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1、,第6章,多址通信技术,内容提要,概述频分多址（FDMA）时分多址（TDMA）码分多址（CDMA）空分多址（SDMA）,概述,多址传输模型(1),点对多点的接人方式 假定有K个用户，第个用户的归一化信号表示为式中，是用户i的信息信号，在数字通信中可以是数字序列；是用户i的载波，其参量称为复接参量。为了K个用户的信号互成正交，必须满足条件 1 0 式中，T是正交周期，对于数字信号是数据的符号宽度。,1 0对于数字信号，信息符号在持续时间T内的归一化值是1，由上式可得正交条件为 1 0,多址传输模型(2),第k个地址接收的信号为：其中Lik为ik的传输系数，nk(t)为k的接收机噪声。说明：,多址
2、传输模型(3),要实现多址通信，必需在k站分离出其它各站送给它的信号：,多址传输模型(4),图中Mnk()是对r(t)进行某种运算的算符，在不考虑噪声的情况下：多址传输的主要问题是选择合适的波形集sij(t)和相应的算符集 Mnk()，以满足正交分割的要求。,信号分割技术,信号的分割正交FDMATDMASDMA非正交CDMA,双工技术,多址还要考虑双工方式FDD：收发频率分开、接收和发送通过滤波器来完成；特点：合理安排频率；优点是双向传输在不同的频带，不会受时延扩展的影响；缺点是需要两套收发信机，两个独立的频带。TDD：收发共用一个频率、接收和发送通过开关来完成；特点：收发存在时间间隔。便于测
3、试的精确反馈，也便于组织不对称传输。双向传输会受时延扩展的影响，因此，传输距离不能太大。,各种系统,双工方式和多址方式要统一考虑；主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA；窄带系统采用方式：FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD；宽带系统采用方式：TDMA、CDMA/FDD、TDD；空分多址（SDMA）是一种辅助方式。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术，有希望成为未来移动通信中高速数据传输所采用的技术。,各种系统（续）,频分多址,工作原理,这是频率域上的正交分割。信号集采用在频谱上互不重叠载频，算符
4、集采用不同载频的带通滤波器。,f1,f2,f3,f4,f5,f6,f5,Sij(f),Mnk(),f,f,工作原理（续）,这时，nk的选址输出为：,特例情况,令：则：如果和足够大，式可近似为正交 0,信道配置,FDMA/FDD、TDD信道配置图,代码,时间,频率,信道1,信道2,信道3,信道n,技术特点,FDMA通常在窄带系统实现；符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；不间断发送，系统额外开销少；系统简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰，消除基站的杂散 辐射。信道非线性是FDMA系统的主要矛盾。,FDMA的非线性效应,由于发射机功率放大器的非线性，会产生：频谱展宽：
5、单载波的发送信号经过非线性信道，会产生频谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，会产生大信号抑制小信号的现象，影响通信效果。交调噪声：多载波的发送信号经过非线性信道，在发送信号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成干扰。,交调举例,例：IMmf1+nf2，m,n为任意整数，如：f1=930MHz，f2=932MHz，求落在工作频率为19201940MHz的交调频率。解：可能的频率有：（2n+1）f1（2）2nf2（1），（2n+2）f1（2）（2n+1）f2（1）等等，n=0,1,2.,关键技术问题,需要很好解决信道的非线性问题目标：希望保持发送频谱
6、的形状，主瓣不会展宽，旁瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率分量。方法：（1）采用高线性度的功率放大器；（2）合理配置频率避开交调分量；（3）功率放大器的输出功率倒退法；（4）功率放大器的线性补偿法。,典型应用举例,美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分配频率；同时支持的信道数：N（Bt2B保护）/BcBt 系统带宽，Bc信道带宽，B保护为分配频率时的保护带宽。,典型应用举例（续）,例：如Bt为12.5MHz，B保护 为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系统的有效信道数。解：N（Bt2B保护）/Bc 将上述数值代入即有N416,正交频分复用技术,载
7、波重叠,OFDM的基本原理,基本思想设di是复数QAM符号，Ns是子载波数，T为符号周期，fc是载波频率。开始于ts的OFDM符号可以写为 0,复基带信号为 0OFDM信号的4个子载波,不同OFDM子载波之间的正交性,离散时间形式是离散傅里叶反变换,OFDM系统,相邻信号的重叠OFDM的同步 OFDM对相位噪声和频率偏移的敏感性要大得多。相位噪声主要有两种影响：随机相位变化 不能准确地从1/T处分离各个子载波，从而导致ICI 对于定时偏移，OFDM具有更好的容忍性,OFDM的峰值功率,当N个同相信号相加时，产生的峰值功率将是平均功率的N倍。降低PAPR 的技术 一是信号失真技术，通过对峰值简单
8、地进行非线性处理，使OFDM信号峰值失真；二是采用特殊前向纠错码的编码技术，排除大PAPR的OFDM符号；三是对每个OFDM符号用优选的扰码序列进行扰码。,峰值平均功率比的分布,N个子载波的OFDM信号的复基带信号可以表示为 式中，是调制符号。根据中心极限定理，当N足够大时，的实部和虚部呈均值为0，方差为1/2的高斯分布。带宽、比特率和延迟扩展 保护时间应是均方延迟扩展的24倍 符号周期远比保护时间长，大于5倍。,参数的选择,OFDM的优缺点,主要优点：1)OFDM可以有效地解决多径问题；对一定的延迟扩展，实现难度远远低于使用均衡器的单载波系统。在相对低时变信道中，根据特定子载波的信噪比来调整
9、每个子载波的数据传输速率，可以有效地增加容量。OFDM可以很好地抵抗窄带干扰，因为这些干扰只影响到一部分子载波。一些缺点：1)OFDM对频率偏移和相位噪声更加敏感。OFDM需要相对更高的峰值平均功率比，这会降低RF放大器的功效。,时分多址,工作原理,这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符集采用相应时隙的选择开关。,t1,t2,t3,t4,t5,t4,t,t,sij(t),Mnk(),工作原理（续）,这时，nk的选址输出为：,信道配置,TDMA/TDD、FDD 信道配置图,TDMA帧结构,技术特点,多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽
10、和调制技术等；数据分组发送，不连续发送，需开关；由于速率较高，往往需要采用均衡器；系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等；采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。,TDMA的效率,系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销；帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。,TDMA系统的信道数,总的信道数：总的TDMA时隙数。即每一信道的TDMA时隙数乘以有效信道数。N(m(Btot2B保护)/Bcm为每个信道所支持的TDMA用户数，Btot信道带宽，B保护保护带宽，Bc用户带宽。,应用举例,例：GSM系统，总带宽25MHz，一个信道200KHz，具有8个TDMA用户，未设保护带宽
11、，求总用户数。解：Bc200/825KHz N25106/25 1031000,TDMA的关键技术问题,数据缓冲技术突发解调技术分帧同步技术,实现均匀突发和突发均匀的变换,数据缓冲技术,发缓冲,收缓冲,发送均匀数据,发送突发数据,接收突发数据,接收突发数据,关键技术是解调过程中的载波快速同步与时钟快速同步。载波快速同步的一种方法：延时相干解调时钟快速同步的一种方法：步进相位选择,突发解调技术,分帧同步系统的重要性分帧同步的指标：建立时间、保持时间、同步精度分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率为了减少传播延时变化所带来的影响，需要采用自适应时隙跟踪方法,分帧同步技术,码分多址,CDMA
12、技术的分类,直扩码分多址（DS-FHMA）跳频码分多址（FH-CDMA）混合码分多址（Hybrid-CDMA）,CDMA特点,方法：窄带调制信号与伪随机序列（PN码）直接相乘（直扩），或由PN序列控制载波发射频率（跳频），达到展宽频谱的目的。性能：（1）各用户使用同一频段，频谱效率较高；（2）具有抗多径、抗干扰特性；（3）采用RAKE接收机提高抗多径性能；（4）PN码具有类似噪声的性能；（5）发射谱密度低，信号隐蔽。,直扩码分多址（DS-CDMA）,扩频方法：用PN码进行乘法调制。解扩方法：相关、匹配滤波等。处理增益：GW/B。多址时存在远近效应。具有一定的抗干扰、抗衰落特点。,工作原理,这是
13、子码域上的正交分割。信号集采用互相正交的地址码序列，算符集采用地址码相关器。,i1,i2,iN,Ci1(t),Ci2(t),CiN(t),i地址发,ij地址收,Cij(t),工作原理（续）,令发送信号为：nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。,工作原理（续）,这时nk的选址输出为：,工作原理（续）,关于码型噪声的讨论。在忽略Lik,aij,Iij(t)各项的情况下，码型噪声取决于：这实际上是全部地址码互相关之和。如果：nc(t)=0，地址码理想正交，属于正交分割；如果：nc(t)0，地址码非正交，属于非正交分割。码分多址的首要问题是选择尽量好的正交码组。,信道配置,DS-CDMA信道配置图,
14、DS-CDMA系统的参数,信息速率：原始信息的速率码片（chip）速率：地址码速率扩频比：码片速率和信息速率的比值地址码周期、地址码码长地址码的正交性及数目地址码的同步及捕获性能,扩频的实现,扩频过程框图,扩频（模二和）,BPSK调制,信息码,地址码,载波,发端已调信号,发送码,扩频的实现（续）,扩频过程波形,信息码,地址码,发送码,解扩的实现,解扩过程框图,解扩（相乘）,BPSK解调,接收信号,参考地址码,参考载波,收端信息码,接收信号,（扩频）,（解扩）,扩频的实现（续）,解扩过程波形,收端信息码,参考地址码,接收信号（解扩）,DS-CDMA关键技术,地址码的选择地址码的捕获与跟踪远近效应
15、与功率控制,地址码的选择,介绍一种常用的地址码：PN码（伪噪声码）。最典型的是m序列，即：最长线性移位寄存器序列。,模二和,T,T,T,移位时钟,m序列输出,地址码的选择,介绍一种常用的地址码：PN码（伪噪声码）。最典型的是m序列，即：最长线性移位寄存器序列。,模二和,T,T,T,移位时钟,m序列输出,地址码的选择（续）,m序列的性质：类似于噪声，所以也称为伪噪声序列由n级移位寄存器产生的m序列，其周期为2n1。除全0状态外，n级移位寄存器可能出现的各种状态都在m序列的一个周期中出现，而且只出现一次。m序列中“0”码和“1”码个数大致相同。将m序列循环移位后还是一组m序列。m序列的自相关函数：
16、,2n1,1,0,1,2,移位数,地址码的选择（续）,m序列具有很好的自相关及互相关特性，因而在无线及移动通信中有广泛的使用。但是，应该注意m序列不是一种理想正交序列，因此当用户数增加时，会引入很大的码型噪声干扰。如何选择正交码组？对m序列的改进，如：插入一些“0”。构造新的地址码，如：Gold序列、Walsh序列。良好自相关、互相关及正交的前提是地址码的同步，如果不能达到准确的同步，会引入附加的码型噪声，严重影响CDMA系统的正常工作。,Walsh-Hadamard序列,4阶Walsh序列的4个波形,分别表示,扩频比可变正交码,4阶Walsh树的例 子显然，4个码片周期，这三个序列中只有与
17、是正交的。,地址码的捕获与跟踪,这是码分多址的一项关键技术，可以分为二个过程：（1）确定地址码的相位，称为捕获。（2）维持地址码相位的同步，称为跟踪。采用方法举例：（1）捕获可以采用匹配滤波器。（2）跟踪可以采用延迟锁定环。,地址码的捕获与跟踪（续）,匹配滤波器和延迟锁定环的组合。,地址码的捕获与跟踪（续）,延迟锁定环的鉴相特性,远近效应与功率控制,什么叫做远近效应？首先说明CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地址码不可能完全正交。即使采用理想的正交码和理想的正交分割，但由于信道传输及同步电路的不理想，会产生码型噪声。假定所有的用户发送功率都一样，则来自不同地址的码型噪声由于传输距离不同（
18、即传输衰减不同）就会有很大的差别，特别对于那些距离很近的用户，产生的码型噪声将会很大，因而造成接收干扰的提高，有效用户数的降低。这就是CDMA系统的远近效应。,远近效应与功率控制（续）,解决远近效应的方法之一：功率控制开环功率控制闭环功率控制,直接序列扩频多址系统,CDMA的基本框图,直接序列扩频多址系统,扩频增益,信号变化,Rake接收,将接收信号按预定模型分离；将分离的信号加权相加。确定Rake参量是依据信道的多径传输模型。,CDMA的误码率,CDMA信号表达式式中：是扩频增益 基站收到的信号为,多址干扰,用户1的判据为用户1的有用信号高斯白噪声干扰 多用户干扰,SINR,干扰加噪声 信干
19、噪比(SINR)可以表示为 假定所有用户的平均符号能量相等CDMA的误码率,DS-CDMA的优点,用户共享一个频率，无需频率规划；PN码的正交性；远近效应：功率控制；具有软容量限制，用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好；抗多径衰落：固有的频率分集；利用宏分集可以实现软越区切换；多用户干扰：PN码不完全正交；利用多用户检测提高系统性能和容量；利用多径，采用RAKE技术提高系统性能。,跳频码分多址（FH-CDMA）,实现方法：在发送端用PN码控制频率合成器，发射频率随PN序列在一定带宽跳变；在接收端实现本振的同步跳频，然后还原成某个固定中频，进行解调。处理增益：GW/B。多址通信时没有远近效应
20、。具有良好的抗干扰特点。,跳频码分多址（续）（FH-CDMA）,跳频技术,快跳频(Fast Frequency Hop，FFH)系统 载频的变化速率大于数据符号的速率，快跳频系统可以认为是使用频率分集的FDMA系统 称为慢跳频(Slow Frequency Hop，SFH)系统 载频变化小于或等于符号速率,进一步说明,采用跳频实现多址；每个地址分配不同的跳频序列；安全性能好、抗干扰能力强；跳频同步跟踪是关键技术难点；存在深度衰落、存在频率碰撞问题；一般要求采用纠错编码和交织编码措施；纯跳频系统多用于军方抗干扰通信中。,空分多址,概念,空分多址方法之一：蜂窝划分空分多址方法之二：扇区划分,A,B
21、,C,D,E,F,G,H,I,A,B,C,D,E,F,G,H,利用天线实现空分多址,控制用户的空间辐射能量；使用定向波束天线服务于不同用户；扇形天线是一种基本方式；自适应天线，效果更好；最适合和TDMA及CDMA系统结合。,智能天线,交换波束,智能天线,自适应天线,关键技术问题,需要很好解决天线的自适应定向问题。目标：天线具有良好的波束，并能对用户进行快速跟踪。方法：天线阵技术和自适应技术。,混合多址,混合多址技术,混合频分/码分多址（F/CDMA）混合直扩/跳频码分多址（DS/FH-CDMA）混合直扩/时分多址（DS/TDMA）混合跳频/时分多址（FH/TDMA）,混合频分/码分多址,F/C
22、DMA,宽带CDMA频谱,窄带CDMA频谱,混合直扩/跳频码分多址,DS/FH-CDMA,信道中的码组,其它码组信道,DS/FH-CDMA系统频谱,直扩/时分多址（DS/TDMA）,不同小区分配不同的扩频码；一个小区分配用户一个特定时隙；不存在远近效应；实际上是TDMA，扩频只是抗干扰。,跳频/时分多址（FH/TDMA）,实际上是TDMA；一帧一跳；避免邻近小区同信道干扰问题；抗严重衰落和碰撞事件；GSM标准采用，能成倍增加容量。,随机接入原理,ALOHA协议及其变型 纯ALOHA用户在任何时刻只要需要，就可以自由地发送信息，信息发送完毕，等待一段时间，等待时间等于信道上最远的两个用户之间传播
23、时延的两倍（即）。若在等待时间内收到接收方的应答信息，则表明发送成功；否则重发该数据帧。等待一段随机时间再重发。时隙ALOHA将时间划分为等长的时隙，每个时隙的长度正好等于一个定长分组的传输时间，各用户只能在时隙的起始时刻才能开始发送信息。,载波监听多址接入(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)每个用户在发送数据前，先监听信道上有无其他用户正在发送信息。如果没有，表明信道空闲，则发送数据；如果有，即信道忙，则暂不发送，退避一段时间后再尝试。几种用于冲突发生时重新安排传输的协议：(1)非坚持CSMA一旦监听到信道忙就不再坚持听下去，延迟一随机时间后再重新监听。如
24、果监听到信道空闲，就立即发送数据。(2)1坚持CSMA监听到信道忙时，仍然坚持听下去，直至信道空闲为止。一旦听到信道空闲，就立即发送数据。如果有冲突（在规定的时间内未得到应答），则等待一段随机时间后再监听。(3)P坚持CSMA监听到信道忙时，仍然坚持听下去，直至信道空闲为止。当听到信道空闲时，以概率p发送数据，而以概率(1-p)延退时间，（端到端的传输时延）再重新监听信道。为了能在CSMA中及时发现冲突，采取边发送边监听(Collision Detection,CD)的方式，即CSMA/CD。,蜂窝系统容量分析,无线通信系统的容量定义为在一定频段内所能提供的最大的信道或用户数目。蜂窝系统的频率
25、重用 7小区配置,蜂窝系统的干扰分析 以7小区配置为例,载波与干扰之比为：假定所有发送功率和路径损耗指数相同，同时噪声比干扰小得多，则有：式中，是传播路径的损耗指数，与路径长短和传播条件有关，一般取4。,系统容量式中，m是无线容量的大小，即每小区的信道数；是系统的总带宽；是每个信道带宽；K是频率重用因子。当 时，容量为：,系统容量比较 FDMA中，系统总带宽被分为M个信道，因此系统容量为 对TDMA系统，相应的信道总数为：采用先进话音编码的数字通信系统与模拟通信系统相比，在话音质量要求相同的情况下，所需的载干比可以降低，比如从18dB降低致1012dB，因而其共道再用因子可以减小，从而提高通信
26、系统的通信容量。,CDMA蜂窝通信系统的容量 一般估计CDMA系统的通信容量有可能达到现FDMA模拟系统的 20倍，达到数字TDMA和FDMA系统的46倍。载干比是信号的载波功率与干扰功率的比值假定到达一接收机的信号强度和各个干扰强度都一样，则载干比为,话音激活期的影响 话音的占空比为 d扇区的作用 令G为扇区数 邻近蜂窝的干扰 信道再用效率F0.6,几种蜂窝通信系统的通信容量的比较：模拟FDMA系统总频带宽度1.25MHZ(AMPS)载频间隔30KHz 信道数目 每区群小区数7 通信容量41.7/7=6TDMA系统总频带宽度1.25MHz 载频间隔30kHz 每载频时隙数3 信道数目 每区群小区数4 通信容量125/4=31.25,CDMA系统CDMA系统总频带宽度1.25MHz,扇形分区数3 通信容量120以表示通信容量，三种体制的比较结果可以写成,
