多址接入技术及系统容量比较..ppt

第六章多址接入技术 主讲人 刘劲 主要内容 6 1频分多址接入技术6 2时分多址接入技术6 3码分多址接入技术6 4系统容量比较 概述 问题 什么是多址接入 1 定义多址接入或称多址联接是多用户无线通信网中按用户地址进行联接的问题 简单地讲 就是两个或多个用户希望利用同一个传播信道同时相互通信的一种信号传输方式 2 要求多址接入方案允许多个移动用户同时共享有限的无线频谱 好的频谱共享方案能够通过为多个用户分配有效的带宽 或者有效的信道 来获得高的系统容量 对于高质量的通信 提高系统容量的同时 必须保证不会导致系统性能的下降 多址接入技术分类 频分多址fdma 时分多址tdma 码分多址cdma 概述 多址还要考虑到双工的方式1 fdd 收发频率分开 接收和发送通过滤波器来完成 特点 合理安排频率 适用于为每个用户提供单独无线频段的无线通信系统 2 tdd 收发共用一个频率 接收和发送通过开关来完成 特点 收发存在时间间隔 通常只在无绳电话或短距离便携接入系统中使用 概述 双工方式和多址方式统一考虑依据分配给用户的有效带宽的大小 可以把这些技术分为窄带系统和宽带系统 窄带系统 fdma fdd tdma fdd tdma tdd宽带系统 tdma cdma fdd tdd 概述 蜂窝移动通信系统 多址接入技术 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 pdc tdma fdd 无绳电话 ct2 fdma tdd 美国窄带扩频 is 95 cdma fdd w cdmacdma fdd cdma2000cdma fdd cdma tdd cdma tdd 概述 返回 6 1频分多址 一 fdma的概念1 频分多址为每一个用户分配了特定信道 在呼叫的整个过程中 其他用户不能共享这一频段 2 在fdd系统中 分配给用户一个信道 即一对频段 分别用作前向信道和反向信道 3 技术特点fdma的信道载波每次只能传送一个电话 如果一个已经分配的fdma信道没有使用 即空闲 但不能由其他用户使用来增加或共享系统容量 浪费 信道带宽相对较窄 如amps 30khz 通常为窄带系统 不间断发送模式 系统额外开销少 如同步 系统简单 但需要使用双工器 同时需要精确的射频带通滤波器消除相邻信道的干扰和基站的杂散辐射 信道非线性是fdma系统的主要问题 6 1频分多址 二 fdma的非线性效应由于发射机功率放大器的非线性 会产生 1 频谱展宽 单载波的发送信号经过非线性信道 会产生频谱展宽 并将对相邻信道造成干扰 2 信号抑制 多载波的发送信号经过非线性信道 会产生大信号抑制小信号的现象 影响通道效果 3 交调噪声 多载波的发送信号经过非线性信道 在发送信号频率以外会产生交调噪声 并将对其它的业务信道噪声干扰 6 1频分多址 例 im mf1 nf2 m n为任意整数 如 f1 1930mhz f2 1932mhz 求落在工作频率为1920 1940mhz的交调频率 解 可能的频率有 2n 1 f1 2nf2 2n 2 f1 2n 1 f2 等等 n 0 1 2 6 1频分多址 三 高级移动电话系统ampsfdma fdd 模拟窄带调频 nbfm 按需分配频率 系统同时支持的信道数 n bt 2bguard bc其中 bt是系统带宽 bguard是在分配频谱时的保护带宽 bc是信道带宽 6 1频分多址 例 如果为一家美国amps蜂窝系统运营商的每个单工波段分配了12 5mhz 并且如果bguard为10khz bc为30khz 求fdma系统中的有效信道数 解 系统的有效信道数n bt 2bguard bc将数据代入可得n 416个该运营商有416个信道 6 1频分多址 返回 6 2时分多址 一 tdma特点1 时分多址把无线频谱按时隙划分 每个时隙仅允许一个用户 或接收 或发送 2 每个用户占用一个周期性重复的时隙 因此可以把一个信道看做是每一个帧都会出现的特定时隙 3 采用缓存 突发法发射数据 对于任何用户而言发射都是不连续的 二 fdma tdma信道分配 6 2时分多址 用户在时隙3频带2 三 tdma的帧结构 尾比特 同步比特 gsm帧结构 1帧 8时隙 四 tdma的技术特点 多用户共享一个载波频率 且每个用户使用互不重叠的时隙 每一帧的时隙数取决于有效带宽和调制技术等 数据分组发送 不连续发送 需开关 电池消耗低 由于速率较高 往往需要采用均衡器 使用不同时隙进行发射与接收 不需要双工器 系统开销大 包括保护时隙 同步时隙等等 采用时隙重新分配的方法 为用户提供所需要的带宽 五 tdma的效率 1 系统效率 在发射的数据中信息比特所占的百分比 不包括为接入模式而提供的系统开销 2 帧效率 发射数据比特在每一帧中所占的百分比 例1 如果gsm使用每帧包含8个时隙的帧结构 且每时隙包含156 25比特 在信道中数据的发送速率为270 833kb s 求 a 一个比特的时长 b 一个时隙的时长 c 一个帧的时长 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 tb 1 270 833kb s 3 692微秒 b tslot 156 25 tb 0 577ms c tf 8 tslot 4 615ms d 用户须等待4 615ms才能进行下一次发射 五 tdma的效率 例2 如果一个标准的gsm时隙由6个尾比特 2个同步比特 8 25个保护比特 26个训练比特和2组业务突发组成 其中每一个业务突发由57个比特组成 求帧效率 解 一个时隙有6 8 25 26 2 58 156 25bit一个帧有8 156 25 1250bit每帧的系统开销为 6 8 25 26 8 322bit所以 帧效率为 1250 322 1250 100 74 24 五 tdma的效率 六 tdma系统的信道数 总的信道数 总的tdma时隙数 即每个信道的tdma时隙数乘以有效信道数 n m btot 2bguard bcm为每个无线信道所能支持的最大tdma用户数 btot为总的带宽 bguard为保护带宽 bc为用户带宽 例3 gsm系统是一个前向链路带宽为25mhz的tdma fdd系统 一个信道200khz 可支持8个语音信道 未设保护带宽 求gsm中包含的同时工作的用户数 解 btot 25mhz bc 200khz m 8个 n 8 25mhz 200khz 1000个 六 tdma系统的信道数 6 3码分多址 一 cdma的基本特点 1 码分多址是基于码型分割信道的 在cdma方式中 不同用户传输信息所用的信号不是频率不同或时隙不同 而是用各不相同的编码序列来区分 从时域或频域来观察 多个cdma信号是互相重叠的 2 接收端 接收机用相关器从多个cdma信号中选出其中使用预定码型的信道 而其他使用不同码型的信号不能被解调 3 码分多址是以扩频通信技术为基础的 6 3码分多址 二 扩频通信 1 定义 扩展频谱 ss spreadspectrum 通信简称扩频通信 是一种信息传输方式 在发端采用扩频码调制 使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的带宽 在收端采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传信息数据 含义 信号的频谱被展宽了 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱 在接收端用相关解调 或相干解调 来解扩 6 3码分多址 2 扩频通信的理论基础 长期以来 人们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄 以充分利用十分宝贵的频谱资源 为什么要展宽信号的频谱 用宽频带信号来传输窄带信息呢 6 3码分多址 香农 shannon 公式 原意 在给定信号功率和白噪声功率n的情况下 只要采用某种编码系统 就能以任意小的差错概率 以接近于c的传输速率来传送信号 暗示 在保持信息传输速率c不变的条件下 可以用不同频带宽度b和信噪比来传输信息 如果增加信号频带宽度 就可以在较低的信噪比条件下以任意小的差错概率来传输信息 信号频带宽度 信号平均功率与噪声平均功率 信道容量 b s 6 3码分多址 科捷尔尼可夫在其潜在抗干扰性理论中得到的关于信息传输差错概率的公式 同样可以推断出 增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处 综上所述 将信息带宽扩展100倍 甚至用1000倍以上的宽带信号来传输信息 就是为了提高通信的抗干扰能力 即在强干扰条件下保证可靠安全地通信 这就是扩频通信的基本思想和理论依据 6 3码分多址 3 处理增益与抗干扰容限 理论分析表明 各种扩频系统的抗干扰能力大体上与扩频信号带宽b与信息带宽bm之比成正比 即gp b bm gp称作扩频系统的处理增益 表示了扩频系统信噪比改善的程度 是扩频系统的一个重要性能指标 抗干扰容限mj mj gp s n o ls 如一个扩频系统的gp为30db s n o为10db ls为2db 则mj为18db 表明干扰功率超过信号功率18db时 系统就不能正常工作 而在二者之差不大于18db时 系统能正常工作 即信号在一定的噪声湮没下仍能正常通信 系统损耗 6 3码分多址 4 扩频通信的主要特点 1 抗干扰能力强能将淹没在噪声中的信号恢复出来 能抑制单频及多频载波信号的干扰 其它伪随机调制信号的干扰 以及脉冲正弦信号的干扰等 在对抗敌方人为干扰方面 效果很突出 举例 如果信号频带展宽1000倍 30db 干扰方需要在更宽的频带上去进行干扰 分散了干扰功率 在总功率不变的条件下 其干扰强度只有原来的1 1000 而要保持原有干扰强度 则必须使功率增加为原来的1000倍 这在实际情况下是难以实现的 6 3码分多址 2 隐蔽性好扩频信号具有很低的被截获概率 这点在军事通信上十分有用 即可进行隐蔽通信 扩频信号对目前广泛使用的各种窄带通信系统的干扰很小 4 扩频通信的主要特点 6 3码分多址 3 可以实现码分多址用正交或准正交的扩频码序列调制信号 在接收端利用相关检测技术进行解扩 则多用户可共用传输的宽频带 即实现码分多址 频带利用率高 系统容量大 cdma系统的容量是amps系统的40倍 gsm的4倍 4 扩频通信的主要特点 6 3码分多址 4 抗衰落 抗多径干扰在频域上看 多径效应会产生频率选择性衰落 信号扩频后频谱被展宽 在传输过程中小部分频谱衰落时 不会造成信号的严重畸变 因此 扩频系统具有潜在的抗选择性衰落的能力 4 扩频通信的主要特点 6 3码分多址 5 数字信号扩频原理 f0 1 t0 周期性矩形脉冲序列的波形与频谱 6 3码分多址 周期性矩形脉冲序列的波形与频谱 f0 1 t0 5 数字信号扩频原理 6 3码分多址 扩频通信系统举例 多址技术 6 扩频通信系统类型 根据扩展频谱的方式不同 目前的扩频通信系统可分为 直接序列扩频 跳频 跳时等等 6 3码分多址 1 跳频 fh fh frequencyhopping用一定码序列进行选择的多频率频移键控 也就是说 用扩频码序列去进行频移键控调制 使载波频率不断地跳变 所以称为跳频 简单的频移键控如2fsk 只有两个频率 分别代表传号和空号 而跳频系统有几个 几十个 甚至上千个频率 由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制 不断跳变 6 3码分多址 1 跳频 fh 6 3码分多址 2 跳时 th th timehopping与跳频类似 跳时是使发射信号在时间轴上跳变 我们先将时间轴分成许多时间片 在一帧内哪个时间片发射信号由扩频码序列去进行控制 因此 可以把跳时理解为 用一定码序列进行选择的多时片的时移键控 由于采用了窄得多的时间片发送信号 故信号的频谱展宽了 6 3码分多址 2 跳时 th 6 3码分多址 3 直接序列 ds 扩频ds directsequency直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱 在收端用相同的扩频码序列去进行解扩 把展宽的扩频信号还原成原始信号 6 3码分多址 a 直扩通信系统的组成与原理 tb tp 伪随机序列 扩频处理增益gp 10log tb tp 在tb一定的情况下 若伪码速率越高 亦即伪码宽度tp越窄 则扩频处理增益越大 a 直扩通信系统的组成与原理 b 直扩系统主要特性分析 抗干扰性 直扩系统对窄带干扰 宽带干扰等 都具有抗干扰能力 其抗干扰能力大小就是前面提出的扩频处理增益gp gp越大 抗干扰能力越强 抗干扰性 抗宽带干扰 b 直扩系统主要特性分析 功率频谱 fc 有用信号 窄带干扰信号 功率频谱 干扰信号 有用信号 fi 抗干扰性 抗窄带干扰 b 直扩系统主要特性分析 容易实现保密通信 b 直扩系统主要特性分析 1 实现码分多址的三个条件 要有数量足够多 相关性能足够好的地址码 使系统能通过不同的地址码建立足够多的信道 所谓好的相关性 是指有强的自相关性和弱的互相关性 必须用地址码对发射信号进行扩频调制 并使发送的已调波频谱极大地展宽 几百倍 功率谱密度降低 在接收端 必须具有与发送端完全一致的本地地址码 用其对收到的全部信号进行相关检测 从中选出所需要的信号 三 码分多址 2 码序列的相关性 在信息传输中 各种信号之间的差异性越大越好 这样任意两个信号不容易混淆 也就是说 相互之间不易发生干扰 不会发生误判 理想的传输信息的信号形式应是类似白噪声的随机信号 因为取任何时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似 若能用它们代表两种信号 其差别性就最大 换句话说 为了实现选址通信 信号间必须正交或准正交 例 两条直线垂直称为正交 同一载波相位差为90度的两个波形也正交 自相关 表示信号与它自身相移以后的自相似性随机信号的自相关函数 2 码序列的相关性 1 自相关 表示信号与它自身相移以后的自相似性码序列的自相关 例 序列111100010011010的自相关函数 2 码序列的相关性 2 互相关 表示两个不同码序列之间的相关性 在码分多址中 希望采用互相关小的码序列 理想情况下希望r x y 0 即两个码序列完全正交 例 码长为4的4组正交码的波形 2 码序列的相关性 一种常用的地址码 pn码 伪随机码 伪 周期序列 随机性逼近噪声或随机序列 各种码序列可通过移位寄存器产生 移位寄存器 模2加法器 1110010 3 地址码的产生 移位寄存器输出的序列具有周期性 状态变化周期重复 由n级移位寄存器可产生的序列最长周期为2n 1即周期为p 2n 1 111 011 001 100 010 101 110 000 3 地址码的产生 1 m序列 最典型的pn码是m序列 即最长线性移位寄存器序列 m序列在cdma中有广泛的应用 m序列是由多级移位寄存器通过线性反馈产生的最长的码序列 它的周期p必须满足p 2n 1 m序列的特性 随机性码元为 1 的数目和码元为 0 的数目之相差1个 例 级数n 3 码长p 8 1 7时 产生m序列1010011 其中4个 1 3个 0 1 m序列 自相关性m序列与逐位移位后序列相似性的度量 互相关性两个不同m序列之