《无线通信多址技术》PPT课件.ppt

无线通信系统 第七章 无线通信多址技术 v7.1 概述 v7.2 频分多址（FDMA） v7.3 时分多址（TDMA） v7.4 扩频多址（SSMA） v7.5 空分多址（SDMA） v7.6 分组无线电（PR） v7.7 蜂窝系统的容量 第七章 无线通信多址技术 v 多用户通信系统有几种典型的方式： v 多址接入系统：许多用户共享有限的无线频谱。 v 广播网：一个发射机发送信号给许多用户。 v 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。 v 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）。 v 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）。 v 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 v 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。 v 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。 v 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。 7.1 概述 vFDD和TDD的比较： vFDD 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。 vTDD 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 v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。 v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。 v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 7.2 频分多址（FDMA） v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）。 v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。 7.3 时分多址（TDMA） v 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； v 同步开销大，必须有自适应均衡、保护时隙； v 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； 7.3 时分多址（TDMA） vTDMA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。 7.3 时分多址（TDMA） v 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 。 v 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。 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。 7.3 时分多址（TDMA） v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？ 7.4 扩频多址（SSMA） v把一个窄带信号在发射前转换成宽带信号 。 v有以下两种类型： v7.4.1 跳频多址（FHMA） v7.4.2 码分多址（CDMA） v7.4.3 混合扩频技术（HSST） v7.4.4 矢量量化 7.4.1 跳频多址（FHMA） v把一个宽频段分成若干个频率间隔，称为频道 。 v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。 v在某一时刻，跳频信号是一个窄带信号。 vFHMA和FDMA地区别在于FHMA跳频信号快速地 变换频道。 v一个快跳频系统可被认为是使用频率分集的FDMA 系统。 vFHMA系统通常采用功率效率高的恒包络调制技术 。 v一个跳频系统具有一定的安全保证。 7.4.2 码分多址（CDMA） v所有用户使用同一载 频，并且可以同时发 射。 v发送端伪随机编码调 制和接收端相关处理 。 v存在“远近效应”问题 ，一般采用功率控制 来克服。 7.4.2 码分多址（CDMA） v 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） v 与原来的CDMA系统相比，其处理增益低一些。 v 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） v 直接序列扩展频谱信号的中心频率以伪随机方式变化。 v 优点是避免了远近效应问题，但不适合软切换。 7.4.3 混合扩频技术（HSST） 7.4.3.3 时分CDMA（TCDMA） v给不同的小区指定不同的扩频代码； v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； v优点是它避免了远近效应。 7.4.3 混合扩频技术（HSST） 7.4.3.4 时分跳频（TDFH） v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。 v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。 v成倍增加GSM的容量。 7.5 空分多址（SDMA） v 通过控制用户的空间辐射能量来提供多址接入能力 。 v 扇形天线可被看作是SDMA的一个基本方式 。 7.6 分组无线电（PR） v7.6.1 分组无线电协议 v7.6.2 载波检测多址CSMA协议 v7.6.3 预留协议 v7.6.4 分组无线电的截获效应 7.6.1 分组无线电协议 v规一化吞吐量: 7.6.1 分组无线电协议 7.6.1.1 纯ALOHA vALOHA协议是用于数据发射的随机接入协议; v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 v时间被分成相同长度的时隙,它比分组时间长； v每个用户仅在时隙开始处发送，避免部分碰撞； v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 v 在进行发射前监听一下信道，可以获得更高的接入效率; v CSMA协议中，检测延迟和传播延迟是两个重要的参数； v 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 7.6.3 预留协议 7.6.3.1 预留ALOHA v 以时分多址技术为基础的一个分组接入模式。 v 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。 v 在大业务量时，提供好的吞吐量。 7.6.3.2 分组预留多址（PRMA v 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。 v 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 v分组无线电多址技术是以在同一信道内的竞争为基础的 ； v在使用调频或扩频调制时，会产生发射机的屏蔽问题； v截获效应有优点也有缺点。 v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。 v不同通信类型应该使用的多址技术： 7.7 蜂窝系统的容量 v7.7.1 蜂窝CDMA容量 v7.7.2 多小区CDMA的容量 v7.7.3 SDMA容量 v7.7.4 矢量量化 7.7 蜂窝系统的容量 v 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。 v 无线信道容量是一个衡量无线系统频谱效率的参数。 v 这一参数取决于于所需的波载干扰比（C/I）和信道带宽Bc 。 v 反向信道干扰：来自周围小区的用户产生的干扰。 v 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。 v 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， 7.7 蜂窝系统的容量 7.7 蜂窝系统的容量 v 采用上图所示的蜂窝结构时， v 在小区边缘处，即d0=R时产生最大干扰。 v (C/I)min是接收机正常工作所需要的最小C/I。 7.7 蜂窝系统的容量 7.7 蜂窝系统的容量 v 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。 7.7 蜂窝系统的容量 v 系统，TDMA系统把容量提高了3到6 倍。 v (C/I)min在窄带数字系统中为12dB，模拟FM系统中为18dB 。 v 在一数字式蜂窝系统中，C/I可以表示为： v 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： v 在TDMA系统中,C=EbRb，I=I0Bc，I0表示每赫兹的干扰功率 。 v 相对于模拟蜂窝无线，TDMA系统把容量提高了3到6 倍。 7.7 蜂窝系统的容量 7.7.1 蜂窝CDMA容量 v CDMA系统的容量是干扰受限的，而在FDMA和TDMA中 是带宽受限的。 v 干扰的减少将导致CDMA容量的直接增加。 v 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。 v 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。 v 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： 7.7.1 蜂窝CDMA容量 v 基站接收机处的SNR可用Eb/N0表示： v 能够接入此系统的用户数可表示为： v 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： 7.7.2 多小区CDMA的容量 v 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 。 v CDMA反向链路的f： v 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。 v 一个特定小区中的变量Nai可用标准统计技术计算。 v 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。 7.7.2 多小区CDMA的容量 7.7.2 多小区CDMA的容量 7.7.2 多小区CDMA的容量 v 中心小区的面积： v 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 v 第i层的面积可以表示为： v 相邻干扰小区与目的小区的面积相同。 v 同一层内每个小区到目的小区的半径相同。 v 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。 7.7.2 多小区CDMA的容量 v 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。 v 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中心分 配用户。 v 假设用户密度为K， v 对于要处理U=KA个用户的第一层中的每一个小区，有 v 特定几何形状不会严重影响预测（用户数和覆盖面积）。 7.7.2 多小区CDMA的容量 vUsing concentric circle geometry to find CDMA capacti