无线通信多址技术

无线通信系统 第七章 无线通信多址技术 7.1 概述 7.2 频分多址（ FDMA） 7.3 时分多址（ TDMA） 7.4 扩频多址（ SSMA） 7.5 空分多址（ SDMA） 7.6 分组无线电（ PR） 7.7 蜂窝系统的容量 第七章 无线通信多址技术 多用户通信系统有几种典型的方式： 多址接入系统：许多用户共享有限的无线频谱。 广播网：一个发射机发送信号给许多用户。 为了能使多用户正常地进行通信，需要采用有效的多址技术。 多址方式的基本类型有频分多址（ FDMA）、时分多址（ TDMA）和码分多址（ CDMA）。 还有两种多址模式用于无线通信：分组无线电（ PR）和空分多址（ SDMA）。 选择什么样的多址方式取决于通信系统的应用环境和要求 。 7.1 概述 频分双工（ FDD）：为一个用户提供两个确定的频段。前向频段提供从基站到移动台的传输，而反向频段提供从移动台到基站的传输。 在 FDD中，前向和反向频段的频率分配在整个系统中是固定的。 时分双工（ TDD）：用时间而不是频率来提供前向链路和反向链路。前向时隙和反向时隙之间的时间分隔很小时，用户听起来就是同时的。 反向信道 前向信道频率频率分隔反向信道 前向信道时间时间分隔 7.1 概述 FDD和 TDD的比较： FDD 收发信机同时地发送和接收相差大于 100dB的无线信号，必须谨慎地分配频率，使其与共用这两个频段地其它用户保持协调。 频率分隔必须使用于不太昂贵的 RF设备。 TDD 消除了单独的两个频段的需要。 接收和发射之间存在时间间隔。 应用限制在无绳和短距离无线接入。 7.1 概述 共享有效带宽。根据有效带宽是怎样分配给用户的，可以把这些技术分为窄带系统和宽带系统。 窄带系统：单个信道的带宽同所期望的信道的相干带宽一致。 FDMA/FDD：可用的无线带宽被分成许多窄带信道，这些信道工作在 FDD方式，每个用户分配一个信道，不共享。 TDMA/FDD和 TDMA/TDD：大量的无线信道用FDD/TDD方式分配，而每个信道用 TDMA方式共享。 宽带系统：信道的发射带宽比信道的相干带宽大得多。 7.1 概述 蜂窝移动通信系统 多址技术高级移动电话系统（AMPS） FDMA/FDD全球移动通信系统（GSM） TDMA/FDD美国数字蜂窝（USDC） TDMA/FDD日本数字蜂窝（JDC） TDMA/FDDCT2（无绳电话） FDMA/FDD欧洲数字无绳电话（DECT） FDMA/FDD美国窄带扩频（IS-95） CDMA/FDD不同无线通信系统中的多址技术 7.2 频分多址（ FDMA） 特点：连续发射、通常用于窄带系统、简单、但基站成本高（使用双工器、带通滤波器和精确的射频滤波器）。 许多信道在一个基站中共享同一个天线，可能导致非线性效应，产生交调频率。 信道1频率时间代码信道2信道3信道N 7.3 时分多址（ TDMA） 发射数据是用缓存突发法，省电，切换简单，不需要双工器，不同用户分配不同的带宽； 同步开销大，必须有自适应均衡、保护时隙； 用户共享一个载波频率，利用互不交叉的时隙，时隙数取决于调制技术、有效带宽等； 频率代码时隙信道1信道2信道3信道N时间一个TDMA帧头比特 信息 尾比特时隙1 时隙2 时隙3 - - - - - 时隙N尾比特 同步比特 信息数据 保护比特 7.3 时分多址（ TDMA） TDMA的效率：发射的数据中信息所占的百分比，不包括为接入模式而提供的系统开销。 1 1 0 0O H r r t p t g r grtrpgTfff O H Tb N b N b N b N bNNbbbb T RTRbb 每一帧的系统开销数：每一帧参考码组数， ：每一帧业务码组数，：参考码组的开销比特， ：每一时隙中每个头比特的开销，：每一保护时间间隔的等效比特数每一帧总比特数为： 帧 长 ， ： 信 息 比 特 率帧 效 率 ： 7.3 时分多址（ TDMA） TDMA系统的信道数：把每一个信道的 TDMA时隙与有效信道相乘，得到 TDMA系统中所提供的 TDMA信道时隙数。 例 7.3 TDMA/FDD GSM 系统采用 25MHz带宽用于前向链路， 并被分成 200kHz的无线信道，如果一个无线信道支持 8语音用户，并假设没有保护时隙，求 此 GSM系统包含的同时用户数。 2:t o tcm B BNBm保护每一个信道所能支持的最大T D M A 用户数，25 10002 0 0 / 8M H zNk H z 7.3 时分多址（ TDMA） 例 7.4 如果 GSM使用每帧包含 8个时隙的帧结构，并且每一帧包含 156.25比特，在信道中数据速率为 270.833kbps，求（ 1）比特周期，（ 2）时隙长，（ 3）帧长，（ 4）占用一个时隙的用户在两次发射之间必须等待的时间。 11(1 ) 3 . 6 9 22 7 0 . 8 3 3 /( 2 ) 1 5 6 . 2 5 0 . 5 7 7( 3 ) 8 4 . 6 1 54 . 6 1 5bbs l o t bf s l o tTsR k b i t sT T m sT T m sms (4) 用 户 必 须 等 待 ， 在 一 个 新 帧 到 来 之 后才可以进行下一次发射。 7.3 时分多址（ TDMA） 例 7.5 如果一个标准 GSM时隙由 6个尾比特，8.25个保护比特， 26个训练比特和 2组业务码组组成，其中每一个业务码组由 58比特组成，求帧效率？ 6 8 . 2 5 2 6 2 5 8 1 5 6 . 2 58 1 5 6 . 2 5 1 2 5 08 ( 6 8 . 2 5 2 6 ) 3 2 23221 1 0 0 7 4 . 2 4 %1250OHfbP 一 个 时 隙 有 比 特一 个 帧 有 比 特每 帧 的 系 统 开 销 比 特帧效率 7.4 扩频多址（ SSMA） 把一个窄带信号在发射前转换成宽带信号。 有以下两种类型： 7.4.1 跳频多址（ FHMA） 7.4.2 码分多址（ CDMA） 7.4.3 混合扩频技术（ HSST） 7.4.4 矢量量化 7.4.1 跳频多址（ FHMA） 把一个宽频段分成若干个频率间隔，称为频道 。 单个用户的载波频率在宽带频道范围内按伪随机方式变化 ， 用户数据就在不同的载波上发射出去 。 在某一时刻，跳频信号是一个窄带信号。 FHMA和 FDMA地区别在于 FHMA跳频信号快速地变换频道。 一个快跳频系统可被认为是使用频率分集的 FDMA系统。 FHMA系统通常采用功率效率高的恒包络调制技术。 一个跳频系统具有一定的安全保证。 7.4.2 码分多址（ CDMA） 所有用户使用同一载频，并且可以同时发射。 发送端伪随机编码调制和接收端相关处理。 存在“远近效应”问题，一般采用功率控制来克服。 时间信道1信道2信道3信道N频率码 7.4.2 码分多址（ CDMA） CDMA特点： 抗干扰，抗噪声能力强； 抗多径干扰，分离并收集所需要信号中不同时延的信号能量，增加接收信噪比； 能在低功率谱密度情况下工作，而低的发射功率有利于移动通信使用者的健康； 有一定的保密性能； 由于采用相关接收方式， CDMA通信可以在信噪比很低的情况下工作，其信号具有很强的隐蔽性； 与 TDMA和 FDMA不同， CDMA是干扰受限系统，减小干扰可以直接增加系统容量，因此，可以利用话音激活、前向纠错和扇型分区等技术提高频带利用率； 在 CDMA蜂窝系统中，相邻小区使用相同的频率，所以它可以实现宏分集和进行软切换。 7.4.3 混合扩频技术（ HSST） 7.4.3.1 混合 FDMA/CDMA（ FCDMA） 与原来的 CDMA系统相比，其处理增益低一些。 优点是带宽不需要连续。系统容量是各子带容量之和。 7.4.3.2 混合直扩 /跳频多址（ DS/FHMA） 直接序列扩展频谱信号的中心频率以伪随机方式变化。 优点是避免了远近效应问题，但不适合软切换。 宽带CDMA窄带CDMA 的频谱 7.4.3 混合扩频技术（ HSST） 7.4.3.3 时分 CDMA（ TCDMA） 给不同的小区指定不同的扩频代码； 在每一小区内，仅分配给一个用户特定时隙，切换时用户的扩频码变为新小区的； 优点是它避免了远近效应。 信道中的码组传递 其他码组的可选信道 7.4.3 混合扩频技术（ HSST） 7.4.3.4 时分跳频（ TDFH） 用户可以在一个新的 TDMA帧开始时跳到一个新的频率，因此避免了在一个特定信道上的严重衰落或碰撞事件。 如果使两个互相干扰的基站发射机在不同频率和不同时间发射，就避免了邻近小区的同信道干扰问题。 成倍增加 GSM的容量。 7.5 空分多址（ SDMA） 通过控制用户的空间辐射能量来提供多址接入能力 。 扇形天线可被看作是 SDMA的一个基本方式 。 ( a ) 全向基站天线模式 ( b ) 定向基站天线模式 ( c ) 自适应天线模式 , 为小区内每一用 户提供单独波束 7.6 分组无线电（ PR） 7.6.1 分组无线电协议 7.6.2 载波检测多址 CSMA 协议 7.6.3 预留协议 7.6.4 分组无线电的截获效应 7.6.1 分组无线电协议 规一化吞吐量 : 分组B 分组C分组A发射机1发射机2易损阶段 2时间21t一个分组时间（ ） 1tP r P r , ,P r -RT R P o i s s o nP o i s s o ne无 碰 撞 无 碰 撞 ， 分 组 到 达 服 从 分 布 ，到 达 率 为 ， 是 发 射 分 组 所 需 要 的 时 间 用 户 产 生 分 组 的 概 率为 分 布则 无 碰 撞 7.6.1 分组无线电协议 7.6.1.1 纯 ALOHA ALOHA协议是用于数据发射的随机接入协议 ； 消息易损阶段是分组的两倍 ,则 其 吞吐量： T=Re-R 7.6.1.2 时隙 ALOHA 时间被分成相同长度的时隙 ,它比分组时间长； 每个用户仅在时隙开始处发送，避免部分碰撞； 时延增大，吞吐量为： T=Re-2R 7.6.1 分组无线电协议 7.6.2 载波检测多址 CSMA 协议 在进行发射前监听一下信道，可以获得更高的接入效率 ； CSMA协议中，检测延迟和传播延迟是两个重要的参数； 下面是 CSMA技术的一些变形： 1-持续 CSMA：如果信道空闲，用户就以概率 1发射信息 p-持续 CSMA：如果检测到信道空闲，以概率 p发送分组，并在延迟 t秒后，以概率 1-p发送 非持续 CSMA：如果信道空闲，用户就发射，如果信道忙，用户根据时延分布，过一段时间后发射分组 CSMA/CD：用户监测它的发射是否发生碰撞，如果两个或多个终端同时开始发射，那么就会检测到碰撞，立即中断发射。对单工信道，中断传输来检测信道，对于双工系统，可以使用完全双工收发信机。 7.6.2 载波检测多址 CSMA 协议 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 812510203040 O p t i m u mp - P e r s i s t e n t S l o t t e dN o n - P e r s i s t e n t S l o t t e d1 - P e r s i s t e n tS o t t e dA L O H AA L O H A 归一化延时吞吐量 7.6.3 预留协议 7.6.3.1 预留 ALOHA 以时分多址技术为基础的一个分组接入模式。 某个分组时隙被赋予优先级，并且有可能为用户预留发射分组的时隙。 在大业务量时，提供好的吞吐量。 7.6.3.2 分组预留多址（ PRMA PRMA使用一类似于预留 ALOHA的离散分组时间技术，以每一 TDMA时隙传输语音和数据，且优先传输语音，同时利用了 TDMA的周期帧结构。 PRMA被建议为综合传输分组数据和语音的一种方法。 7.6.4 分组无线电的截获效应 分组无线电多址技术是以在同一信道内的竞争为基础的； 在使用调频或扩频调制时，会产生发射机的屏蔽问题； 截获效应有优点也有缺点。 分析截获效应的有用参数是接收到的到达分组相对于其它碰撞分组的最小功率比，称为截获率。 不同通信类型应该使用的多址技术： 通 信 类 型 多 址 技 术分 组 、 短 消 息 竞 争 协 议分 组 、 长 信 息 。 大 量 用 户 预 留 协 议分 组 、 长 信 息 、 少 量 用 户 固定 T D M A 预 留 信 道 和 预 留 协 议数 据 流 或 确 定 的 语 音 F D M A 、 T D M A 、 C D M A 7.7 蜂窝系统的容量 7.7.1 蜂窝 CDMA容量 7.7.2 多小区 CDMA的容量 7.7.3 SDMA容量 7.7.4 矢量量化 7.7 蜂窝系统的容量 无线通信系统的容量定义为一定频段内所能提供的信道或用户的最大数目。 无线信道容量是一个衡量无线系统频谱效率的参数。 这一参数取决于于所需的波载干扰比 （ C/I） 和信道带宽 Bc。 反向信道干扰：来自周围小区的用户产生的干扰。 前向信道干扰：本小区周围小区中的同信道基站产生地干扰。 同信道复用率： Q=D/R， D：同信道小区之间的距离，R：小区半径。 蜂窝系统的无线容量可定为 ： m=Bt/BcN（无线信道 /小区）， Bt是分配给系统的总的频谱 ， Bc是信道宽带 ， N是频率重用的小区数， NQ 3 7.7 蜂窝系统的容量 51156 414162312132930313271817339101119827363534 282037212223242526424344454746494838394041 7.7 蜂窝系统的容量 采用上图所示的蜂窝结构时， 在小区边缘处，即 d0=R时产生最大干扰。 (C/I)min是接收机正常工作所需要的最小 C/I。 00001knMnkkdCndIdM， 是 服 务 小 区 中 路 径 损 耗 指 数 ， 是 服 务 基 站到移动台的距离，最邻近的同信道小区个数为-m i n2 2 22m i n1 1 1333nnnnt t tnccc nC R RI M D M D M QB B BmQQMCBBBI = ，则蜂窝系统容量为:， 无 线 信 道 / 小 区 7.7 蜂窝系统的容量 2m i nm i n2/ / /4/tceq ccceqb b c ceqcceqBmBCCI I BBBC I C I C ICIE R E RCI I In C ICBIC BI 如 果 和 固 定 ， 则=是特定系统的带宽， 是不同系统的带宽是相对于特定系统 的不同系统的最小 。在数字蜂窝系统中， 可以表示为：=，对应于不同系统的 ，有： 7.7 蜂窝系统的容量 例 7.7。评估四种不同的蜂窝无线标准，选择容量最大的系统，假设 n=4。 m i nm i nm i nm i n: 3 0 , ( / ) 1 8: 2 5 , ( / ) 1 4: 1 2 . 5 , ( / ) 2: 6 . 2 5 , ( / ) 9ccccA B k H z C I d BB k H z C I d BB k H z C I d BB k H z C I d B系统系统B系统C系统D 2m i nm i nm i n6 . 2 5 ,: 3 0 , ( / ) 1 8 2 0 l o g 6 . 2 5 / 3 0 3 1 . 6 8: 2 5 , ( / ) 1 4 2 0 l o g 6 . 2 5 / 2 5 2 6: 1 2 . 5 , ( / ) 2 2 0 l o g 6 . 2 5 / 1 2 . 5 4: 6 . 2 5ceq cc e qcccBCCk H zI I BA B k H z C I d BB k H z C I d BB k H z C I d BBk 解：考虑系统带宽为 = ，则系统系统B系统C系统D m i n, ( / ) 9 2 0 l o g 6 . 2 5 / 6 . 2 5 9H z C I d BC 系 统 提 供 最 大 容 量 。 7.7 蜂窝系统的容量 系统， TDMA系统把容量提高了 3到 6 倍。 (C/I)min在窄带数字系统中为 12dB，模拟 FM系统中为 18dB。 在一数字式蜂窝系统中， C/I可以表示为： 在 FDMA系统中， Bt被分成 M个带宽为 Bc的信道， C=EbRb，I=I0Bc，因此， FDMA的无线容量为： 在 TDMA系统中 ,C=EbRb， I=I0Bc， I0表示每赫兹的干扰功率。 相对于模拟蜂窝无线， TDMA系统把容量提高了 3到 6 倍。 bbbbERC ERII ， 每 比 特 能 量 ， 数 据 速 率23ttBmB CMI， 无 线 信 道 / 小 区 7.7 蜂窝系统的容量 A M P S 和基于数字 T D M A 的蜂窝系统的比较 参数 A M P S G S M U S D C P D C 带宽（ M H z ） 25 25 25 25 语音信道 833 1000 2500 3000 频率复用（簇大小） 7 4 或 3 7 或 4 4 或 3 信道 / 站址 1 1 9 250 或 333 357 或 625 429 或 750 通信量（爱尔兰 / 平方公里） 1 1 . 9 27 .7 或 40 41 或 74 .8 50 或 9 0 . 8 容量增益 1 . 0 2 . 3 或 3 . 4 3 . 5 或 6 . 3 4 . 2 或 7 . 6 7.7.1 蜂窝 CDMA容量 CDMA系统的容量是干扰受限的，而在 FDMA和 TDMA中是带宽受限的。 干扰的减少将导致 CDMA容量的直接增加。 在 CDMA系统中，当用户数减少时每一用户的链路性能就会增加。 TDMA和 FDMA的频率复用取决于由路径损耗产生的小区间的隔离，而 CDMA小区可以复用所有频率，因而容量有了较大增加。 单小区 CDMA系统中，设用户数为 N，那么，在当前小区中的基站接收到一个用户的有用信号功率 P和（ N-1）个干扰用户的功率，其中每一干扰用户的功率为 P。因此，信噪比为： 1( 1 ) 1PS N RN P N 7.7.1 蜂窝 CDMA容量 基站接收机处的 SNR可用 Eb/N0表示： 能够接入此系统的用户数可表示为： 当用户数目庞大且系统是干扰受限而不是噪声受限时 ， 每一扇区中用户数用户数可表示为： PNERWKPKRWWPKRPNEbb 001,)1()1( PNERWKb01011sbWR WKREN ， 是 语 音 激 活 因 子 ， 是 处 理 增 益 7.7.2 多小区 CDMA的容量 相邻干扰小区的数目决定了 CDMA蜂窝系统的频率复用因子 f。 CDMA反向链路的 f： 各相邻小区有不同的用户数，每个干扰用户产生的干扰取决于它与通信基站的距离以及它们的发射功率。 一个特定小区中的变量 Nai可用标准统计技术计算。 使用同心圆几何法求 CDMA容量：用递归几何法来确定小区内和小区外用户的传播路径损耗是怎样影响 CDMA系统的频率复用的。 000, ii a iiaiNf N U iN U NNi 小区内用户的干扰， 第 个相邻小区的用户数，第 个 相 邻 小 区 内 用 户 产 生 的 平 均 干 扰 功 率 7.7.2 多小区 CDMA的容量 7.7.2 多小区 CDMA的容量 102 d3RAdjacentcell02 dR 02 dR Rdesiredcell 7.7.2 多小区 CDMA的容量 中心小区的面积： 假设第一层面积为 A1，有 M1个干扰小区，每个干扰小区的面积相同 A，则 第 i层的面积可以表示为： 相邻干扰小区与目的小区的面积相同。 同一层内每个小区到目的小区的半径相同。 同一层内只考虑一个小区的干扰作用，再简单地乘以同一层内小区数即可。 2 2 20A R d R 2 2111132A R R M AM 11iiA iM Ai 7.7.2 多小区 CDMA的容量 考虑相邻小区内用户的不同分布对干扰的影响，经常是有用的，可以确定最坏情况下的频率复用。 干扰层分为两个部分，使用加权因子在相邻小区的内层和外层