第章多址接入PPT课件.ppt

2020 3 19 1 可编辑 第5章多址接入技术 卫星通信 2020 3 19 2 可编辑 概要 5 1双工 复用和多址接入5 2频分多址FDMA5 3时分多址TDMA5 4码分多址CDMA5 5竞争接入方案 2020 3 19 3 可编辑 5 1双工 复用和多址接入 双工 Duplexing 无线通信终端 卫星或地面站无法在同一频率实现同时的收发操作 传送信号会严重地阻塞接收信号双工实现收发操作的分离常见的双工方式包括 频分双工FDD时分双工TDD 2020 3 19 4 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续1 频分双工FDD收发链路使用不同的频段全球星系统的FDD方案如下 用户链路上行 反向 1610 1626 5MHz下行 前向 2483 5 2500MHz馈电链路上行 前向 5091 5250MHz下行 反向 6875 7055MHz 2020 3 19 5 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续2 时分双工 TDD 收发使用相同频率中的不同时隙铱系统用户链路的TDD方案如下 2020 3 19 6 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续3 时分双工 TDD 与FDD相比 TDD的优势为 无需成对的频段 简化频率分配更加适合于动态信道分配卫星无需使用独立的收发天线无需双工器 diplexer 来实现终端天线的收发转换 2020 3 19 7 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续4 时分双工 TDD TDD的主要问题为 收发之间需要一定的保护时间 保护时间通常与信号的延时成正比与FDD相比 信号传输速率需要加倍 这就伴随着2倍的峰值发射功率需要收发之间的同步由于帧结构的存在 TDD会引入延时 2020 3 19 8 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续5 复用 Multiplexing 使得大量信号在同一媒介中同时传输的技术常见的复用方式包括 频分复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing 码分复用CDM CodeDivisionMultiplexing 波分复用WDM WavelengthDivisionMultiplexing 空分复用SDM SpaceDivisionMultiplexing 极化复用PM PolarizationMultiplexing 2020 3 19 9 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续6 频分 时分 码分复用 2020 3 19 10 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续7 波分复用波分复用可视为频分复用在光学领域的等效技术 即在单一光纤内同时传输多个不同波长的载波信号 2020 3 19 11 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续8 空分复用采用自适应定向天线来分离信号的方法极化复用基于不同的线性或圆极化方式来区别无线传输信号的方法 2020 3 19 12 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续9 多址接入多个发射端需要同时向一个接收端传送信号时 多址接入就产生了 2020 3 19 13 可编辑 5 1双工 复用和多址接入续10 2020 3 19 14 可编辑 5 2频分多址FDMA 频分复用 有效频段被划分为多个子频带 子频带间通过 频率 保护带分割如果每个用户使用单路的语音信号调制单个的载波 这样的调制方案称为单信道每载波SCPC对于采用模拟调制的系统 频分多址是唯一可用的多址接入方案 2020 3 19 15 可编辑 5 2频分多址FDMA续1 邻道干扰ACI非理想的信道滤波 载波频率的同步残差和多普勒频率都会导致邻道干扰的产生较大的频率保护带能够降低ACI 容忍较低的频率精度频率保护带的典型数值为子频带宽度的1 10 2020 3 19 16 可编辑 5 2频分多址FDMA续2 FDMA的带宽要求考虑单个的无线蜂窝小区 其所需的带宽 小区带宽 为带宽受限转发器的效率可表示为 2020 3 19 17 可编辑 5 2频分多址FDMA续3 交调卫星转发器的非线性在以下频率处产生交调分量式中mi是正或负整数频率f1和f2产生的3阶交调量如图所示 2020 3 19 18 可编辑 5 2频分多址FDMA续4 FDMA的优点完善而成熟的技术连续传输 因此终端的峰值传输功率较小在低数据率的窄带系统中 不需要使用均衡器不需要用户时间同步 2020 3 19 19 可编辑 5 2频分多址FDMA续5 FDMA的缺点不灵活 不支持自适应变数据率对功率受限的转发器 容量损失随着子频带数量Nc的增加而增加需要采用上行链路功率控制技术来限制ACI和非线性的影响需要精确的频率控制 以限制ACI双工器 FDD 和信道滤波器的使用使得实现复杂度增加 2020 3 19 20 可编辑 5 3时分多址TDMA TDMA中 时间被划分为帧 Frame 然后进一步划分为时隙 Timeslots 每一帧中的特定时隙构成了一个基本的业务信道 2020 3 19 21 可编辑 5 3时分多址TDMA续1 TDMA的带宽要求H 帧头 包括同步前导符 信令等k 信息比特Tf 帧周期TB 突发周期Tg 保护时间N 信道数 2020 3 19 22 可编辑 5 3时分多址TDMA续2 TDMA的带宽要求假设每帧中给用户分配单个时隙 单个时隙允许的传输比特率为Rb 一个时隙内的比特发送数量为k Rb Tf信息采用了编码速率为r的信道编码 因此每时隙的未编码比特数为n k r对采用M进制调制的传输信号 突发信号 每时隙的发送符号数为 2020 3 19 23 可编辑 5 3时分多址TDMA续3 TDMA的带宽要求每个突发周期以H个用于载波和时钟同步的附加帧头符号开始在每个突发周期之间 保护时间Tg用于解决定时偏差问题如果TDMA载波支持N个信道 则所需的突发速率RB为 2020 3 19 24 可编辑 5 3时分多址TDMA续4 TDMA的带宽要求如果传输信号采用滚降系数为 的根升余弦Nyquist 成形 滤波 则TDMA载波占用的带宽为定义G为传输符号持续时间间的保护间隔 以符号数为单位计量 2020 3 19 25 可编辑 5 3时分多址TDMA续5 TDMA的带宽要求给定带宽BT内可容纳的TDMA信道数可以按下式计算 2020 3 19 26 可编辑 5 3时分多址TDMA续6 TDMA的效率 吞吐率式中TH H RB是帧头持续时间根据TH和RB的表达式 TDMA系统的效率也可表示为 2020 3 19 27 可编辑 5 3时分多址TDMA续7 TDMA的频带利用率TDMA的频带利用率指总的比特速率和所需带宽的比值上式说明 信道编码 调制 滤波以及帧头和保护时间都对TDMA的频带利用率产生影响 2020 3 19 28 可编辑 5 3时分多址TDMA续8 例5 1通过一条TDMA上行链路传输速率为4 8kbps的语音信号 信道纠错编码的效率为 采用QPSK调制 升余弦成形滤波的滚降系数为0 25 TDMA的帧长为50ms 包含8个上行子信道 每次突发传输需要附加100个符号的帧头和1ms的保护时间 计算该上行链路的吞吐量和带宽利用率 解 2020 3 19 29 可编辑 5 3时分多址TDMA续9 TDMA的传输功率与连续传输相比 TDMA体制需要终端以更高的速率进行传输 突发传输速率RB N Rcont为了保持相同的信噪比 峰值传输功率也要相应地增大 即PTDMA N Pcont 但平均传输功率保持不变 2020 3 19 30 可编辑 5 3时分多址TDMA续10 多频 多载波TDMA MF TDMA为限制终端的峰值传输功率 可用采用MF TDMA在频域 TDMA载波间有宽度为Bg的频率保护带铱系统移动用户链路的频率方案如下图 2020 3 19 31 可编辑 5 3时分多址TDMA续11 MF TDMA如果一个蜂窝小区内使用了T个载波 则MF TDMA对应的所需带宽为每蜂窝小区内的信道数为 2020 3 19 32 可编辑 5 3时分多址TDMA续12 MF TDMA由于MF TDMA的各个载波间需要一定的频率保护宽度 因此其频带利用率低于单载波TDMA 2020 3 19 33 可编辑 5 3时分多址TDMA续13 卫星接收时的突发同步如果用户不是同步地传输其TDMA突发信号 则卫星接收端必须对每个用户的突发传输进行同步突发同步通过突发帧头中的前导符来完成 对载波同步 前导符是一串全 0 或者全 1 对比特同步 前导符是 0 和 1 交替序列前导符包含一个独特字 UW 用于实现包同步 指示包数据的开始独特字还可用于在相干检测中解决接收信号的相位模糊问题 2020 3 19 34 可编辑 5 3时分多址TDMA续14 包同步通过将接收比特序列与独特字进行比较 可以检测到包数据的开始在某个接收比特窗口中 接收比特序列与独特字的一致程度超过某个设定的比特数nth 则可认为已经检测到独特字比特数nth是一个非常敏感的门限值 必须合理地选择 选择时的主要依据是独特字在随机比特流中被漏检和误检的概率 2020 3 19 35 可编辑 5 3时分多址TDMA续15 包同步独特字漏检的概率 随着门限nth的增大而增大随着误比特率的增大而增大随着独特字长度的增加而增大独特字误检的概率 随着门限nth的减小而增大随着独特字长度的减小而增大 2020 3 19 36 可编辑 5 3时分多址TDMA续16 包同步通过对包的开始位置进行预测 并限制仅在包开始位置对应时间窗口内进行独特字的检测 可以降低误检概率独特字的自相关函数应具有单个的 明显的峰值 2020 3 19 37 可编辑 5 3时分多址TDMA续17 TDMA发射端的时隙同步需要保证终端的突发传输在到达卫星接收端时能够对应于分配的时隙时隙同步有两种状态 连接建立时或卫星切换时 需要进行初始时隙同步 捕获过程 连接持续期间 需要维持时隙同步 跟踪过程 2020 3 19 38 可编辑 5 3时分多址TDMA续18 TDMA发射端的时隙同步在卫星通信环境下 两个因素使得时隙同步变得复杂 不同用户的传输信号可能存在较大的延时差异 取决于用户在卫星覆盖区内的位置由于非静止轨道卫星的移动性 到达卫星的用户信号的延时是时变的 2020 3 19 39 可编辑 5 3时分多址TDMA续19 2020 3 19 40 可编辑 5 3时分多址TDMA续20 TDMA发射终端的时隙同步SORF和SOTF之间的延时式中Tf是帧周期 sn是卫星和第n个用户终端间的距离距离越远的用户 其帧传输开始的越早 2020 3 19 41 可编辑 5 3时分多址TDMA续21 TDMA发射终端的时隙同步测定时间提前量2sn c的两种方法 开环同步 通过终端和卫星的位置信息来确定时间提前量 该方法可以获得0 1ms的保证时间闭环同步 基于卫星或参考地球站持续发射的测量和校正信号 在初始同步时 终端通过独立的随机接入信道发送测试突发数据 并接收卫星或参考地球站返回的校正信号 当定时已经足够精确时 终端切换到TDMA信道进行数据传输 2020 3 19 42 可编辑 5 3时分多址TDMA续22 TDMA的优点比功率受限的FDMA的吞吐率高成熟而稳定的技术由于大量采用基带数字信号处理技术 终端的性价比高不需要双工器 改善了接收机灵敏度不需要精确的终端功率控制在他人的发送时隙 终端可以监测时隙和载波 并利用这些信息完成终端辅助的切换和动态信道分配对纯TDMA 不会产生交调干扰 星载转发器可以工作于接饱和点 对MF TDMA 交调量也少于FDMA 因为其载波数量相对较少突发传输速率高 对多普勒频移和同步相位误差的敏感度低通过给单个用户分配多个时隙 可以实现灵活的数据速率 2020 3 19 43 可编辑 5 3时分多址TDMA续23 TDMA的缺点突发传输速率高 因此终端的峰值发射功率高需要附加的开销来实现突发同步TDMA用户需要进行时隙同步由于传输速率高 接收终端 星载接收机和地球站可能需要自适应均衡器 2020 3 19 44 可编辑 5 4码分多址CDMA CDMA中 用户信号通过与周期性的正交信号序列进行调制来分离调制的结果导致调制信号的带宽远大于原信号的带宽因此 CDMA也常称为扩展频谱多址接入SSMA 2020 3 19 45 可编辑 5 4码分多址CDMA续1 CDMA的调制方式 跳时CDMA TH CDMA Timehopping 跳频CDMA FH CDMA Frequencyhopping 直接序列CDMA DS CDMA Directsequence 伪随机码 序列PN Pseudo Noise 伪随机码作为确定性的类噪声载波 完成对原信号的能量带宽扩展 扩频 2020 3 19 46 可编辑 5 4码分多址CDMA续2 TH CDMA跳时CDMA同时在时域和频域对信号进行随机化 2020 3 19 47 可编辑 5 4码分多址CDMA续3 TH CDMA跳时技术是实现跳时超宽带信号的主要技术 2020 3 19 48 可编辑 5 4码分多址CDMA续4 FH CDMA 2020 3 19 49 可编辑 5 4码分多址CDMA续5 FH CDMA快跳频和慢跳频 2020 3 19 50 可编辑 5 4码分多址CDMA续6 DS CDMA也称为直接序列扩频DSSS 2020 3 19 51 可编辑 5 4码分多址CDMA续7 DS CDMA短码扩频和长码扩频 2020 3 19 52 可编辑 5 4码分多址CDMA续8 DS CDMA采用BPSK调制的DSSS系统结构 2020 3 19 53 可编辑 5 4码分多址CDMA续9 DS CDMA 发端频谱扩展过程 2020 3 19 54 可编辑 5 4码分多址CDMA续10 DS CDMA 收端频谱解扩过程 rxb 2020 3 19 55 可编辑 5 4码分多址CDMA续11 DS CDMA 扩频因子 SpreadingFactor 也称为处理增益或带宽扩展因子 定义伪码片Rc速率与数据符号速率Rs的比值 实现中通常为整数值 2020 3 19 56 可编辑 5 4码分多址CDMA续12 DS CDMA窄带干扰下的系统性能 2020 3 19 57 可编辑 5 4码分多址CDMA续13 DS CDMA宽带干扰下的系统性能 2020 3 19 58 可编辑 5 4码分多址CDMA续14 DS CDMA高斯干扰下的系统性能 2020 3 19 59 可编辑 5 4码分多址CDMA续15 DS CDMA自干扰系统 单个CDMA用户占用所有时间和所有带宽 系统性能随着用户数量的增加而下降 2020 3 19 60 可编辑 5 5竞争接入方案 纯 非时隙ALOHA在非时隙ALOHA中 用户在新的数据包产生后