： 一种是由 26 帧组成的复帧， 这种复帧长 120 ms， 主要用于业务信息的传输； 另一种是由 51 帧组成的复帧， 这种复帧长 235.385 ms， 专用于传输控制信息。,第三节 时分多址技术,二、帧的形式：同样，时分多址也有两种工作方式。在频分双工(FDD)方式中，每个双工信道的接收和发送是工作在不同的频率上的。上行链路和下行链路的帧结构既可以相同，也可以不同。而在时分双工(TDD)方式中，每个双工信道的接受和发送都在相同的频率上工作。根据收发时隙的不同组合，TDD方式共有两种形式。,使用较多,第三节 时分多址技术,三、时隙的组成：在T
9、DMA系统中，每帧中的时隙结构(或称为突发结构)的设计通常要考虑四个主要问题： 1）控制和信令信息的传输； 2）信道多径的影响； 3）不同移动台由于与基站之间的距离不同而导致的不同的传输时延； 4）系统的同步。,第三节 时分多址技术,四、主要特点： TDMA使得多个用户可以共享一个载波，但这些用户应在不同地时隙工作。 每一帧的时隙数取决于几个因素，如调制方式、有效带宽和每路信号的传输速率等。 对于每个用户来说，TDMA系统数据的发送不是连续的。这就使得移动台的电池消耗较低，因为其发射机可以在非工作时隙（大多数时间）将电源关闭。 由于移动台地发射和接收单元不是连续地处于工作状态，因此它可以在空闲
10、时隙期间完成对整个系统的状态进行检测。因此这种多址方式便于实现比较复杂的系统控制工作，更利于实现过区切换。,第三节 时分多址技术,TDMA系统中，即使在频分双工方式下，其发射和接收也可以不在相同的时间进行，因此不需要双工器。 相对于FDMA，TDMA信道的传输速率要高的多，因此自适应均衡器的应用是必要的。 在TDMA系统中，每个用户只能在特点的时隙发送和接收，而且每个时隙采用的是突发的传输方式，因此，TDMA对系统定时和同步的要求更为严格。同时，其同步的开销也相对较大。 TDMA系统的一个显著的优点是可以根据用户的业务不同，为其分配不同的时隙数，从而可以实现根据用户的业务提供不同的系统带宽。
11、TDMA系统的信道数：,第三节 时分多址技术,五、提高系统容量的措施：需要说明的一点是：TDMA虽然将每个频道划分成了M个时隙，但不能就此说，TDMA的系统容量就比FDMA大了M倍。这是因为，当采用TDMA多址方式时，在不考虑其它开销的情况下，其总的传输速率要提高M倍。因此，在调制时，每个频道的带宽也要增加M倍。但平时又经常说TDMA的系统容量是FDMA的36倍，这是为何呢？主要原因如下： 1TDMA可以采用移动台辅助控制切换技术，从而减小了小区的半径。 2高效的压缩编码技术和数字调制技术 3高效的差错保护方案,三种TDMA蜂窝通信系统的主要参数,GSM系统的话音和信道编码组成框图 RPE-L
12、TP-规则脉冲激励长期预测,GSM编码流程,GSM的交织方式,第四节 扩频多址技术,一、原理与分类扩频多址是以扩频技术为基础的一种多址方式，它通过利用不同的码型来实现不同用户的信息传输。扩频信号是一种经过伪随机序列调制的宽带信号，其带宽通常比原始信号带宽高几个量级。常用的扩频信号有两类：跳频信号和直接序列扩频信号(简称直扩信号)，与此相对应的多址方式包括跳频多址(FHMA)和直扩码分多址(DS-CDMA，一般简称为码分多址或CDMA)两大类。其中应用最广泛的是CDMA技术。除此之外，还用多种混合多址技术。,第四节 扩频多址技术,1. FHMAFHMA是一种数字多址系统，它是在跳频的基础上发展起
13、来的一种多址形式。在FHMA系统中，每个用户载波频率在很宽的频率范围内变化，变化的规律受到各自的伪随机序列(PN码)控制。各用户的载波频率在给定的系统带宽内按照各自的PN码随机地进行快速的改变，通常系统的总带宽比各用户的已调信号(如FM、 FSK、 BPSK等)的带宽要宽得多。FHMA可以近似地看作为FDMA，但各用户占用的频道不断地进行着动态的变化。由此可以看出，FHMA技术的关键是各用户所使用的载波频率序列应该相互正交(或准正交)，即在一个PN序列周期对应的时间区间内，各用户使用的载波频率在任一时刻都互不相同(或相同的概率非常小),第四节 扩频多址技术,第四节 扩频多址技术,FHMA的分类
14、： 慢跳频：基带信号的速率大于跳频速率，即多个码元在相同的一个频道上传输； 快跳频：如果跳频速率大于基带信号速率，即一个码元要在多个频道上传输。 FHMA的特点： 安全保密性好； 良好的抗小尺度衰落能力，特别是快跳频（频率分集） 为了简化设备，通常采用能量效率较高的恒包络调制，且接收机通常采用实现相对比较简单的非相干解调方式。,第四节 扩频多址技术,2. CDMA在CDMA系统中，所有用户工作在相同的载波频率上，但在进行调制之前，用户的输入数据序列首先要进行扩频处理，即与某个高速的扩频序列（PN序列）相乘变换为宽带信号。不同的用户(或信道)使用不同的PN序列。这些PN序列(或码字)相互正交。在
15、接收方，只有采用完全相同的PN码序列且时间完全同步才能够正确地接收到发送方的信号，而其它发送信号由于PN码序列不相关，则被作为噪声处理。所以，CDMA系统可像FDMA和TDMA系统中利用频率和时隙区分不同用户一样，利用PN序列(或码字)来区分不同的用户。,第四节 扩频多址技术,FDMA是以不同的频道来区分不同的信道的一种多址方式，其特点是频带独占，而时间资源可以共享。TDMA是以不同的时隙来区分不同的信道的一种多址方式，其特点是时间独占，而频率资源可以共享。而CDMA则是利用不同的码型来区分不同的信道。不同的用户分配不同的码型，这些码型互不重叠。其特点是频率资源和时间资源均为共享。,第四节 扩
16、频多址技术,在CDMA系统中既可以利用完全正交的PN码序列来区别不同的信道，也可以利用准正交的PN序列来区别不同的用户(或信道)。常用的PN序列有Walsh序列、m序列和Gold序列等。 Walsh函数的递推公式：,Walsh函数的最大特点是不同的序列完全正交，因此，常用于“软扩频”和下行链路信道的区分,第四节 扩频多址技术,（1）选择扩频码时考虑的因素： 良好的自相关性 弱的互相关性 足够的序列个数,第四节 扩频多址技术,（2）扩频码的应用方法： 无中心站的情况下，一般采用地址码和用户一一对应的方法，通信链路的区分通过不同的码型来实现。 有中心站的情况，为了简化系统和充分利用信道资源，一般采
17、用频分双工和地址码动态分配法。即上下行通信链路的区分通过不同的频道来实现；不同的地址码用来区分不同的信道而不是直接区分用户。只有当用户需要接入系统时，系统才分配给它一个地址码。地址码的指配通过专用的信令信道完成。,第四节 扩频多址技术,蜂窝移动通信系统中，除了可以利用码序列区分不同的信道和移动用户以外，还可以利用码分序列区分不同的基站。实际实现时，有两种方法： 不同的基站分配不同的码序列加以区分； 所有的基站采用相同的码序列，但相邻的基站采用不同的码序列初始相位（时间偏置）。当两个基站相距足够远时，时间偏置和码序列可以重复使用,第四节 扩频多址技术,（3） CDMA系统有两个重要特点 a. 多
18、址干扰MAI：由于所有用户都工作在相同的频率上，进入接收机的信号除了所希望的有用信号外，还叠加有其它用户的信号(MAI)。多址干扰的大小取决于在该频率上工作的用户数及各用户的功率大小。,第四节 扩频多址技术,b.必须采用功率控制方法克服远近效应：在基站覆盖区内，移动台是随机分布的。如果所有移动台都以相同的功率发射，则由于移动台到基站的距离不同，基站接收到的各移动台的信号电平会相差甚远，导致强信号抑制弱信号的接收，即所谓的“远近效应”。为了克服这一现象，使系统的容量最大，需要进行功率控制，即根据移动台与基站的距离，调整各移动台的发送功率，使所有移动台的信号到达基站时电平都相等。该电平的大小只要刚
19、好满足信干比门限的要求即可。从基站到达移动台的下行链路同样也需要功率控制。,第四节 扩频多址技术,功率控制按移动台和基站是否同时参与分为开环功率控制和闭环功率控制两大类，其中闭环又分为内环和外环。 闭环功控是指发射端根据接收端送来的反馈信息对发射功率进行控制的过程。 开环功控不需要接收端的反馈，发射端根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。,第四节 扩频多址技术,开环功率控制的衰落估计准确度是建立在上行链路和下行链路具有一致的衰落情况下的，但是由于频率双工FDD 模式中，上行和下行链路的信道衰落情况是完全不相关的，这导致开环功率控制的准确度不会很高，只能起到粗略控制的作用。闭环功率控制由内环
20、功率控制和外环功率控制两部分组成。 内环功率控制过程：它是快速闭环功率控制，在基站与移动台之间的物理层进行。 外环功率控制过程：它是慢速闭环功率控制，其目的是使每条链路的通讯质量基本保持在设定值。,第四节 扩频多址技术,CDMA系统的主要特点： 无论是采用TDD技术还是采用FDD技术，使得许多用户可以共享同一频率。 具有软容量的特点。在CDMA系统中，增加用户数目只会线形地增加系统噪声。因此，CDMA中，对用户数不像FDMA和TDMA那样有绝对的限制。当然，当用户数增加时，系统对所以用户的性能会逐渐下降；相应地，当用户数减少时，系统性能会逐渐提高。 有利于克服多径衰落的影响。如果扩频信号的频谱
21、带宽大于频道的相关带宽，则其固有的频率分集将减小衰落的作用。,第四节 扩频多址技术,在CDMA系统中，信道的传输速率很高，符号（码片）的时长很短；同时由于PN序列具有的良好自相关性，使得超过一个码片的多径延时信号将被视为噪声。因此可以使用RAKE接收机，通过收集所需要信号中的不同时延的信号来提高接收的可靠性。 可以实现宏空间分集的信道软切换。 具有码分多址系统所特有的多址干扰。 容易发生远近效应的影响。,第四节 扩频多址技术,3. 混合码分多址混合码分多址的形式有多种多样，如FDMA和CDMA混合，TDMA与CDMA混合(TD/CDMA)，TDMA与跳频混合(TDMA/FH)，FHMA与CDM
22、A混合(DS/FHMA)等等。混合多址方式可以得到单一的多址方式所不能得到的优点。,第四节 扩频多址技术,二、 CDMA技术的容量分析对于CDMA系统来讲，系统的主要干扰是系统内用户信号之间的相互干扰，即多址干扰（MAI），它是影响系统通信容量的主要原因。在CDMA系统中，每个信道的信号可以看作是一般的扩频调制信号，因此其载干比可以表示为：,第四节 扩频多址技术,（一）大区制CDMA的系统容量：对于单区址的CDMA系统，可以看出，在整个服务区内，任一用户在接收有用信号时，基站发给所有其他用户的信号都要对这个用户形成干扰。用户靠近或离开该基站时，有用信号和干扰信号同样增大或减小，因此即使基站不进
23、行功率控制，则该用户无论处于小区的什么位置上，其接收到的载干比都不会变。为此我们假设正向传输（下行链路）不进行任何功率控制，即发给所有用户的信号功率是完全相同的，其强度应保障用户在服务区域边界时仍能够满足接收机灵敏度的要求。,第四节 扩频多址技术,而用户发给基站的信号则会随着其与基站的距离发生变化，距离越大，传输损耗越大，到达基站接收机时的信号强度就越弱，而其他用户的信号则不会随着他的距离的变化产生变化。因此，为了保障每个用户信号的接收质量，反向传输（上行链路）必须进行功率控制。我们假设反向传输进行的是理想的功率控制，即无论用户处于服务区内的任何位置，其信号功率在到达基站时，都能保持在某一额定
24、值即载干比的门限值。换句话说，即要求所有用户的信号在到达基站时，其信号强度是相同的，这样，无论用户在什么位置，都能保证相同的接收质量。,第四节 扩频多址技术,在这种假设条件下，如果n个用户共用一个无线频道，则每一用户的信号都受到其他n-1个用户信号的干扰。其信噪可表示为：,可得：,大区制的CDMA系统在误码率一定的条件下，所需归一化信干比Eb/I0越小，系统可以同时容纳的用户数越大。,第四节 扩频多址技术,（二）小区制（蜂窝）CDMA的系统容量：对于蜂窝CDMA系统，每一个用户除了会受到本小区内其他用户的多址干扰外，还会受到邻近的其他小区中用户的干扰。在这种情况下，每个小区中所能容纳的用户数显
25、然要小于大区制系统中的用户数。,第四节 扩频多址技术,1正向传输 （1）不进行功率控制情况由于正向传输是不进行功率控制的，因此，当用户越靠近小区的边缘，邻近小区的干扰就越强，而有用信号的强度却趋向于最低。 可见，用户最不利的接收位置是处于三个小区交界的地方。,第四节 扩频多址技术,假设各小区的基站都同时向n个用户发送功率相等的信号。 来自本基站的有用信号功率ar-4 来自本基站的干扰信号功率为a(n-1)r-4 来自紧邻 2个基站的干扰信号功率为 2anr-4 来自较远的3个基站的干扰信号功率为3an(2r)-4 来自更远6个基站的干扰信号功率为 6an(2.63r)-4 于是得到载干比的表示
26、式如下：,第四节 扩频多址技术,（2）进行功率控制情况以上结果是在正向传输不加任何功率控制的情况下得到的。这时，基站的发射功率必须保证用户在小区交界处可以正常工作。但是，我们可以看出，当用户靠近基站时，如果基站仍然发射同样强的功率，则除去会增大其他用户的背景干扰外并无好处。为了进一步提高系统的容量，对正向传输的信号也应进行功率控制，即发射机的功率根据每个用户的通信距离进行调整，距离越大，功率越大，反之则越小。即,是一常数，可用试探法进行选择，一般选择=2 比较合适。,第四节 扩频多址技术,这里没有按照传播损耗的规律把定为 4，是考虑到当用户靠近其基站时，来自本小区基站的干扰与有用信号一起变化；
27、而来自其它小区基站的干扰，虽然有所减小，但改变的速度相对较慢。因此，如果基站把发向某个用户的信号功率按=4的规律急剧减小，则可能使该用户在基站附近的载干比达不到要求。令用户处于小区边缘处所需的信号功率为Pm，则在ri处的信号功率可表示为：,第四节 扩频多址技术,假设在各个小区内， 用户数目较多，且是均匀分布的，小区的形状近似为圆形，则可用以下公式来表示小区中的用户数目n：,式中， 为一与用户密度成比例的常数。因此，基站在增加功率控制后，发向全部用户的总功率为：,第四节 扩频多址技术,基站在未加功率控制时，发向全部用户的总功率为nPm，而增加功率控制后基站发射的总功率降低了 1/2。显然，这样做
28、对减少系统中的多址干扰是有好处的。至此，我们再回过来计算基站增加功率控制后，用户处于小区交界处的载干比。参考无功率控制时的分析可得：,第四节 扩频多址技术,载干比要求相同时，有功率控制与无功率控制相比，可允许同时工作的用户数增大了一倍。此外， 不考虑邻近小区的干扰时， 一个小区允许同时工作的用户数约为 n=1/(C/I), 在考虑邻近小区的干扰并且采用功率控制后，用户数降低为 n=0.6/(C/I), 即后者是前者乘以 0.6。该结果说明，CDMA蜂窝系统和其它蜂窝系统类似，也存在信道再用效率。其再用效率为F=0.6。由此可知对于蜂窝CDMA系统，每小区中允许的用户数为：,第四节 扩频多址技术
29、,2反向传输设各小区中的用户均能自动调整其发射功率，使任一用户无论处于小区内的任何位置上，其信号功率在到达基站时，都能保持在某一额定值即载干比的门限值。 由于基站的位置是固定不变的，各用户在其小区内是随机分布的(可以看成是均匀分布的)， 因而基站附近的背景干扰不会因为某一用户的位置变化而发生明显的变化。因此，反向功率控制应该按照传播损耗的规律来确定。 即：,假设用户在小区的边界处的发射功率为Pm，则在ri处的发射功率为：,第四节 扩频多址技术,从概念上看，如果功率控制很完善，而且只考虑本小区中移动台的干扰，则基站接收某一信号的载干比也是(C/I)=1(n-1)1/n。实际上，来自邻近小区中移动
30、台的干扰同样不能忽略，因为它必然会降低CDMA蜂窝系统的通信容量。,第四节 扩频多址技术,可以把来自一个邻近小区中所有用户的干扰等效成由其基站发射来的干扰，因而小区y的基站收到的载干比为：,式中， 1, 2, 3是分别对应于环路,的比例常数。 由此可得信道再用效率：,采用数值计算或仿真技术，可以算出F的值大约是 0.65。,第四节 扩频多址技术,3. 进一步提高系统容量的技术手段在实际应用中，蜂窝CDMA系统的通信容量还可以通过一些技术手段进一步提高。 （1）话音激活期技术的应用人类对话具有不连续的特性，对话的激活期与整个通话总时间的比值(占空比d)通常只有35%左右。在许多用户共享一个无线频
31、道时，如果利用话音激活技术，使通信中的用户有话音时才发射信号，没有话音时就停止发射信号，则任一用户在话音停顿时，所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减小而受益。即：话音停顿可以使背景干扰减小65%，能使系统容量提高1/0.35=2.86 倍。令话音的占空比为d，则：,第四节 扩频多址技术,（2）扇区的作用在CDMA蜂窝系统中采用有向天线进行分区也能明显提高系统容量。比如，用120的定向天线把小区分成三个扇区，就可以把背景干扰减小到原值的1/3，因而可以提高容量3倍。令G为扇区数，则：,第五节 空分多址技术,特点：通过空间分割来区分不同用户，控制了用户的空间辐射能量 方式：利用自适应天线阵列，在不同的用户方向形成不同的波束,第五节 空分多址技术,理想情况下，自适应天线具有极小的波束和无限快的跟踪速度 在小区内，可提供一个无其他用户干扰的唯一信道（为小区内每个用户提供单个波束）,a）全向 b）定向 c）自适应,第六节 分组无线电,前面均为电路交换，PR是随机接入多址 数据突发性、非实时性 分组无线协议： ALOHA协议 时隙ALOHA 载波侦听多址协议（CSMA） 预约协议,
