移动通信中的多址接入技术.ppt

共52页,1,移动通信原理与应用,第七章 移动通信中的多址接入技术,共52页,2,主要内容,概述 FDMA方式 TDMA方式 CDMA方式 SDMA方式 系统容量 习题,共52页,3,重点和难点,掌握多址接人的基本概念和多址接入方式； 掌握FDMA技术的原理及系统的特点，了解FDMA系统中的干扰问题； 掌握TDMA技术的原理及系统的特点，熟悉TDMA的帧结构，了解TDMA系统的同步与定时； 掌握CDMA技术的原理及系统的特点，熟悉正交Walsh函数、m序列、Gold序列； 了解空分多址（SDMA）技术的原理； 掌握系统容量的定义，熟悉FDMA, TDMA和CDMA系统容量的分析与比较。,共52页,4,问题描述： 移动通信系统中基站的多路工作和移动台单路工作形成了移动通信的一大特点。 1)基站以怎样的信号传输方式发送信号，使各移动台能从中识别发送给本移动台的信号？（下行） 2)基站如何识别来自各个不同移动台的信号？（上行） 3）移动台之间或移动台与市话用户之间是通过基站同时建立各自的信道（多址连接）,7.1 概述,共52页,5,7.1 概述,多址概念： 以信道区分通信对象，一个信道只容纳一个用户进行通话，不同的用户同时进行通话，互相以信道来区分。 多址接入： 如何建立用户之间的无线信道的连接。 多址方式是移动通信网体制范畴，关系到系统容量，小区构成，频谱和信道利用效率以及系统复杂性。,共52页,6,7.1 概述,多址接入的数学基础 s(c,f,t)=c(t)s(f,t) 正交分割原理 c1(t), c2(t),., cN(t), CDMA s(f1,t), s(f2,t),.,s(fN,t), FDMA s(f,t1), s(f,t2),.,s(f,tN), TDMA,码型函数,共52页,7,7.1 概述,基本概念 多址接入与信道 分类 频分多址(FDMA),频道划分,频带独享,时间共享 时分多址(TDMA),时隙划分,时隙独享,频率共享 码分多址(CDMA),码型划分，时隙、频率共享 空分多址(SDMA),空间角度划分,频率/时隙/码共享,共52页,8,SDMA,FDMA,TDMA,CDMA,共52页,9,7.1 概述,频分双工(FDD, Frequency Division Duplex) 时分双工(TDD, Time Division Duplex),共52页,10,双工方式,收发如何复接在一起 频分双工-FDD：上下行信流在不同的频段同时传送。 没有同步问题； 上下行链路信道衰落相互独立； 需用双工器来分离上下行信号。 时分双工-TDD：上下行信流在不同的时隙交替传送。 双工装置简单； 一个方向上的信号传输可用于另一个方向的信道测量； 上下行链路之间的带宽分配灵活； 需要同步，并要考虑收发无线切换的时间； 需保护时隙来防止上下行时隙混叠； 引起额外的延时和缓冲器的开销； 码分双工-CDD：用正交和半正交码来分离上下行链路。 半正交码不能克服“远近效应”； 正交码的正交性在多径信道中被恶化； 在任何现有系统中没被采用过。,共52页,11,7.2 频分多址方式,7.2.1 系统原理 频分多址（Frequency Division Multiple Access- FDMA): 频道划分，频带独享，时间共享,共52页,12,7.2 频分多址方式,共52页,13,7.2 频分多址方式,FDMA系统的频谱管理 FDD, Frequency Division Duplex,.,.,反向信道 保护频带 前向信道,保护频隙,f1 f2 fN f1 f2 fN,共52页,14,7.2 频分多址方式,无线通信系统的多址接入方式,共52页,15,7.2 频分多址方式,7.2.2 FDMA系统中的干扰问题 互调干扰 非线性效应线性度，频率规划 邻道干扰 寄生辐射频道间隔 同频道干扰 同频小区蜂窝结构,共52页,16,7.2 频分多址方式,7.2.3 FDMA系统的特点 1.单路单载波传输：每个频道只传送一路业务信息。载波间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。 2.信号连续传输：在分配好话音信道后，基站和移动台同时连续不断的发送和接收。 3.需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统。 4.实现简单，无需自适应均衡。 5.基站需要多个收发信道设备,越区切换复杂。 6.频率利用率低，容量小。,共52页,17,7.3 时分多址,7.3.1时分多址系统原理 （Time Division Multiple Access- TDMA): 时隙划分，时隙独享，频率共享,共52页,18,7.3 时分多址,GSM系统的帧长为4.6ms（每帧8个时隙），每一个时隙分配给一个用户。,共52页,19,7.3 时分多址,时分复用,各个移动台在上行帧内只能按指定的时隙向基站发送信号。 为了保证在不同传播时延情况下，各移动台到达基站处的信号不会重叠，通常上行时隙内必须有保护间隔，在该间隔内不传送信号。 基站按顺序安排在预定的时隙中向各移动台发送信息。,共52页,20,7.3 时分多址,7.3.2 TDMA的帧结构,保护间隙,共52页,21,7.3 时分多址,TDMA/TDD:,一个帧,共52页,22,7.3 时分多址,TDMA/FDD(GSM):,f,延时3个时隙,共52页,23,7.3 时分多址,GSM手机是没有双工器的： GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同，但上行帧相对于下行帧来说，在时间上推后三个时隙，这样安排，允许移动台在这3个时隙的时间里，进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。,共52页,24,7.3 时分多址,7.3.3 TDMA系统的同步与定时 位同步 针对每个时隙，接收机解调所需 方法（1）用专门的信道传输 （2）插入业务信道中传输 帧同步 针对每个帧，进行复用/解复用所需 方法：在每帧的前面设置一个同步码 同步码的要求： 传输效率高（码短） 同步可靠性、抗干扰强（码长） 建立时间短、错误捕获概率小、同步保持时间长、失步概率小,矛盾,共52页,25,7.3 时分多址,系统定时 避免因定时误差随时间积累引起失步 全网同步，时间基准 主从同步（所有设备，包括手机） 独立时钟同步（基站或大型设备）,共52页,26,7.3 时分多址,7.3.4 TDMA系统的特点 突发传输速率高语音编码速率，NR bit/s； 发射信号速率随N的增大而提高,需要自适应均衡； 不需双工器； 基站复杂性减小，只需一部收发信机； 频率利用率高，容量大 越区切换简单,共52页,27,7.4 码分多址,7.4.1 系统原理 码分多址（Code Division Multiple Access- CDMA): 码形划分，时隙、频率共享,共52页,28,7.4 码分多址,CDMA系统工作原理,共52页,29,7.4 码分多址,共52页,30,7.4 码分多址,7.4.2 正交Walsh函数 Walsh函数波形,共52页,31,7.4 码分多址,7.4.2 正交Walsh函数 递推关系,共52页,32,7.4 码分多址,H8和H8正交,上行链路,下行链路,共52页,33,7.4 码分多址,7.4.2 正交Walsh函数 同步时，Walsh码是完全正交码（自相关函数为1，互相关函数为0） 在非同步情形下，Walsh码的自相关特性和互相关特性很差 Walsh码序列的功率谱分布彼此不均匀; 所以不能单独承担扩频任务，通常采用Walsh码与Gold序列的结合,共52页,34,7.4 码分多址,7.4.3 m序列伪随机码：生成 m序列是最长线性移位寄存器序列的简称； m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2n-1位。,共52页,35,7.4 码分多址,7.4.3 m序列伪随机码：产生电路,共52页,36,7.4 码分多址,7.4.3 m序列伪随机码：性质 在m序列中一个周期内“1”的数目比“0”的数目多 l位; 一般说来，m序列中长为k(1 k n 2)的游程数占游程总数的l2k m序列和其位移序列模2加后仍为m序列； m序列发生器中的移位寄存器的各状态中，除全0外，其他状态在一个周期中只能出现一次。,共52页,37,7.4 码分多址,7.4.3 m序列伪随机码：自相关和互相关 m序列的自相关函数由下式计算(p = 2n 1): m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m序列。 总结：m序列的自相关性很好，但互相关性不好并为多值，好的m序列数目很少,共52页,38,7.4 码分多址,7.4.3 m序列伪随机码： 自相关性 互相关计算,ai=1110100与bi=1110010 t=0时,ai+ bi=0000110,A=5,D=2,Rc=3/7 t=1时,ai+ bi=1001101,A=3,D=4,Rc=-1/7,共52页,39,7.4 码分多址,7.4.4 Gold序列 R.Gold 于1967年提出的一种基于m序列优选对的码序列; 有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而获得了广泛的应用; 如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件： 称这一对m序列为优选对。,共52页,40,7.4 码分多址,7.4.4 Gold序列:发生电路,共52页,41,7.4 码分多址,7.4.4 Gold序列:特性 相关特性：优良 自相关峰尖锐，互相关函数值-t(n)/P 数量：多，2n+1 周期P=2n-1 平衡性：好 一个周期内，“1”码元个数比“0”码元个数仅多一个 = 平衡调制时抑制载波峰平比 n为奇时,有2n-1+1个;n为偶时,有2n-1+2n-2+1个,共52页,42,7.4 码分多址,7.4.5 CDMA系统的特点 共享频率； 通信容量大； 容量具有软特性； CDMA是一个干扰受限系统，任何降低干扰的方法将增加容量，同时降低QoS要求也将增加容量 减小多径衰落；（频率分集） 平滑的软切换和有效的宏分集 低信号功率谱密度,共52页,43,7.4 码分多址,扩频通信具有很强的干扰抑制的能力，常用扩频增益表示系统的抗干扰能力： Bw为扩频信号带宽； Bs为信息带宽； (C/N)o和(C/N)i为扩频解调器输出和输入载波噪声功率比。,共52页,44,7.4 码分多址,7.4.5 CDMA系统的特点 主要问题有 多址干扰 由不同步用户的扩频序列间不正交性，导致非零互相关系数引起用户间的相互干扰 远近效应 强用户信号对弱用户信号的明显抑制作用 解决方法有 多用户接收机 功率控制 分布式天线系统,共52页,45,7.6 系统容量,定义 在一定的频段内所能提供的最大信道数，或最大用户数，或系统流入话务量总和 与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率复用方式、及基站设置方式有关 无线容量m是衡量无线系统频谱效率的参数 载波干扰功率比C/I和带宽Bc Bt m 信道/小区 BcN Bt系统总频谱， Bc信道带宽，N簇的大小,共52页,46,7.6三种多址方式系统容量比较（一）,FDMA多址方式的系统容量： 以模拟TACS系统为例， 系统总频段带宽：1.25MHz； 频道间隔：25kHz; 信道总数：1.25MHz/25kHz=50; 簇内小区数：N=7; 系统容量：m=50/7=7.1信道/小区。,共52页,47,7.6三种多址方式系统容量比较（二）,TDMA多址方式的系统容量： 以数字GSM系统为例， 系统总频段带宽：1.25MHz； 频道间隔：200kHz; 每载频时隙数：8； 信道总数：1.25MHz/200kHz*8=50; 簇内小区数：N=4; 系统容量：m=50/4=12.5信道/小区。,共52页,48,7.6三种多址方式系统容量比较（三）,CDMA多址方式的系统容量： 由于CDMA系统是一个干扰受限的系统，它的频率复用因子可以为1，对其系统容量的分析更为复杂，我们将简单进行推导。,CDMA的载波干扰比（C/I）： N0为干扰（包括噪声）的功率谱密度；Eb为每比特信号能量； Rb为信息的比特速率；W为总频段宽度。,归一化信噪比,系统的处理增益,共52页,49,7.6三种多址方式系统容量比较（四）,在单小区时，考虑上行链路的容量，假设理想的功率控制（即在上行链路对所有移动台的发射功率进行控制，使到达基站接收机的信号功率均相同），则基站接收机的载波干扰比： Pr为基站接收到的每个移动台的信号功率，m 为同时工作的移动台数。 则最大的一个小区内用户数为：,共52页,50,7.6三种多址方式系统容量比较（五）,CDMA多址方式的系统容量： 以数字IS-95系统为例， 频道带宽：1.25MHz； 声码器速率：9.6kbit/s 要求Eb