移动通信多址接入技术.ppt

5 2 MultipleAccessTechnique 多址接入技术 多址接入技术 是解决在无线通信网中 使许多移动用户同时共享有限频谱的技术 频分多址时分多址码分多址FDMATDMACDMA 三种主要接入方式 信道1 信道2 信道N 信道1 信道2 信道N 时间 频率 频率间隔 在频分多址 FDMA 系统中不同信道占用不同带宽 代码 FDMA示意图 在时分多址中不同信道占用一个周期性重复的时隙 频率 TDMA示意图 在码分多址 CDMA 中 指定给每个用户一个唯一的PN代码 而且与其他用户代码正交 CDMA示意图 FDMA是将给定的频谱资源划分为不同频道分配给每一个用户使用 TDMA将无线频谱按时隙划分 分配给不同用户 以信号波形 代码序列 不同区分不同用户称作CDMA连接 通常是将双工技术 FDD和TDD 与特定的FDMA TDMA和CDMA多址方式共同使用 反向信道 前向信道 频率 时间 反向信道 前向信道 频率分隔 时间分隔 a FDD在同一时间提供两个单工信道 b TDD在同一频率提供两个单工时隙 例如 FDMA FDD系统TDMA FDD系统 分配给用户一对频道 而在TDMA TDD系统中 分配给用户一个信道 在帧信息中 时隙的一半用于前向链路 另一半用于反向链路 收发使用相同的频率 如P131图5 2所示 前向信道和后向信道 图5 2TDMA示意图 P131图5 2TDMA示意图 除了FDMA TDMA和CDMA 还有两种多址模式 空分多址 SDMA 分组无线电 PR 空分多址 是通过空间的分割来区分不同用户 采用阵列天线在不同用户方向上形成不同的波束来实现 图5 6空分多址示意图1 空分多址示意图2 分组无线电 PacketRadio 分组无线电 PR 接入技术 使许多用户用一种分散的的方式接入信道 基站一旦检测出由于多个发射机同时发射而产生碰撞 就会发射 ACK 确认 或NACK 否定确认 正在发射的移动用户监听确认反馈来判定发射是否成功 如果发生碰撞 稍后再重发 分组无线多址容易实现 用户使用竞争技术在一共用信道上发射 其优点是服务大量用户数时 开销很少 缺点是效率较低并且可能导致延迟 本章主要介绍前面三种多址接入技术 下表列出各种无线通信系统中正在使用的不同的多址接入技术 无线电信号可以表示为 即要求各信号特征彼此独立 或者正交 也即任意两个信号之间互相关函数为0 或接近于0 S c f t 是码型 频率和时间的函数 多址技术是利用信号参量的正交性来区分无线电信号的 1 FDMA 物理意义 频域里频道相互不重叠 2 TDMA 时域里时隙相互不重叠 3 CDMA 码型轴上码型Ci相互不重叠 FDMA系统按不同频道区分用户 收发双方各使用一个信道 收发频率间隔必须大于一定数值 通常采用频分双工 FDD 实现双工通信 5 2 1频分多址 FDMA f1f2f3 fn F1F2Fn B保护 FDMA频道划分 FDMA FDD系统工作示意图 F1f1 F2f2 F3f3 FDMA特点 FDMA每个频道只传送一路电话 连续传输 一旦给移动台分配了频道 移动台和基站同时连续不断发射 信道带宽较窄 30kHz 即FDMA通常使用窄带系统 传输速率低 码元持续时间较长 与平均延迟扩展相比很大 这意味着码间干扰低 不需要均衡 与TDMA相比 FDMA系统简单的多 例如不需要同步和组帧比特 基站共用设备成本高 因为每路载波单路设计 例如100个频道 需要100套收发设备以及带通滤波器滤除杂波干扰 移动台需要双工器 增加了费用 需要精确的RF滤波器消除邻频干扰 如何实现信道共用是FDMA系统设计应考虑的 假如一个基站有n个信道 信道复用后 有可能发生所有信道均被占用 而新的呼叫不能接通的情况 发生这种情况的概率有多大 指允许大量用户在一个小区内共享有限的信道 即从可用信道中按需给用户分配信道 1 中继的概念 中继理论的基本原理是19世纪末丹麦数学家爱尔兰 Erlang 提出来的 他致力于研究怎样由有限的能力为大量的用户服务 现在以他的名字作为话务量强度单位 一个爱尔兰 Erlang 表示一个完全被占用的信道的话务量强度 即 单位小时的呼叫小时 呼叫小时 小时 0 5Erlang 1Erlang 或单位分钟的呼叫分钟 呼叫分钟 分钟 例如 一个在一小时内被占用了30分钟 60分钟 的信道的话务量为 2 话务量A c 有n个信道的系统 每个信道平均产生的话务量 b 有U个用户的系统产生的总话务量 a 每个用户的话务量强度等于呼叫请求速率乘以保持时间 例5 1 某系统有50个用户 每个用户平均每小时发出2次呼叫 每次呼叫平均保持3分钟 则每个用户的话务量 它表示系统中平均每个用户每小时占用信道的时间为0 1小时 系统总话务量 表示50个用户在系统中产生的话务量为5爱尔兰 3 完成话务量的性质与计算 设在观察时间T小时内 全网共完成C1次通话 则每小时完成的呼叫次数为 完成话务量即为 C1S为观察时间T小时内的实际通话时间 若总的信道数为n 而在观察时间T内有i i n 个信道同时被占用的时间为ti ti T 那么可以算出实际通话时间为 5 7 当观察时间T足够长 ti T就表示在总的n个信道中 有i个信道同时被占用的概率 可用Pi表示 式 5 7 就可改写为 例如 某通信网共有8个信道 从上午8时至10时共两个小时的观察时间内 统计出i个信道同时被占用的时间 小时数 如表5 1所示 表5 1 利用 5 7 式 有 爱尔兰 这说明在总共8个信道中 在2小时的观察时间内平均有3 5个信道同时被占用 每信道每小时的平均被占用时间为3 5 8 0 4375小时 因为一个信道的最大可容纳的话务量是1爱尔兰 因此它的平均信道利用率就是43 75 其中为完成话务量 式中看出 呼损率B 呼叫成功率 用户越满意 4 呼损率B 损失话务量占流入话务量的比率 B也称作服务等级GOS GradeofService 但若B 系统流入话务量A 系统容量 用户数 U 呼损率的计算 对于有N个信道的共用系统 爱尔兰呼损公式为 5 9 5 9 式工程上非常实用 公式推导虽然复杂 但ErlangB公式以下图的形式给出 系统话务量A标在底部 呼损率B为纵坐标 由A和B很容易求出第三个参数 在给定呼损率B情况下 用式 5 9 可算出n个信道的流入话务量A 在给定流入话务量A情况下 由式 5 9 可算出为达到服务等级B 小区应取的共用信道数n 呼损率不同情况下 信道的利用率也是不同的 信道利用率 可用每小时每信道的完成话务量来计算 即 表5 2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系 表5 2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系 续 5 用户忙时的话务量与用户数 每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的 网络设计应按最忙时的话务量来进行计算 最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数 用k表示 一般k 10 15 每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定 设通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C 次 天 每次呼叫的平均占用信道时间为T 秒 次 集中系数为k 则每用户的忙时话务量为 例如 C 3 次 天 T 120 秒 次 k 10 则用上式可算得a 0 01 爱尔兰 用户 国外资料表明 公用移动通信网可按a 0 01设计 专业移动通信网可按a 0 05设计 由于电话使用的习惯不同 国内的用户忙时话务量一般会超过上述数据不少 建议公用移动通信网按a 0 02 0 03设计 专业移动通信网按a 0 08设计 全网的用户数为m n 表5 3用户数的计算 以a 0 01 爱尔兰 用户 计算出每信道的用户数如表5 3所示 在a值不同时 则需另行计算 例5 2有200万人口的市区 三个相互竞争的系统A B C提供蜂窝服务 系统A中有19个信道的小区394个 系统B中有57个信道的小区98 系统C中有100个信道的小区49个 阻塞概率为2 每个用户每小时平均打2个电话 每个电话平均通话时间为3分钟 求 系统所能支持的用户数 假设所有三个系统都以最大容量工作 计算每个系统的市场占有百分比 解系统A 已知 阻塞概率 2 0 02系统中每个小区所用的信道数 C 19每个用户的话务量强度对于GOS 0 02 C 19 从图可得所承载的总话务量为12Erlang 因此 每个小区所能支持的用户数为 因为共有394个小区 系统A所能支持目120 x394 47280个 系统B 已知 阻塞概率 2 0 02系统中每个小区所用的信道数 C 57每个用户的话务量强度对于GOS 0 02 C 57 从图可得所承载的总话务量为45Erlang 因此 每个小区所能支持的用户数为 因为共有98个小区 系统B所能支持目450 x98 44100个 系统C 已知 阻塞概率 2 0 02系统中每个小区所用的信道数 C 100每个用户的话务量强度对于GOS 0 02 C 100 从图可得所承载的总话务量为88Erlang 因此 每个小区所能支持的用户数为 因为共有49个小区 系统C所能支持目880 x49 44100个 因此 这三个系统所能支持的蜂窝用户总数为47280 44100 43120 134500个 因为在这市区内共有200万住户 系统A的蜂窝用户总数为47280个 市场百分比为 47280 2000000 2 36 类似的 系统B的市场百分比为 44100 2000000 2 205 系统C的市场百分比为 43120 200000D 2 156 这三个系统综合的市场百分比为 134500 2000000 6 725 例5 3某个城市面积为1300平方公里 由一个使用7小区复用模式的蜂窝系统覆盖 每个小区的半径为4公里 该城市共有40MHz的频谱 使用带宽为60kHz的双向信道 假设系统的GOS 呼损率B 为2 如每个用户提供的话务量为0 03Erlang 计算 a 服务区域内的小区数Nc b 每个小区的信道数n c 每个小区的话务量强度Ac d 所承载的最大话务量AM e 所能服务的用户总数U f 每个信道的移动台数M g 理论上系统能服务的最大用户数UM 解 已知 城市面积1300平方公里 7小区模式 小区半径R 4公里 总带宽40MHz 每个用户产生的话务量Au 0 03Erlang a 已知 一个小区 六边形 的面积为2 5981R2 因此每个小区覆盖215981x42 41 57平方英里因此 小区总数为1300 41057 31个 b 每个小区的信道总数n 总频带宽 信道带宽x频率复用因子 40OOOOOO 60000 x7 95信道 小区 c 已知 n 95 GOS O 02 从图可得 每小区的话务量强度 84Erlang 小区 d 所承载的最大活务量 小区数x每小区的话务量强度 3lx84 2604Erlang e 已知每小区话务量 0 03Erlang总用户数 总活务量 每个用户的话务量 2604 O 03 86800个 f 每个信道的移动台数 用户数 信道数 86800 666 130栘动台 信道 p 理论上所能服务的最大移动台数为系统中的可用信道数 所有信道都占用 nxNc 95x3l 2945个 占顾客数的3 4 6 空闲信道的选取 移动通信网中 每个用户发起呼叫时 从n个共用信道中选取一个空闲信道 一般有两种方式 专用呼叫信道方式 标明空闲信道方式 系统中设置专用呼叫信道 用于处理呼叫请求 移动台不通话时在呼叫信道上守候 发起呼叫时 通过RCC发起呼叫 通过FCC指定空闲信道 移动台 基站 移动台通话结束后自动返回专用信道守候 专用呼叫信道方式 专用呼叫信道方式优点 处理呼叫速度快 但占用专门呼叫信道 信道利用率低 适合大容量系统 900MHz蜂窝移动电话采用此种方式 分为 循环定位方式循环不定位方式循环分散定位方式 标明空闲信道方式 A 循环定位 不设置专门呼叫信道 所有信道呼叫和通话同时进行 基站发出空闲信号 所有移动台自动扫描信道 移动台一旦在某信道收到空闲信号 就定位在该信道通话 有空闲标志的信道只有一个 优点 所有信道都可用于通话 信道利用率高 主呼 被呼在同一信道 处理呼叫快 但多个用户发起同时呼叫的同抢概率大 适合小容量系统 由BS临时指定一个信道做呼叫信道 并在该临时呼叫信道上发空闲信号 平时所有未通话的移动台都自动对全部信道进行扫描搜索 一旦在某个信道上收到空闲信号 就停留在该信道上 因此在平时 所有移动台都集中守候在临时呼叫信道上 当某个用户叫通后 就在此信道上通话 此时 基站要另选一个空闲信道作为临时呼叫信道发空闲信号 于是所有未通话的移动台接收机都自动转到新的临时呼叫信道上守候 定位 只适合小容量系统 B 循环不定位 为减少同抢概率 循环扫描不定位 由于移动台对信道扫描顺序不同 避免了同抢呼叫 但移动台主叫时先搜索空闲信道 循环扫描时不能接收信号 处理呼叫速度稍慢 移动台 基站 基站必须在空闲信道上先发出保持信号 等待移动台搜寻并锁定 所有空闲信道都有空闲标志 基站在所有不通话的空闲信道上都发出空闲信号 网内移动台自动扫描空闲信道 并随机地停靠在就近的空闲信道上 不定位 当基站呼叫移动台时 必须选择一个空闲信道先发出时间足够长的召集信号 其他空闲信道停发空闲信号 而后再发出选呼信号 网内移动台由于收不到空闲信号重新进入扫描状态 一旦扫到召集信号就停在该信道上等候被呼 一旦发现自己未被呼中 重新处于不停的信道扫描状态 缺点 移动台被呼的接续时间比较长 只适合小容量系统 C 循环分散定位方式 网内移动台分散停靠在各个空闲信道上 移动台主呼是在各自停靠的空闲信道上进行的 保留了循环不定位方式的优点 基站在全部不通话的空闲信道上都发空闲信号 基站呼叫移动台时 其呼叫信号在所有的空闲信道上发出 并等待应答信号 从而提高了接续的速度 优点 接续快 效率高 同抢概率小 缺点 当基站呼叫移动台时 必须在所有空闲信道上同时发出选呼信号 因而互调干扰比较严重 只适合小容量系统 TimeDivisionMultipleAccess 如图P187图5 2所示 把时间分割成周期性的帧 每一帧再分割成若干个时隙 5 2 2时分多址 FDMA TDMA FDD系统工作原理 图5 2TDMA示意图 TDMA中不同信道占用一个周期性重复的时隙 工作方式 频分双工FDD上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上 时分双工TDD TimeDivisionDuplex 上行链路和下行链路的帧分别在相同的频率上 TDD方式的TDMA 信道N 移动台发基站收Uplink 基站发移动台收Downlink 时隙 时间 功率 频率 图5 3典型的时隙结构 TDMA时隙结构 时帧结构 时分多址系统把无线频谱按时隙 Slot 划分 每个时隙允许一个用户发射或接收 若干时隙再构成一个时帧 Frame 特超帧 HF 2048超帧 2715648帧 3h28min53s 760ms 1超帧 SF 51复帧 MF 26控制帧 CF 6 12s 1326帧 1业务复帧 26帧 120ms 1控制复帧 51帧 235 4ms 1帧 8时隙 4 615ms GSM蜂窝窄带系统各类帧格式 移动台 基站 在每帧内只在指定的时隙向基站发送信号 在定时和同步条件下 基站接收到各移动台的信号而互不干扰 发向各移动台的信号都按顺序在预定的时隙中传输 各移动台只要在指定的时隙内接收 就能区分各路信号 控制信令的传输同步抗多径干扰 TDMA系统涉及主要应考虑的问题 措施在每个时隙中专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输 在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列 在每个时隙中留出一定的保护间隔 在每个时隙中传输同步序列 同步序列和训练序列可分开传输 也可合二为一 例5 4如果GSM使用每帧包含8个时隙的帧结构 每时隙 slot 含有156 25比特 信道中数据率为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 一比特时长 b 一时隙长 c 帧长 d 用户必须等待4 615ms在新一帧到来之后才可进行下一次发射 TDMA使几个用户共享一个载波频率 每个用户利用不同时隙 数据传送不连续 采用分组发送 因而电池消耗低 切换容易 TDMA系统必须有精确的定时和同步 TDMA系统可动态分配时隙 因为每个人的讲话时间不足40 有话音时分配时隙 无话音时不分配时隙 有利于提高系统容量 TDMA的特点 5 2 3码分多址 CDMA CodeDivisionMultipleAccess 在码分多址通信系统中 不同用户传输信息是用不同的编码序列来区分 或者说靠信号的不同波形来区分 如果从频域或时域来观察 多个信号是相互重叠的 接收机用相关器可以在多个信号中选出其中使用预定码型的信号 其他不同码型 波形 的信号不能被解调 接收机将它们视为噪声处理 CDMA以扩频信号为基础 扩频信号是一种用伪随机序列调制的宽带信号 常用的有两种 跳频 FrequencyHopping FH 信号直接扩频序列 DirectSequence DS CDMA采用频分双工 FDD 模式 即正向传输和反向传输各使用一个频率 1 FH CDMA 各用户调制信号的中心频率随所使用的伪随机 PN 序列跳变 各频率序列要求相互正交 并且在任一时刻都不相同 如P189图5 4 a 所示 频率 时间 各用户中心频率随机改变 但在任一时刻都不相同 FH CDMA示意图注 图中不同颜色代表不同用户使用的频率 f0f1Bfn 2 DS CDMA 各用户工作在相同的中心频率上 输入数据序列与伪随机 PN 序列相乘的带宽信号 不同用户使用不同的PN序列 PN序列相互正交 DS CDMA系统利用PN序列来区分不同用户 如P189图5 4 b 所示 各用户中心频率相同 但在PN码不相同 3 混合码分多址 混合码分多址的形式有多种多样 如FDMA和DS CDMA混合 TDMA与DS CDMA混合 TD CDMA TDMA与跳频混合 TDMA FH FH CDMA与DS CDMA混合