数字通讯原理第6章ppt课件.ppt

第6章多址通信 6 1多址方式6 2扩频通信6 3蜂窝技术6 4抗多址干扰技术概述6 5功率控制技术6 6智能天线 6 1多址方式 6 1 1信道分割原理信道复用是在两点之间的信道中同时传送互不干扰的多个相互独立的用户信号 而多址通信则是在多点之间实现互不干扰的多方通信 多址通信也称为多址接入或多址连接 信道复用与多址通信都是为了充分利用信道资源 提高传输的有效性 它们的数学基础都是信号正交分割原理 即信道分割理论 先赋予各个信号不同的特征 然后根据每个信号特征之间的差别来区分信号 从而实现互不干扰的通信 例如在频分复用 FDM 点对点通信过程中 传输频带按频率划分成互不重叠的多路信道 每一路信道可传送不同的信号 从而实现多路信号的传送 在多点之间实现多址通信与点到点之间的信号复用通信在技术上有所不同 信号复用的目的在于区分多路 而多址通信的目的在于区分多个动态地址 例如用户号码等 复用技术通常在中频或基带上实现 而多址技术通常在射频上实现 它利用射频辐射的电磁波来寻找识别动态地址 多址通信存在多址干扰问题 多址干扰是由于多个用户要求同时通信 而系统不能完全将它们彼此隔离开而引起的干扰 复用技术是一个点对点传输问题 而多址技术则是一个点对多点的通信问题 信号正交分割的原理是使分割域内的各个信号相互正交 即若信号集合 s1 t s2 t sN t 中任意两个信号满足 i j i j 6 1 1 则称 s1 t s2 t sN t 为正交信号族 其中的任意两个信号si t sj t 在区间 t1 t2 内称为正交信号 复用技术和多址通信的关键是如何设计具有正交特性的信号集合 使各信号之间互不干扰 正交信号的正交划分和设计是通过信号的正交分量 i i 1 2 N 的划分来实现的 即 6 1 2 式中 si t 为第i个用户信号 i为第i个用户信号si t 的正交参量 正交参量应满足 接收时 采用一个正交识别器 如图6 1所示 就可以分离出信号 即 6 1 3 图6 1正交信号识别器原理框图 在实际应用中 要做到信号完全正交是比较困难的 通常可采用准正交信号 允许各信号之间存在一定的干扰 但要设法将干扰控制在允许的范围内 目前 常用的多址接入方式有频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 码分多址 CDMA 空分多址 SDMA 以及它们的混合应用方式等 这些多址方式各有其优缺点 分别适用于不同的应用场合 多址接入方式与信道分配方式 基带复用方式和调制方式共同决定了系统的通信体制 例如TDM PSK FDMA PA代表时分复用 TDM 相移键控 PSK 频分多址 FDMA 预分配 PA 方式的通信体制 6 1 2频分多址 FDMA 方式FDMA是一种最基本的多址接入方式 即 i Fi的情况 如图6 2所示 FDMA的基本原理是 对给定的频谱资源按频率划分 将传输频率划分为若干个较窄的 互不重叠的子频带 Fi 信道或频道 为每个用户分配一个特定信道 按频带区分用户 这些信道按要求分配给请求服务的用户 用户信号调制到该信道上 各用户信号同时传送 接收时按信道提取用户信号 从而实现多址通信 图6 2频分多址 FDMA 原理图 在实际应用中 由于滤波器并非理想带通滤波器 且各信号也并非完全正交 同时系统频率漂移会造成子频带间的重叠 因此总是存在一定的干扰 常用的解决办法是在各子频带之间留有一定的保护间隔 以减少各子频带间的串扰 FDMA系统基于频率划分信道 其多址干扰主要有 互调干扰 邻道干扰和同频道干扰 1 互调干扰 所谓互调干扰 是指系统内由于非线性器件 例如放大器等 产生的各种组合频率成份落入本频道 信道 接收通带内 造成对有用信号的干扰 当互调干扰信号的强度 功率 足够大时 将会对有用信号造成损害 产生波形失真 畸变 例如在卫星通信中 当卫星转发器的行波管放大器同时放大多个不同频率的信号时 输入 输出特性的非线性和调幅 调相变化都会引起互调干扰 互调干扰是频分多址方式中的一个严重问题 目前 常用的减少互调干扰的主要方法有 1 合理规划载波中心频率 控制各载波中心频率的间隔 合理配置各载波频率的位置 在互调干扰中 影响最大的是 f1 f2 f3 形式和 2f1 f2 形式的三阶互调干扰 另外 在各载波等间隔配置时 随着载波数的增加 f1 f2 f3 形式的干扰要比 2f1 f2 形式大得多 因此 在载波很多时 应认真选择各载波中心频率的间隔 而不能简单等间隔地配置载波 2 尽可能提高系统的线性程度 减少发射机的互调和接收机的互调 例如在卫星通信中 对上行线路的载波进行功率控制 合理选择行波管放大器的工作点等 2 邻道干扰 所谓邻道干扰 是指相邻频道中存在的寄生辐射落入本频道接收通带内造成对有用信号的干扰 当邻道干扰强度足够大时 将会对有用信号造成损害 减小邻道干扰的主要方法有 加大频道间的保护间隔 合理进行频率规划 严格规定收发信机的技术指标 例如发射机寄生辐射强度 接收机中频选择性要求等 3 同频道干扰 所谓同频道干扰 一般是指相同频率信道之间的干扰 在蜂窝系统中 同频道干扰是指相邻区群中同频率信道之间的相互干扰 它与频率规划和蜂窝结构有关 对蜂窝通信系统 减少同频道干扰的主要方法有 合理规划频率 选择合适的蜂窝结构 采用功率控制技术等 图6 3 FDMA模拟蜂窝系统原理框图 a 原理图 b 频谱分割 图6 3 FDMA模拟蜂窝系统原理框图 a 原理图 b 频谱分割 FDMA系统既可传送模拟信号 也可传送数字信号 在模拟蜂窝通信系统中 采用FDMA方式是惟一的选择 例如北美800MHz的AMPS体制和欧洲的TACS体制 如图6 3 a 所示 通常信道带宽为传输一路模拟话音所需的带宽 例如25kHz 采用频分双工 FDD 方式来实现双工通信 即发送频率与接收频率不同 分配给用户的信道是一对频率 其中一个频率用于基站 BS 至移动台 MS 的前向信道 另一个频率则用于移动台至基站的反向信道 基站能同时发射和接收多个不同频率的信号 信道资源由移动交换中心 MSC 进行分配和管理 图6 3 b 给出了FDMA模拟蜂窝系统的频谱分割 其中 前向信道占用较高的频段 反向信道占用较低的频段 中间为保护频段 用户频道之间留有保护间隔Fg 在数字蜂窝系统中 很少单独采用FDMA方式 通常是与其他多址技术相结合 6 1 3时分多址 TDMA 方式 TDMA是在给定传输频带的条件下 把传递时间划分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 Ti 每个时隙就是一个通信信道 分配给一个用户 即 i Ti的情况 用户收发各使用一个指定的时隙 在发送端 各个用户在指定的时隙发射信号 突发信号 TDMA原理如图6 4所示 图6 4TDMA原理图 在接收端 各用户分别在指定的时隙内接收和提取相应时隙的信息 即按时间区分用户 从而实现多址通信 在TDMA系统中 每帧中的时隙结构 突发结构 的设计通常要考虑 传送控制和信令信息 信道多径效应的影响 系统同步 通常采取的措施有 1 在时隙结构1中 专门留有传送控制和信令信息的比特 2 为了克服多径等因素引起的码间干扰 在时隙结构2中留有用于自适应调整均衡器参数的训练序列 其基本原理是 接收端均衡器根据确知的训练序列来估计信道的冲激响应 根据该冲激响应来调整均衡器的抽头系数 以适应信道的变化 从而消除或减少码间干扰 3 在时隙结构中都留有一定的保护时间间隔 称为保护时间 以减小码间串扰的影响 保证相邻突发脉冲之间互不重叠 4 同步和定时是TDMA系统正常工作的前提 因为通信双方只能在规定的时隙中发送和接收信号 因此整个系统必须有精确的同步 通常要由基准站统一系统中各站的时钟 以确保严格的帧同步 时隙同步和位同步 如果接收端采用相干解调 则接收机还必须获取载波同步 TDMA系统只能传送数字信号 例如在GSM数字蜂窝系统中 应用FDMA和TDMA混合技术 其中 FDMA在GSM900MHz频段的上行 移动台到基站 890 915MHz或下行 基站到移动台 935 960MHz频带内分配了124个载波频率 简称载频 各个载频之间的间隔为200kHz 上行载频与下行载频是成对的 双工通信 双工收发载波对的频率间隔 双工保护频带 为45MHz TDMA工作在GSM900MHz的每个载频上 把时间分成由八个时隙 信道 组成的TDMA帧 帧长为4 6ms F1 f1 45MHz 如图6 5所示 图6 5TDMA系统 GSM 原理框图 a 原理图 b 频率规划 图6 5TDMA系统 GSM 原理框图 a 原理图 b 频率规划 6 1 4码分多址 CDMA 方式 在CDMA系统中 各用户使用相同的载波频率 占用相同的频带 信号发射时间是任意的 是 i Ci的情况 即在频率 时间和空间上可相互重叠 用户的划分是利用不同地址码序列来实现的 CDMA与FDMA TDMA划分形式不同 FDMA TDMA均属于一维频率或时间多址划分 而CDMA属于时频 二维域上的划分 所有用户均占用同一频段 F 和同一时隙 T 划分不同地址的正交参量是相互正交的地址码序列 CDMA有两种主要形式 直接序列扩频码分多址 DS CDMA 和跳频码分多址 FH CDMA 如图6 6所示 前者多用于民用 后者多用于军事 图6 6CDMA原理图 a DS CDMA b FH CDMA 与FDMA TDMA相比 CDMA具有容量大 低功率 软切换 抗干扰能力强等一系列优点 但是 在CDMA系统中 由于所有用户都使用相同的频段和相同的时隙 用户仅靠地址码序列的不同 互相关特性 加以区分 由于信道噪声干扰的影响 可能会使用户地址码序列之间的互相关不为零 则用户间就存在着干扰 称为多址干扰 多址干扰是CDMA通信中最主要的干扰 干扰的大小将直接影响CDMA系统容量 因此 如何有效地克服和抑制多址干扰是CDMA系统中最主要 最关键的问题 解决的方法有 扩频码设计 多用户检测 功率控制等 6 1 5空分多址 SDMA 方式SDMA就是利用不同的用户空间特征 即通过空间的分割 来区分不同的用户 从而实现多址通信的方式 目前利用最多也是最明显的用户空间特征是用户的方位 例如 1 配合电磁波传播特性可以使不同地域的用户在同一时间使用相同频率来实现互不干扰的通信 典型的应用是利用定向天线或窄波束天线 使电磁波按确定的指向辐射或局限在波束范围内 不同的指向或波束范围内可以使用相同的频率 2 控制发射信号的功率 使电磁波仅作用在有限的距离范围内 而在电磁波作用范围以外的区域仍可使用相同的频率 3 采用自适应阵列天线 即智能天线 在不同方向上产生不同的波束 这样在每个波束覆盖范围内可采用FDMA TDMA CDMA等多址接入方式 在蜂窝移动通信中 充分利用了SDMA方式的特性 将服务区域划分为若干蜂窝小区 或微小区 或微微小区 实现频谱复用 从而使有限的频谱能构成大容量的通信系统 这是蜂窝通信的关键技术之一 6 1 6随机接入方式1 ALOHA1 工作原理 ALOHA系统是一个无线数据通信系统 也称为纯ALOHA系统 它于1971年诞生于美国夏威夷大学 采用分组方式传输 其工作原理是 1 任一站需要发送数据时可以随时发送数据分组 不管信道是否忙碌 2 发送站接收来自接收站的 确认 ACK 消息 若同时有多个站发送信号 则信号间的重叠会造成接收数据中出现错码 这种现象称之为碰撞 这时发送站将接收到接收站的 否认 NAK 消息 3 发送站独立地延迟一个随机时间后重新发送该数据分组 若再次发生碰撞 则重复上述过程直到数据分组发送成功 4 若数据分组发送后 在规定时间内既没有收到ACK 也没有收到NAK 则重发该数据分组 2 性能分析假设每个数据分组 帧 的长度为m比特 各站送入系统的总业务到达率为每秒 个分组 其中成功发送 接收 率为每秒 1个分组 发生碰撞 拒收 率为每秒 2个分组 即 1 2 6 1 4 系统的成功发送量即系统吞吐 通过 量 定义为 y m 1b s 6 1 5 系统的总业务量定义为 Y m b s 6 1 6 假定系统容量 最大传输速率 为R b s 则一个分组的 最小 传送时间为 6 1 7 显然 成功发送一个分组的条件是在相邻两个 的时间间隔内没有其他分组到达 如图6 7所示 图6 7ALOHA原理图 a 避免帧冲突的最小时间间隔 b 前后两帧发生碰撞 归一化吞吐量定义为 6 1 8 归一化总业务量定义为 6 1 9 当有多个站向系统发送分组时 分组到达系统的统计特性通常可以用泊松分布来描述 即在 秒时间间隔内有n个分组到达的概率为 n 0 6 1 10 在一个 的时间间隔内没有分组到达的概率为 6 1 11 在相邻两个 内都没有分组到达 即成功发送一个分组 的概率为 6 1 12 由式 6 1 4 知 总业务到达率 等于成功率发送率 1和碰撞率 2之和 由概率和定义可知 成功发送的概率等于成功发送率 1与总业务到达率 之比 即 6 1 13 由式 6 1 12 和式 6 1 13 可得 6 1 14 即 由式 6 1 8 和式 6 1 9 可得到归一化吞吐量y和归一化总业务量Y之间的关系 如图6 8所示 6 1 15 图6 8 ALOHA与S ALOHA系统性能比较 2 时隙ALOHA时隙ALOHA S ALOHA 系统是对ALOHA系统的改进 其基本思想是 限制各站发送分组的时刻 即只能在确定的时刻才能发送分组 在S ALOHA系统中 向所有站发送一个同步脉冲序列 将信道传输时间划分为等于分组长度的时隙 为单位的一个一个时间段 并把每个分组的发送时刻限制在每个时间段的起始时刻 称长度为 的时间段叫做一个时隙 slot 如图6 所示 显然 S ALOHA系统对分组到达时间间隔的要求从ALOHA系统的2 减少为 使分组碰撞率减少了一半 此时 归一化吞吐量y与归一化总业务量Y之间的关系变为 y Ye Y 6 1 16 图6 8给出了S ALOHA系统的性能 当Y 1时 y达到最大值1 e 0 37 即S ALOHA系统的信道容量的利用率是ALOHA系统的两倍 图6 9时隙ALOHA原理 3 CSMA 载波监听多址接入 CSMA 是对ALOHA的进一步改进 由于CSMA算法简单 性能比ALOHA大大提高 因此在计算机局域网 以太网 等中得到了广泛的应用 S ALOHA通过将信道分为时隙进行传输可降低分组碰撞概率 但是当一个时隙内有两个以上分组到达时 仍然会发生碰撞 显然这些碰撞是由于随机盲目发送引起的 即各站在某个时隙时刻发送时并没考虑信道中是否已经有分组发送 如果每个站在发送前先检测一下信道是否有分组发送 忙碌或空闲 根据信道状态来决定是否发送 则可有效地减少分组发送的随机性和盲目性 这就是CSMA的基本思想 对广播信道而言 若信道上有分组发送 则每个站都可监测到发送数据的载波 从而可知道信道的忙闲状态 需要注意的是这里 载波监测 的含义有 若系统采用数字基带传输方式 则载波监测是指对数字基带信号的检测 若采用窄带调制传输方式 则载波监测是指对调制载波的监测 若采用扩频传输方式 则载波监测是指对伪随机码的监测 在CSMA中 仍然会发生碰撞 这是因为信号传输时延使得各站不能及时监测出信道的忙闲状态 同时 也存在当监测到信道空闲时如何安排发送时机问题 这些因素影响了CSMA的吞吐特性 在CSMA中 可采用冲突检测来进一步减少冲突持续的时间 提高系统的吞吐量 例如当检测到冲突发生时各发送站都停止发送分组 但向信道发送一个非常短的 干扰 信号 告知有站信道已发生一次冲突 显然 因冲突而浪费的时间等于 时隙 发送干扰信号所需的时间 这种方法称为冲突检测 CD 通常冲突检测与载波监听多址接入相结合 形成带冲突检测的载波监听多址接入方式 CSMA CD CSMA CD是以太网 Ethernet 使用的媒体接入控制 MAC 协议 在以太网中 各种设备接在同一条电缆 有线信道 上 设备在接入访问 发送分组 前需要监听电缆的忙闲状态 只有监听到电缆上没有其他信号传输时 才能向电缆发送信号 同一时间只允许有一个设备通过电缆向其他设备发送信号 数据分组 如图6 10所示 图6 10以太网的结构 对实际应用而言 若传输媒体 例如电缆 和媒体最大传输距离 例如以太网中电缆的传输距离小于等于90m 确定 则信号的最大传输时延也就确定了 信号传输延时对CSMA性能的影响也确定了 剩下的问题是 若监测到信道空闲 如何安排各站的发送时机 若监测到信道忙碌 是持续监测信道还是先退避一段时间后再监测 显然 上述问题对CSMA系统性能 碰撞率或吞吐量 有重要影响 为此 CSMA可分为持续型 CSMA和非持续性CSMA 1 非持续CSMA 非持续CSMA的工作过程为 1 数据分组到达发送缓冲存储器 等待发送 2 监测信道 若信道空闲 则发送分组 若信道忙碌 则随机延时一段时间后发送 2 持续型CSMA 若信道忙 持续型CSMA将持续地监测信道 直到信道空闲 根据检测到信道空闲时是立即发送 还是以概率P发送 持续型CSMA可分为1持续CSMA和P持续CSMA 1 持续CSMA的工作过程为 1 数据分组到达发送缓冲存储器 等待发送 2 监测信道 若信道空闲 则发送分组 若信道忙 则重新监测信道 由于同时可能有两个以上的站监测到信道空闲而发送分组 因此可能会发生碰撞 P持续型CSMA能有效地减小这种碰撞的概率 P 持续型CSMA的工作过程为 1 数据分组到达发送缓冲存储器 等待发送 2 监测信道 若信道忙 则继续监测信道 若信道空闲 则在 0 1 范围内选择一个随机数 若 P 则发送分组 否则 暂停监测信道 延时 后继续监测信道 3 性能比较 通常 非持续型CSMA更适合于大业务量的情况 在业务量较小时 P持续型CSMA性能要优于1持续型CSMA 6 2扩频通信 6 2 1扩频通信概述1 扩频通信的基本原理 扩频通信也就是扩展频谱通信 扩频通信是指系统占用的频谱带宽 W 远远大于要传输的原始用户基带信号频谱带宽 B 的通信方式 即把要发送的信号扩展到一个很宽的频带上 然后再发送出去 系统的射频带宽比原始基带信号的带宽要宽得多 如图6 11所示 在发送端 信源输出的基带信号先经过信息调制形成窄带数字信号 然后经扩频调制 用扩频码去调制数字信号 来扩展信号的频谱 扩频信号再送至信道 在接收端 采用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调 扩频解调 来恢复窄带数字信号 再经信息解调恢复出原始基带信号 图6 11扩频通信的原理框图 与一般通信相比 扩频通信就是多了扩频调制 发送端 和扩频解调 接收端 通常认为 通信系统带宽W与基带信号带宽B的比值W B为1 2时 称窄带通信系统 W B为50以上时 称为宽带通信系统 而W B为100以上时 称为扩频通信系统 扩频通信是一种宽带通信系统 其主要特征是 扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列的带宽 扩频通信的理论基础是香农信道容量公式 在高斯白噪声干扰条件下 通信系统的极限传输速率 或信道容量 为C W lb 1 S N b s 其中 C为信道容量 W为信道带宽 S N为信噪比 S为信号平均功率 N为噪声平均功率 该公式表明 在信道容量C的要求一定时 信道带宽W与信噪比S N之间具有互换关系 也就是说 可以用扩展信号的频谱为代价 换取用较小的信号功率 较低的信噪比S N 来传送信号 同样可获得较低的系统误码率 这表明扩频通信具有较好的抗干扰能力 图6 12给出了扩频通信系统抗干扰的基本原理 1 假设数字基带信号a t 的传输速率为Rb b s 其功率谱密度如图6 12 a 所示 经过信息调制后输出的窄带数字信号为b t 2 假设扩频码的功率谱密度如图6 12 b 所示 经过扩频调后输出的扩频信号为s t 其传输速率变为Rc b s 频谱被扩展 Rc Rb s t 的功率谱密度如图6 12 c 所示 图6 12扩频通信系统的抗干扰性能分析 a 信息调制输出信号b t 功率谱密度 b 扩频码c t 功率谱密度 c 扩频信号s t 功率谱密度 d 接收信号s t 功率谱密度 e 解扩后的信号b t 功率谱密度 f 窄带滤波后输出信号的功率谱密度 图6 12扩频通信系统的抗干扰性能分析 a 信息调制输出信号b t 功率谱密度 b 扩频码c t 功率谱密度 c 扩频信号s t 功率谱密度 d 接收信号s t 功率谱密度 e 解扩后的信号b t 功率谱密度 f 窄带滤波后输出信号的功率谱密度 3 由于信道噪声干扰的影响 因此接收信号s t 中加入了干扰信号 接收信号的功率谱密度如图6 12 d 所示 4 接收信号s t 经扩频解调后 有用信号被还原成窄带数字信号b t 而干扰信号变成了宽带信号 其功率谱密度如图6 12 e 所示 5 窄带数字信号b t 再经过信息解调 其中窄带滤波滤掉有用信号带外的干扰信号 图5 12 f 给出了窄带滤波后输出信号的功率谱密度 显然 大大降低了干扰信号的强度 从而改善了信噪比S N 6 有用信号经过解调和抽样判决后还原为原始数字基带信号 图中fs为信息调制载波频率 fc为发射信号的载波频率 2 扩频通信的主要特点 扩频通信的主要特点有 1 抗干扰能力强 抗白噪声 抗单频窄带干扰 抗人为干扰 抗跟踪干扰 抗多径干扰等的能力都很强 2 保密性能好 由于扩频后信号频谱类似白噪声 且信号功率谱密度很低 因此有利于防止窃听 具有良好的保密性能 3 易于实现大容量多址通信 在一个频带很宽的干扰受限系统中 可以容纳更多的用户通信 4 易于实现精确定时与测距 广泛地应用于雷达 导航 测控和通信等系统 3 扩频方式 根据扩展频谱方式的不同 扩频通信的工作方式有 直接序列 DS 扩频 跳变频率 FH 扩频 跳变时间 TH 扩频和混合式扩频等 4 扩频通信系统的性能指标表征扩频系统抗干扰性能的主要指标是处理增益和干扰容限 1 处理增益 扩频通信系统的处理增益定义为接收端扩频解调输出信号噪声功率比 So No 与输入信号噪声功率比 Si Ni 的比值 即 6 2 1 一般用分贝表示 即 式中 Gp表示扩频前后信噪比的改善程度 它体现了扩频通信系统抑制干扰信号 增强有用信号的能力 显然 Gp越大 扩频通信系统的抗干扰能力就越强 在一定条件下 式 6 2 1 给出的Gp可以表示为扩频信号带宽 W 与数字基带信号带宽 B 的比值 假设信号经过扩频解调后没有损耗 So Si 扩频解调前后噪声的功率谱密度均保持相同的均匀分布 近似 则 6 2 2 式中 n0为噪声单边功率谱密度 W为扩频信号带宽 B为数字基带信号带宽 例如 某扩频通信系统的数字基带信号带宽为B 10kHz 系统带宽为W 20MHz 则 这表明该扩频通信系统接收端扩频解调输出信噪比与输入信噪比之间有33dB的改善 2 干扰容限 干扰容限定义为在保证扩频通信系统正常工作 保证输出信噪比So No不低于某一给定值 的条件下 接收机输入端能够允许的干扰信号功率高于有用信号功率的分贝数 即 6 2 3 式中 Mj 为干扰容限 Gp为处理增益 Ls为系统损耗 So No为接收机输出信噪比 干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机所能承受的极限干扰强度 它准确地表征了系统的抗干扰能力 反映了扩频通信系统在干扰环境中正常工作的极限能力 例如 若假定某扩频通信系统的处理增益为Gp 33dB 系统损耗为Ls 3dB 为确保系统误码率小于所给定的要求值时 接收机输出信噪比必须保证So No 10dB 则该系统的干扰容限Mj 33 3 10 20dB 100倍 即只要加到接收机输入端的干扰信号功率不超过有用信号功率20dB 该系统就能正常工作 6 2 2直接序列扩频码分多址 DS CDMA 1 直接序列扩频 DS 直接序列扩频 DS 又简称为直扩 在DS系统中 发送端用一高速伪随机序列与信息数据相乘 模2加 由于伪随机序列的带宽远远大于要发送信息数据的带宽 从而扩展了信号频谱 在接收端用相同的伪随机码进行解扩 把展宽的信号频谱还原成原始信息数据 在图6 10中 信息调制常用相移键控方式 如2PSK 4PSK等 扩频码为伪随机序列 由伪随机码发生器产生 2 DS CDMA 直接序列扩频 DS 与码分多址 CDMA 相结合构成了直接序列扩频码分多址通信系统 该系统主要有两种方式 1 在发送端 用户信息数据首先与对应的用户地址码调制 模2加 然后再与高速伪随机序列 PN码 进行扩频调制 模2加 在接收端 进行与发送端对应的反变换 进行相关检测 可得到原始用户信息数据 如图6 13 a 所示 2 在发送端 用户信息数据直接与相对应的高速伪随机序列 PN码 进行扩频调制 模2加 如图6 13 b 所示 图中的地址码调制与扩频调制合二为一 在接收端 只需要进行与发送端完全相同的伪随机码解扩 经过相关检测就能得到原始用户信息数据 图6 13DS CDMA原理框图 a DS CDMA方式一 b DS CDMA方式二 3 扩频通信的伪随机码从图6 13可以看出 需要用伪随机码 PN码 去调制数字信号才能达到扩展频谱的目的 伪随机码是一种类似随机噪声特性的二进制确定序列 便于产生 加工 复制和控制 正确地选用伪随机码的码型 对扩频通信系统的性能非常重要 扩频通信中使用的伪随机码有如下要求 1 具有良好的相关特性 要求具有尖锐的自相关函数曲线 而互相关函数接近于零 2 具有足够长的码周期 以满足防窃听 抗侦破 通信保密和抗干扰的要求 3 具有足够多的独立码序列数目 以满足大容量码分多址通信的需求 4 易于产生 加工 复制和控制 常用的伪随机码有 m序列 Gold序列和M序列等 1 m序列 作为扩频通信用的伪随机码 m序列的主要优点是易于产生 并具有良好的自相关特性 缺点是序列自相关函数差别较大 不能保持很小的常数 独立序列数目不够多 不便于在CDMA系统中应用 所谓独立序列 是指在两个周期序列中 其中一个序列不是另一个序列移位若干位后得到的 2 Gold序列 Gold序列是m序列的组合码 由优选对的两个m序列逐位模2加得到 当改变其中一个序列的相位 向后移位 时 就可得到一个新的Gold序列 如图6 14 a 所示 所谓m序列优选对 是指在m序列集中 其互相关函数的绝对值最接近或达到下限的一对m序列 Gold序列的特点是 具有良好的自相关和互相关特性 结构简单 易于产生和实现 生成的独立序列数较m序列多 因而获得了广泛的应用 图6 14Gold序列和M序列发生器 a Gold序列发生器 b M序列发生器 3 M序列 m序列是由带线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列 周期为2n 1 而M序列则是由非线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列 周期为2n 图6 14 b 是一个M序列发生器 与m序列相比 M序列的主要特点有 对于同样级数 n 的移位寄存器M序列能产生较m序列多得多的独立M序列 M序列的相关特性不如m序列 结构比较复杂 M序列比较适合于生成跳频序列图案 4 DS CDMA的地址码在DS CDMA系统中 每个用户都分配有各自特定的地址码 通常可采用沃尔什 Walsh 码作为DS CDMA的地址码 沃尔什码是一组正交码 它具有良好的自相关特性和处处为零的互相关特性 但由于沃尔什码所占频谱不宽等原因 不能作为扩频码 下面我们来介绍如何生成沃尔什码 例如 有四个码长为4的沃尔什码 地址码 W1 1 1 1 1 W2 1 1 1 1 W3 1 1 1 1 W4 1 1 1 1 显然 在这四个地址码中 任意两个地址码相乘叠加后的值为0 即互相关值为零 每个地址码本身相乘叠加后归一化值为1 即具有尖锐的自相关特性 将该沃尔什码写成矩阵形式为 6 2 3 6 2 4 M1 式 6 2 3 式 6 2 5 说明了生成沃尔什码的递推方法 即码长为4的沃尔什码可由码长为2的沃尔什码产生 码长为2的沃尔什码可由码长为1的沃尔什码产生 依此类推 码长为8的沃尔什码可由码长为4的沃尔什码产生 进一步 码长为2n的沃尔什码可由码长为n n 1 2 4 8 2k k为正整数 的沃尔什码产生 即 6 2 6 6 2 3跳变频率扩频1 跳频原理跳变频率 FH 扩频 简称跳频 系统组成框图如图6 15所示 跳频系统与直接序列扩频系统的相同之处是 在发送端都是用伪随机码进行扩展频谱处理 在接收端进行解扩处理 不同之处在于它们扩频频谱的方法不一样 跳频系统用伪随机码构成跳频指令 又称跳频图案 来控制频率综合器 产生载波频率 随机地选择发端频率 使输出载波频率在跳频频带内随机地跳跃变化 图6 16所示的是六个时隙七个载波的跳频系统 图6 15跳频系统组成框图 图6 16跳频图案举例 跳频可分为快跳频和慢跳频 若跳频速率大于或等于信息速率 则为快跳频 反之 则为慢跳频 跳频图案是指载波频率依赖于时间伪随机跳变的函数关系 跳频图案设计是跳频系统的关键技术之一 它直接关系到系统的抗干扰能力 通常 跳频图案的随机性越大 系统的抗干扰能力越强 跳频图案频率范围和时间的乘积越大 可构成的跳频图案就越多 抗干扰能力也就越强 显然 跳频图案的随机性取决于伪随机码 跳频系统常用的伪随机码有m序列 M序列和RS序列 2 抗干扰性能跳频系统的抗干扰性能表现在跳频载波频率在频域中不断跃变 干扰信号的频谱只有落在跳频信号的瞬时频谱范围内 即两者同在一个时隙和同在一个频隙中 且干扰信号功率大于或等于有用信号功率时 才能对有用信号的正确接收造成影响 跳频系统的抗干扰性能可用处理增益来表征 由式 6 2 2 可得 6 2 7 式中 N为跳频信道数 Bs为跳频信道带宽 B为数字基带信号带宽 W NBs 跳频系统不仅具有较强的抗单频或窄带干扰的能力 而且也具有抗多径干扰的能力 这是因为跳频具有频率分集的作用 同时 若跳频图案足够复杂 跳频速率足够快 则跳频系统也能抗跟踪式干扰 阻塞式干扰和转发式干扰等 但跳频系统对白噪声无抑制能力 6 2 4跳变时间扩频跳变时间 TH 扩频 简称跳时 是指发射信号在时间轴上跳跃变化 通常将时间轴分成帧 每一帧又分为若干时隙 在一帧内哪一个时隙发射信号由伪随机码序列来控制 如图6 17所示 信息数据在很窄的时隙中高速突发发射 因此发射信号的频谱大大扩展了 图6 17跳时原理图 跳时系统的特点是 通过时间的合理分配来避开有强干扰的时段 达到抗干扰的目的 通常 跳时系统要与其他扩频方式混合使用 常用的混合扩频方式有 直扩 跳频 DS FH 直扩 跳时 DS TH 跳频 跳时 FH TH 和直扩 跳频 跳时 DS FH TH 等 6 3蜂窝技术 6 3 1蜂窝技术概述 1 大区制移动通信系统 按服务区电磁波的覆盖方式划分 移动通信系统可分为两类 小容量的大区制 大容量的小区 蜂窝 制 简称蜂窝移动通信系统 大区制是指一个基站覆盖整个服务区 基站负责通信联络 控制和管理 为了增大服务区域和保证移动台能接收到基站的信号 通常基站天线架设要较高 如30米以上 基站发射功率较大 如50 200瓦 由于移动台的电池容量所限 移动台发射功率较小 因此基站可能接收不到移动台的信号而无法保障通信 通常解决的办法是 在服务区内设置若干个分集接收点与基站相连 利用分集接收来保证移动台和基站之间的正常通信 如图6 18所示 图6 18大区制移动通信系统组成 大区制系统的主要优点有 网络结构简单 覆盖半径大 控制方式简便 设备成本低 建设速度快 非常适合于小容量的移动通信系统 例如中小城市 专业部门和工矿企业等专用移动通信网络 大区制的主要缺点有 频率利用率低 通信容量小 扩容困难 不能漫游 发射功率大 不能适应公众移动通信网络的发展 一般用于集群通信中 2 小区制移动通信系统小区制移动通信系统的基本思想是 用许多小功率的发射机 小覆盖区 来代替单个的大功率发射机 大覆盖区 每一个小覆盖区 小区 只提供服务范围内的一小部分覆盖 将所要覆盖的范围划分成许多小区 称为蜂窝小区 多个小区彼此相连 从而覆盖整个服务区域 如图6 19所示 图6 19小区制移动通信系统 基本的小区类型主要有 超小区 小区半径 20km 适合于人口稀少的农村地区 宏小区 小区半径为1 20km 适合于高速公路和人口稠密地区 微小区 小区半径为0 1 1km 适合于城市繁华区段 微微小区 小区半径 0 1km 适合于办公室 家庭等移动应用环境 当蜂窝小区用户数量增大到一定程度而使准用频道数不够用时 可将原小区分裂为更小的蜂窝小区 在每个小区中 分别设置一个基站 负责本小区的通信联络控制 每个基站占用整个系统可用信道的一小部分 为一定数量的用户服务 相邻基站则分配不同的信道 相距足够远 即相互间的干扰电平在可接收的范围内 的基站可使用相同的信道 这样就可以实现信道的复用 即频率复用 基站选择和信道分配称为频率规划 或频率复用 从图6 19中可以看出 为了避免同频干扰 小区制通信相邻基站 例如该图中BS1与BS2 的频率组 信道组 配置不能相同 图中使用了三对频率 其中小区1与小区3复用f1 f2 小区2与小区4复用f3 f4 由此可见 小区越多 覆盖面就越大 用户就越多 频率的复用度就越高 3 蜂窝移动通信系统组成图6 20给出了陆地蜂窝移动通信系统的组成 通常它由移动台 MS 基站 BS 和移动交换中心 MSC 等组成 移动交换中心通过中继线与基站和市话网 PSTN 连接 图6 20蜂窝移动通信系统组成 移动台 例如手机 由收发信机和天线等组成 它是蜂窝移动通信的主体部分 移动性主要体现在移动台相对基站运动 基站由发射机 接收机 天线和控制器等组成 基站覆盖区的大小主要由基站天线的高度和发射功率决定 移动交换中心的主要功能有 信息交换 信息处理 网络管理和维护 蜂窝移动通信方式包括 移动台通过基站与另一个移动台通信 移动台与市话网固定电话之间通话 移动台与基站 基站与移动交换中心的联络通信 6 3 2小区划分与频率复用1 小区的形状由于全向天线辐射的覆盖区形状为圆形 为了无空隙地覆盖整个服务区 小区几何形状有三种可能的选择 正方形 等边三角形和正六边形 如图6 21所示 究竟选取什么样的小区形状好呢 通常要考虑以下几点 1 邻接小区中心间距D越大越好 间距越大干扰越小 以正六边形为优 2 单位小区的有效面积越大越好 面积越大 区域内的小区数越少 使用的频率数越少 以正六边形面积为最大 3 交叠区域面积要小 以减小同频干扰 以正六边形为优 4 交叠距离要小 以使移动通信便于跟踪交接 以正六边形为优 5 所需频率个数 信道数 越少越好 以正六边形为优 在图6 22中 等边三角形小区所需频率数为五个 正方形为四个 正六边形为三个 图6 21小区的几何形状 a 等边三角形 b 正方形 c 正六边形 图6 22小区形状与所需频率个数 a 等边三角形 b 正方形 c 正六边形 由图6 21和图6 22可以得到 在服务区面积一定的情况下 正六边形小区的形状最接近理想的圆形 用它可实现整个服务区的无空隙 无重叠的覆盖 所需的基站数最少 由于正六边形构成的网络形状很像蜂窝 故称为蜂窝网 2 小区划分根据小区制移动通信系统的频率复用和覆盖方式 小区制一般可分为带状服务覆盖区和面状服务覆盖区 1 带状服务覆盖区 图6 23给出了两种典型带状服务区的应用 例如铁路列车或长途汽车无线电话 沿海或内河航行船舶无线电话等 为了防止同频干扰 通常采用双频组频率配置和三频组频率配置 如图6 24所示 图6 23带状服务覆盖区 图6 24带状服务覆盖区频率配置举例 a 双频组频率配置 b 三频组频率配置 2 面状服务覆盖区 面状服务覆盖区是陆地移动通信的主要方式 通常采用正六边形作为覆盖模型来构成蜂窝移动通信网 即由许多正六边形邻接小区组成一个无线覆盖区群 再由若干无线区群构成整个服务覆盖区 对无线覆盖区群的要求是 若干个无线覆盖区群正六边形彼此邻接组成蜂窝式服务覆盖区 邻接无线覆盖区群中的同频无线覆盖小区的中心间距应相等 满足上述要求时 一个无线覆盖区群的小区个数N为 N a2 ab b2 式中 a b均为正整数 其中一个可以为零 由此可求出可能的小区个数N为3 4 7 9 12 常用的典型值为4 7 12 如图6 25所示 需要指出的是 在实际应用中由于无线覆盖区的地形地貌和无线电磁波传播环境不同 因而实际小区的无线覆盖是一个不规则的形状 基站发射机 天线 通常安置在小区中心 称为中心激励小区 或安置在正六边形的顶点 称为顶点激励小区 图6 25无线覆盖区群结构举例 a N 4 b N 7 3 系统容量假定某蜂窝移动通信系统有N个无线覆盖小区 无频率复用时 若每个小区都分配K个各不相同 各自独立的信道 则系统所需的无线信道总数M为 M KN 6 3 6 若采用频率复用技术 则可大大提高系统的容量 若全部可用频率数M在系统中复用G次 则系统的信道总数 系统容量 C为 C GM GKN 6 3 7 6 3 3蜂窝系统的干扰1 同频干扰对蜂窝系统容量的影响干扰是影响蜂窝移动通信系统性能的主要因素 在蜂窝系统中 主要有两种干扰 同频 或同频道 干扰和邻道 或邻频道 干扰 在蜂窝系统中 由于采用频率复用技术来提高系统容量 因此 在整个覆盖区域中存在多个小区使用相同的频率组 称这些小区为同频小区 同频小区之间的信号干扰称为同频干扰 为了减小同频干扰 要求同频小区在物理上隔开一个最小距离 以减小同频信号的相互干扰 同频干扰是影响系统容量 或频率复用度 的关键因素之一 增加同频小区之间的中心间距 D 与同频小区半径r的比值D r 称为同频复用比 能有效地减小来自同频小区的射频信号能量 从而减小同频干扰 对于正六边形蜂窝系统 同频复用比为 6 3 8 式中 N为区群中的小区个数 同频复用比越小 系统容量就越大 而同频复用比越大 同频干扰越小 信号传输质量就越高 显然二者是矛盾的 通常需要根据不同应用场合进行折衷考虑 2 邻道干扰对蜂窝系统的影响在蜂窝系统中 由于每个信道载波都是一个带限信号 但在带外 旁瓣 会有一些较低功率的无线信号能量发送出去 它会对相邻信道产生邻频干扰 邻频干扰产生的原因主要是发射机和接收机的滤波器特性不理想 使得相邻频率的旁瓣信号能量泄漏到信道带宽内 克服邻道干扰的主要办法是 合理设计滤波器和信道分配 在蜂窝系统中 通常在一个小区内不使用相邻的载波频率 例如选用的载波两两相隔三个信道就能有效地避免邻道干扰 6 3 4扩展系统容量的方法 1 小区分裂小区分裂是通过增加基站的数量来增加系统容量 即将拥塞 业务量已饱和的小区分成覆盖面积更小的小区 其方法是降低基站天线的高度和减小发射信号的功率 减小小区半径 增加单位面积的信道数 提高信道的复用次数 从而提高蜂窝系统的容量 在图6 26所示的小区分裂原理图中 原小区BS2 BS3分别被分裂为两个新小区BS2 BS2 和BS3 BS3 频率f1 f4得到了重复利用 频率复用 图6 26小区分裂原理图 a 原来的小区 b 分裂后的小区 在图6 27给出的由七个小区分裂成21个小区的例子中 小区分裂是将一个小区分裂为三个小区 例如小区1分裂为三个小区1 图6 277 21小区分裂举例 a 原来的七个小区 b 分裂后的21个小区 2 裂向技术 裂向 也称为扇区化 技术是通过使用定向天线来取代全向天线 通过减小同频干扰来提高系统容量 定向天线可以把一个小区分成几个扇区 使得小区的一部分 例如120 角或60 角 使用一个无线载波频率 这样 小区扇区化就能有效地减小小区的干扰 如图6 28所示 图6 28120 或60 裂向 a 120 裂向 b 60 裂向 3 微小区技术为了克服裂向技术存在的信道切换比较频繁和中继效率低等不足 可采用微小区技术 即多个天线高度更低和发射信号功率更小的微小区与一个基站相连 同轴电缆 光纤 或微波链路 共享基站的无线设备 从而组成一个小区 当移动台在小区移动时 由信号最强的微小区来提供服务 微小区技术优于裂向技术 这是因为微小区的天线安置在小区的边缘 基站的任意一个信道可由基站分配给小区内的任何一个微小区 微小区技术的优点是 小区既能保证覆盖面积 又能减小同频干扰 微小区技术在蜂窝移动通信系统和个人通信中得到了广泛的应用 一般来说 小区直径越小 数量越多 系统容量就越大 目前在用户密集的大城市 蜂窝系统正向微蜂窝 微小区或微微小区 发展 其直径仅为数百米至1km左右 6 3 5越区切换1 越区切换原理当移动台从一个蜂窝无线覆盖小区移动到另一个小区时 为了保证通话的连续性 蜂窝系统要在不同信道上自动切换 移动台的连接控制从一个小区转移到另一个小区 该过程称为越区切换 越区切换是蜂窝移动通信中的关键技术之一 基本的要求是越区切换时不能影响用户的正常通信 通常 蜂窝系统采用信号强度作为越区切换的判定基准 当移动台向当前所处小区的边界移动时 信号强度会逐渐减弱 通话质量会逐渐恶化 进入相邻小区时 相邻小区来的信号会逐渐增强 在通话质量恶化到无法通话前 通话应切换到相邻小区 切换基准也可以是误码率 表示信道的恶化程度 但不如信号强度直接简便 显然信号强度与误码率密切相关 若能获得移动台与基站的相对位置信息 则能提高切换的准确性 图6 29给出了越区切换的两种情况 图 a 是在同一交换区 同一区群 内移动台 汽车 从小区1 BS1 到小区2 BS2 的越区切换 图 b 是在两个交换区之间移动台从小区A4 BSA4 到小区B4 BSB4 的越区切换 图6 29越区切换原理图 a 同一交换区的越区切换 b 不同交换区的越区切换 图6 29越区切换原理图 a 同一交换区的越区切换 b 不同交换区的越区切换 2 越区切换控制方式越区切换控制包括两个方面的内容 参数控制和过程控制 越区切换方式主要有 移动交换中心控制切换 移动台控制切换 GSM系统采用的混合越区切换 移动交换中心控制切换方式的工作原理是 各基站收集各移动台信号的强弱信息 报告移动交换中心 移动交换中心根据这些信息来判定移动台是否越区 从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站 并通知旧基站和新基站进行信道切换 北美AMPS系统就是采用这种越区切换方式 移动台控制切换方式的工作原理是 移动台持续监视各基站的信号强度 若当前基站的信号已减弱 相邻基站的信号增强 并满足切换条件 低于切换门限 时 移动台自动通过基站向移动交换中心发送越区切换请求 移动交换中心开始信道切换 并通知旧基站和新基站 欧洲的DECT系统就采用此方式 GSM系统采用的越区切换方案是 移动台监测各基站信号的强度 并将监测结果报告旧基站 移动交换中心根据监测结果决定什么时间开始切换和切换到哪一个新基站 3 越区切换判决算法在蜂窝移动通信系统中 通常采用所谓的 滞后 门限 算法 即当监测到当前小区信号的强度弱于相邻小区信号强度时 先要与切换门限进行比较 若信号强度低于切换门限 则不急于马上切换 而是持续一段时间再决定是否切换 从而避免了连续切换问题 这是因为在移动过程中 由于地形地理和传播环境千差万别 可能造成信号强度起伏变化和短时衰落 使移动台所在小区的信号弱于相邻小区 此时由于没有越区 因此没有必要进行切换 4 硬切换与软切换所谓硬切换 是指移动台在切换到新基站时 先切断与旧基站的连接 再建立与新基站的连接 而软切换则是指暂时