[信息与通信]移动.ppt

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1、第6章 多址接入技术,通过本章学习，着重解决以下问题： 多址接入原理 在无线通信环境中的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，这便是多址连接问题，也称多址接入问题 多址接入方式及特点 FDMA TDMA CDMA等,第6章 多址接入技术,对多址接入技术有一个全面深入的理解,本次课教学目的： 掌握多址接入的基本原理 理解FDMA方式原理及其特点 理解TDMA方式原理及其特点 理解CDMA方式原理及其特点,第6章 多址接入技术,6.1 概述,1、多址接入方式 网内用户必须具有从接收到的无线信号中识别出本用户地址信号的能力。解决多址连接问题的方法叫多址接入技术。 基站的多路工作和移动台的单

2、路工作是移动通信的一大特点。 在移动通信业务区内，移动台之间或移动台与市话用户之间是通过基站（包括移动交换局和局间联网）同时建立各自的信道，从而实现多址连接的。,多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理，原理上与固定通信中的信号多路复用相似，但有所不同。 多路复用的目的是区分多个通路，通常在基带和中频上实现。 多址划分是区分不同的用户地址，往往需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址，同时为了实现多址信号之间互不干扰，无线电信号之间必须满足正交特性。,6.1 概述,下面分别给出了个信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意图,6.1 概述,2、多址接入与信道 （1）物理信道。信道是传输

3、信息的通道，依传输媒介的不同，信道可分为有线信道和无线信道两大类。频道、时隙和码型是多址连接信道的三种主要形式。 （2）数字移动通信的信道。早期的蜂窝系统是建立在频分多址的基础之上。后来发展的数字蜂窝移动通信，综合利用频分和时分的优点形成基于时分多址的系统；而码分多址系统则是将频分与码分相结合，形成基于码分多址的系统。,6.1 概述,1、FDMA系统原理 FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。 在频分双工（FDD：frequency division duplex）系统中，分配给用户一个信道，即一对频道。一个频道用

4、作前向（下行）信道，即基站（BS）向移动台（MS）方向的信道；另一个则用作反向（上行）信道，即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个信道（1对频道）才能实现双工通信。,6.2 FDMA方式,FDMA系统的工作示意图,6.2 FDMA方式,FDMA系统频谱分隔示意图,6.2 FDMA方式,2、FDMA系统的特点 每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。 符号时间远大于平均延迟扩展。 基站复杂庞大，重复设置收发信设备。 FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收

5、设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其它频率的信号，从而限制邻近信道间的相互干扰。 越区切换较为复杂和困难。,6.2 FDMA方式,1、TDMA系统原理 TDMA是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。,6.3 TDMA方式,系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号（突发信号），在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时

6、隙内接收，就能在合路的信号（TDM信号）中把发给它的信号区分出来。,TDMA系统的工作示意图,6.3 TDMA方式,2、TDMA的帧结构 TDMA帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发（burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧。 1个TDMA帧是由若干时隙组成的，不同通信系统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。,6.3 TDMA方式,TDMA帧结构,6.3 TDMA方式,3、TDMA系统的特点 突发传输的速率高，远大于语音编码速率。 发射信号速率随N的增大而提高，如果达到100 kbps以上，码间串扰就将加大，必须采用自适应均衡

7、，以补偿传输失真。 TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需要双工器。 基站复杂性减小。 抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量较大。 越区切换简单。,6.3 TDMA方式,例6.1考虑每帧支持8个用户且数据速率为270.833kbps的GSM TDMA系统，试求：(a)每一用户的原始数据速率是多少？(b)在保护时间、跳变时间和同步比特共占用101kbps的情况下，每一用户的传输效率是多少？。 解 (a) 每用户的原始数据速率：270.833kbps/8=43.854kbps (b) 传输效率：1-10.1/43.854=77%,6.3 TDMA方式,例6.2假定某个系统是一个前向信道带宽为5

8、0MHz的TDMA/FDD系统，并且将50MHz分为若干个200kHz的无线信道。当一个无线信道支持16个语音信道，并且假设没有保护频隙时，试求出该系统所能同时支持的用户数。 解 在GSM中包含的同时用户数为： N（50MHz / 200kHz）16=4000 因此，该系统能同时支持4000个用户。,6.3 TDMA方式,例6.3如果GSM使用每帧包含8个时隙的帧结构，并且每一时隙包含156.25比特，在信道中数据的发送率为270.833kbps，求：(a)一比特的时长；(b)一时隙长；(c)帧长；(d)占用一个时隙的用户在两次发射之间必须等待的时间。 解 (a) 比特时长Tb1/270.83

9、3kbps =3.692s (b) 个时隙长Tslot156.25Tb0.577ms (c) 帧长Tf8Tslot4.615ms (d) 用户必须等待4.615ms，在一个新帧到来之后才可进行下一次发射。,6.3 TDMA方式,6.4 CDMA方式,1、CDMA系统原理 CDMA系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互正交，用于区别不同地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。,系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干

10、扰，通常称之为多址干扰（MAI）。 地址码的设计直接影响CDMA系统的性能，为提高抗干扰能力，地址码要用伪随机码（又称为伪随机（Pseudo-Noise）序列）。,6.4 CDMA方式,CDMA系统的工作原理示意图,6.4 CDMA方式,2、正交Walsh函数 沃尔什函数具有理想的互相关特性。在沃尔什函数族中，两两之间的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。因而在码分多址通信中，Walsh函数可以作为地址码使用。 Walsh函数是一种非正弦的完备函数系。 由于它仅有两个可能的取值：+1或-1，所以比较适合用来表示和处理数字信号。若对图中的Walsh函数波形在8个等间隔上取样，即得到离散Wa

11、lsh函数，可用88的Walsh函数矩阵表示。,6.4 CDMA方式,连续Walsh函数的波形,6.4 CDMA方式,如图所示函数对应的矩阵如下式所示，从中可见，变换行的次序后与下面所述的Walsh函数矩阵的相同。,6.4 CDMA方式,2、Walsh函数矩阵（Hadamard矩阵）的递推关系 Walsh（沃尔什）函数可用Hadamard（哈达码）矩阵H表示，利用递推关系很容易构成Walsh函数序列族。哈达码矩阵H是由“1”和“0”元素构成的正交方阵。在哈达码矩阵中，任意两行（列）都是正交的。这样，当我们把哈达码矩阵中的每一行（列）看成一个函数时，则任意两行（列）之间也都是正交的，即互相关函数

12、为零。因此，将M阶哈达码矩阵中的每一行定义为一个Walsh序列（又称Walsh码或Walsh函数）时，我们就得到M个Walsh序列。,6.4 CDMA方式,哈达码矩阵有如下递推关系： 式中，M取2的幂； 是 的补。,6.4 CDMA方式,3、m序列伪随机码 （1）m序列的生成 m序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。 m序列的发生器是由移位寄存器、反馈抽头及模2加法器组成的。产生m序列的移位寄存器的网络结构不是随意的，必须满足一定的条件。图6-8是一个由三级移位寄存器构成的m序列发生器。,6.4 CDMA方式,m序列产生电路,m序列是伪随机序列，

13、具有类似于随机序列的性质。随机序列具有哪些性质，归纳有三点： 1 均衡性 2 游程特性 3相关性,（1）m 序列的特性 m 序列是一种伪随机序列，具有随机性，其自相关函数具有二值的尖锐特性，但互相关函数是多值的。 下面就 m 序列主要特性进行分析。 1. m 序列的随机性 1)均衡性 在 m 序列码中， 码元为“1”的数目和码元为“0”的数目只相差 1 个。,2)游程特性 m 序列中，一个周期内长度为 1 ( 单个“0”或单个“1” )的游程占总游程数一半，长度为2 的游程(即“00”或“11”连符) 占总游程数的 1/4，长度为 3 的游程 ( 即 “000” 或“111”连符 ) 占总游程

14、数的 1/8 。只有 1 个包含 n 个 “ 1” 的游程，也只有一个包含 (n1) 个“0”的游程。,“111101011001000”游程分布,3)移位相加性 m序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的序列还是m序列，只是相位不同。 例如原序列xi=1110100, 那么右移 2 位的序列xi-2=0011101，它们模 2 加后为1101001,它是原序列左移 1 位的结果。,4）m 序列的自相关性 相关可用自相关函数或自相关系数来描述。其数学表达式为,6.4 CDMA方式,m序列的自相关性 自相关函数由下式计算 式中，A为“0”位数或相同的位数；D为“l”位数或不相同的位数。显然P=A+

15、D。,6.4 CDMA方式,m序列的自相关函数,需要指出的是，这种自相关特性很尖锐的情况， 并不是随便的码序列都具有这种性能。,3. 码序列的互相关 两个不同码序列之间的相关性， 用互相关函数(或互相关系数)来表征。 对于二进制码序列， 周期均为P的两个码序列x和y，其相关函数称为互相关函数，记作 R ( x, y )， 即,6.4 CDMA方式,m序列的互相关性 m序列的互相关性是指相同周期的两个不同m序列 、 一致性的程度。其互相关值越接近于0，说明这两个m序列差别越大，即互相关性越弱；反之，说明这两个m序列差别较小，即互相关性较强。当m序列用作CDMA系统的地址码时，必须选择互相关值很小

16、的m序列组，以避免用户之间的相互干扰，减小MAI。 互相关函数可由下式计算：,6.4 CDMA方式,通常在实际应用中，只关心互相关特性好的m序列对的特性。 对于周期为 的m序列组，其最好的m序列对的互相关函数值只取三个，这三个值是 式中， ，其中表示取实数的整数部分。这三个值被称为理想三值。能够满足这一特性的m序列对称为m序列优选对，它们可以用于实际工程。,6.4 CDMA方式,4、CDMA系统的特点 CDMA系统的许多用户共享同一频率。 通信容量大。 软容量特性。 由于信号被扩展在一较宽频谱上，所以可减小多径衰落。 在CDMA系统中，信道数据速率很高。采用分集接收最大比合并技术，可获得最佳的

17、抗多径衰落效果。 软切换和有效的宏分集。 低信号功率谱密度。,6.4 CDMA方式,4、CDMA系统的特点 CDMA系统存在着两个重要的问题 多址干扰（MAI）。来自非同步CDMA系统中不同用户的扩频序列不完全是正交的。 远近效应。由于移动用户所在位置处于动态的变化中，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，即使各用户到基站距离相等，深衰落的存在也会使到达基站的信号各不相同，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信。,6.8 系统容量,一个无线电系统的容量被定义为一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目或系统输入话务总量（Erlang）。它与信道的载频间隔、每载

18、频的时隙数、频率资源和频率复用方式、基站设置方式等有关。 蜂窝系统的无线容量可定义为 式中， 是无线容量大小； 是分配给系统的总频谱宽度；是信道带宽； 是区群中的小区数。,信道/小区,三种多址接入方式的理论容量,假设三种多址系统均有W MHz的带宽；每个用户未编码 比特率都为Rb，每种多址系统均使用正交信号波形，则 最大用户数 再假定任何多址系统每个用户接到的能量是Sr，则 接收到的总能量 假设所需的信噪比（SNR）或（单位比特能量与噪声谱密度比）与实际值相等，即 由此得出： 所以从理论上说，各种多址技术具有相同的容量,理论上讲各种多址接入方式都有相同的容量 推导,三种多址接入方式的实际容量,

19、FDMA和TDMA 蜂 窝 系 统 的 容 量,CDMA 蜂窝系统的容量,三种系统 容量的比较,FDMA和TDMA蜂窝系统的容量,对于模拟FDMA系统 频率重用的小区数N由所需的载干比决定，即 则FDMA的无线容量,对于数字TDMA系统 数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小45dB（因数字系统有纠错措施），因而频率复用距离可以再近一些 则TDMA的无线容量,FDMA 和TDMA系统提高容量的根本原因:减小频率再用的距离。 影响频率再用距离的原因：受载干比的限制。 模拟蜂窝系统：1/7小区共用； 数字蜂窝系统（GSM）：1/4小区共用； CDMA系统：每小区可以使用相同的频率，但存在多址干扰，

20、容量受到限制。 CDMA提高容量的根本原因：减少多址干扰。,CDMA蜂窝系统的容量,决定系统容量的主要参数 处理增益 Eb/N0、 话音激活周期、 频率再用效率、 以及基站天线扇区数,一般扩频通信系统的容量,接收信号的载干比可写成 式中 Eb 信息的比特能量； Rb 信息的比特速率； N0 干扰的功率谱密度； W 信号所占的频谱宽度； Eb / Rb 类似于归一化信噪比，其取值决定于 系统对误比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关； W / Rb 系统的处理增益。,若m个用户共用一个无线频道，显然每一用户的信号都受到其他m 1个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各

21、干扰强度都相等，则载干比为：,如果考虑背景热噪声，则能够接入此系统的用户数可表示为： 信道/小区 结果表明 在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率，减小归一化信噪比，增大 系统的处理增益都将有利于提高系统的容量。,CDMA蜂窝通信系统的容量,考虑反向功率控制和CDMA蜂窝通信 系统的特点，对一般公式进行修正 采用话音激活技术提高系统容量 利用扇区划分提高系统容量 邻区干扰降低系统容量,采用话音激活技术 提高系统容量,在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）d 通常小于35%，如果CDMA系统在话音停顿时停止信号发射，其他用户受到的干扰会相应地平均减少65%，从而使系统容量提高到原来的1/d

22、=2.86倍 CDMA系统的容量公式被修正为 信道/小区,当用户数目庞大并且系统是干扰受限而不是噪声受限时，用户数可表示为 信道/小区,利用扇区划分提高系统容量,如利用120o扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时，处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一，相应的各用户之间的多址干扰分量也就减少为原来的三分之一，从而系统的容量将增加近3倍CDMA系统的容量公式被修正为 信道/小区,邻区干扰 降低系统容量,在CDMA系统中，所有用户共享一个无线频率，因此任一小区的移动台（基站）都会受到相邻小区基站（移动台）的干扰 假设各小区的用户数为M，M个用户同时发射信号，理论分析表明，正向信道和

23、反向信道的干扰总量对容量的影响大致相等。因而在考虑邻近蜂窝小区的干扰对系统容量影响时，一般按正向信道计算,当系统采用正向功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因移动台最不利的位置是处于3个小区交界处（图 MS点） 在采用功率控制时，每小区同时通信的用户数将下降到原来的60%，即信道复用效率F=0.6，使系统容量下降到未考虑邻区干扰时的60% CDMA系统的容量公式被修正为 信道/小区,三种系统容量的计算,给定的一个窄带码分系统的总频宽Bt =1.25MHz,模拟TACS系统（FDMA方式） 设：信道带宽Bc=25kHz 频率重用的小区数N =7 得系统容量 （信道/小区）,数字GSM系统（TDM

24、A方式） 设：载频间隔 Bc=200kHz 每载频时隙数为 8 频率重用的小区数 N =4 得系统容量 （信道/小区）,数字CDMA系统 设：话音编码速率Rb=9.6kbit/s 话音占空比 d=0.35 扇形分区系数 G=2.55 信道复用效率 F =0.6 归一化信噪比 Eb/N0=7dB 得系统容量 （信道/小区）,三种系统容量的比较,理论可得：在总频带宽度为1.25MHz时，三种体制的系统容量的比较结果为： 实际的CDMA系统的容量比理论值有所下降，其下降多少将随着其功率控制精度和某些参数的选取而变化 当前比较普遍的看法是CDMA数字蜂窝移动通信系统的容量是模拟FDMA系统的810倍,