多址技术讲稿.doc

7 多址技术 现代通信新技术，陈显治 第 8 章71 引言传输技术中很重要的一点是有效性问题，也就是如何充分利用信道的问题。信道可以是有形的线路，也可以是无形的空间。充分利用信道就是要同时传送多个信号。在两点之间的信道同时传送互不干扰的多个信号是信道的“复用”问题，在多点之间实现相互间不干扰的多边通信称为多元连接或“多址通信”。它们有共同的理论基础，就是信号分割理论，赋予各个信号不同的特征，也就是打上不同的“地址”，然后根据各个信号特征之间的差异来区分，按“地址”分发，实现互不干扰的通信。在多点之间实现双边通信和“点到点”的通信在技术上有所不同。着社会的发展和技术的进步，通信已由点到点通信发展到多边通信和网络通信，多元连接或多址通信技术也由此迅速发展。信号分割有两方面的要求：一是在采用各种手段（如调制、编码、变换等）赋予各个信号不回的特征时，要能忠实地还原各个原始信号，即这些手段应当是可逆的；二是要能分得清，要能有效地分割各个信号。所谓“有效”，就是在分割时，各个信号之间互不干扰，这就要求赋予特征回合的各个信号相互正交。若两个信号f1(X)和f2(X)满足下面的关系式，称f1(X)和f2(X)在（Xl，X2）区间正交： （71）若一组信号的自相关为1，互相关为0，则称这一组信号为正交信号组，或称为正交信号集合。回正交信号组表示如下： （72）复用或多址技术的关键是设计具有正交性的信号集合，使各信号相互无关，能分得“清”。在实际工作中，要做到完全正交和不相关是比较困难的，一般采用准正交，即互相关很小，允许各信号之间存在一定干扰，设法将干扰控制在允许范围内。如所周知，常用的复用方式有频分复用（FDM）、时分复用（T DM）和码分复用（CDM）等。多址接人的方式有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等，还有利用不同地域区分用户的空分方式（SD M及SDMA），利用正交极化区分的极化方式等。后两者往往不单独使用，和前三者结合运用。在数据通信中还有多种多址接人方式，它们按通信协议操作，概念与上述几类不同。频分或空分多址中有采用模拟体制的，也有采用数字体制的，时分和码协多址都是数字体制的。今后的发展方向是数字体制，即基带信号是数字信号或数字化的模拟信号，射频系统采用数字调制。各种多址方式各有特点，各有其适用场合，它们的优缺点与系统有关，也与它们运用时的条件有关。本章将首先介绍各种多址方式的基本概念及一般特点，然后通过一些典型通信系统分析多址技术的运用，进一步理解各种多址方式的优缺点、适用场合和运用条件，将介绍通信系统与多址方式有关的一些问题。由于蜂窝移动通信系统是新型的通信系统，有一定的特殊性，本章将在研究蜂窝系统的多址方式以前讨论蜂窝通信的技术特点。72 几种多址方式的特点在网络或多点通信中，多址方式是系统的一个重要方面，本节将介绍其定义和基本概念。各种多址方式的优缺点离不开系统和它们的运用条件，以下各节将分别讨论。721 频分多址FDMA方式FDMA是使用较早也是现在使用较多的一种多址接人方式，它广泛应用在卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。它把传输频带划分为若干个较窄的且互不重叠的子频带，每个用户分配到一个固定子频带，按频带区分用户。信号调制到该子频带内，各用户信号同时传送，接收时分别按频带提取，从而实现多址通信，如图71的三维图所示。在采用理想滤波分割各用户信号时，满足式73所示的正交分割条件。实际的滤波器总达不到理想条件，各信号间总存在一定的相关性，总有一定的干扰，各频带之间必须留有一定的保护间隔以减少各频带之间的串扰。FDMA有采用模拟调制的，也有采用数字调制的，也可以由一组模拟信号用频分复用方式（FDMFDMA）或一组数字信号用时分复用方式占用一个较宽的频带（TDMTDMA），调制到相应的子频带后传送到同一地址。模拟信号数字化后占用带宽较大，若要缩小间隔，必须采用压缩编码技术和先进的数字调制技术。总的说来，FDMA技术比较成熟，应用也比较广泛。图 71 FDMA示意图 （73） 722 时分多址TDMA方式TDMA是在给定频带的最高数据传送速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间隙，即时隙，用户的收发各使用一个指定的时隙，以突发脉冲序列方式接收和发送信号。多个用户依序分别占用时隙，在一个宽带的无线载波上以较高速率传递信息数据，接收并解调后，各用户分别提取相应时隙的信息，按时间区分用户，从而实现多址通信。总的码元速率是各路之和，还有一些位同步、帧同步等额外开销。图72所示为一帧8个时隙的图例。图73所示为TDMA的三维图，式（74）给出了时域正交的表示式。各用户在同一频带中传送，时间上互不重叠，符合时域的正交条件。在实际传输时，由于多径等各种影响，可能破坏正交条件，形成码间串扰。 （74）现在的TDMA系统总是采用数字体制，每时隙可以是单个用户占用，也可以是一组时分复用的用户占用，即TDM一数字调制一TDMA方式。TDMA方式主要的问题是整个系统要有精确的同步，要由基准站统一系统内各站的时钟，才能保证各站准确地按时隙提取本站需要的信号。此外，还需要一定的比特开销，供载波恢复、定时恢复、子帧同步、地址识别使用。各时隙间还应留有保护间隙，以减少码间串扰的影响。如信道条件差或码率过高时，还需要采用自适应；均衡措施。TDMA系统的收发双工问题可采用频分（FDD）方式，也可以采用时分（TDD）方式，采用TDD方式时无需使用双工器，因收发处于不同时隙，由高速开关在不同时间把接收机或发射机接到天线上即可。图72 TDMA时隙分配示意图图73 TDMA示意图723 码分多址CDMA方式CDMA方式是用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机编码信号或其他扩频码调制所 需传送的信号，使原信号的带宽被拓宽，再经载波调制后发送出去。接收端使用完全相同的扩频码序列，同步后与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号解扩为原始数据信息。不同用户使用不同的码序列，它们占用相同频带，接收机虽然能收到，但不能解出，这样可实现互不干扰的多址通信。它以不同的互相正交的码序列区分用户，故称为“码分多址”。由于它是以扩频为基础的多址方式，所以也称为“扩频多址（SSMA）”。 扩频信号是用扩频码序列填充到所需传送的数据中形成的信号。频带展宽的倍数称为扩 频系数，用分贝表示称为扩频增益。扩频的基本原理在本课中不做介绍，扩频通信课作了详细阐述。本章介绍运用相互正交的码序列互不干扰的机理来实现多址通信，基本原理是相同的。在码分多址通信中，所用扩频码也就是地址码，应符合式（75）确定的正交条件： （75）有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。互正交的码序列数取决于码的位数和扩频码的类型。一般而言，位数越多，正交码序列数越多，但带宽也展得越宽。例如用511位扩频码，带宽就要扩展511倍。至于序列数有多少，取决于扩频码的性质。在CDMA系统中，由于带宽展宽带来了很多优点，因此有很好的发展前景，最重要的是它的抗干扰能力强。首先，非扩频的干扰信号进人接收机后，与本地扩频码相乘，干扰功率被分散到很宽的频谱上，落在有效频带内的干扰功率只有很小一部分，影响大为减小。其次，其他扩频码干扰进人时，只要不是同一个扩频系列，在经过相关接收以后，没有输出或输出极小，影响也小。其三，由于采用相关接收技术，只有主信号和本地扩频码同步解扩后有输出，延时后的信号虽然属同样的扩频序列，相关后输出极小或没有输出，从而可以去除多径效应引起的码间串扰，所以无需均衡器。其四，扩频机制使信号带宽远大于相关带宽时，由于多径而产生的选择性快衰落的影响大大减弱，参见图74。目前应用最多的扩频方式有两类：（1）直接扩频方式码分多址（DS/CDMA），直接用扩频码作为地址码调制信号，调制方式通常用PSK。（2）跳频扩频方式码分多址（FHCDMA），属于间接型，用MFSK调制。通常用地址码控制特制的频率合成器，产生频率在较大范围内按一定规律周期性跳动的本振信号，与高速的信息码混频后输出。 图74 扩频示意图724 空分多址SDMA方式空分多址利用不同的用户空间特征区分用户，从而实现多址通信的方式。目前利用最多也是最明显的特征就是用户的位置。配合电磁波传播的特征可以使不同地域的用户在同一时间使用相同频率实现互不干扰的通信，例如可以利用定向天线或窄波束天线，使电磁波按一定指向幅射，局限在波束范围内，不同波束范围可以使用相同频率，也可以控制发射的功率，使电磁波只能作用在有限的距离内。在电磁波作用范围以外的地域仍可使用相同的频率，以空间区分不同用户。实际上在频率资源管理上早已采用了这一思想，可以说是较古老的一种多址方式。但近年来，在蜂窝移动通信中由于充分运用了这种多址方式，才能用有限的频谱构成大容量的通信系统，称为频率再用技术，成为蜂窝通信中的一项关键技术。卫星通信中采用窄波束天线实现空分多址，也提高了频谱的利用率。由于空间的分割不可能太细，虽然卫星天线采用阵列处理技术后，分辨率有较大的提高，但一般情况下不可能某一空间范围只有一个用户，所以空分多址通常与其他多址方式综合运用。近年来，人们发现空间特征不仅是位置，在技术飞速发展的今天，一些当时认为无法利用的空间特征现在正逐步解决，形成以智能天线为基础的新一代空分多址方式。将以位置为特征的空分多址称为广义的SDMA。 （7-6）图75 SDMA示意图除了以上4种多址方式以外，其他复用方式也可以用在多址通信中，如极化复用和波分复用等。当然，这些方式在多数情况下也是和其他方式综合运用的。73 蜂窝制中多址技术的应用蜂窝网中的多址连接与系统的特点有关，根据系统的特点合理地选用多址方式是蜂窝系统的关键问题之一。蜂窝网由大量基地台组成，每个基地台有数量有限、传播距离也有限的无线信道根据用户的申请指配使用。信道的指配、交换等控制功能由移动交换局通过移动局与基地台的地面网络实现。移动用户也可以通过移动局与市话局、长话局之间的网络实现与本地或外地固定用户和移动用户的通信。蜂窝系统实际上是运用无线通信和有线通信等多种手段的综合通信网络。不仅如此，蜂窝系统还依靠综合运用多种多址技术使用较有限的信道（频谱）构成甚大容量并能覆盖较大范围的通信系统。选用多址方式还应考虑到蜂窝系统工作在较恶劣的城市环境之中，建筑物林立，电磁波吸收、散射及多径效应影响严重，工业及各种电磁干扰众多，而且用户位置是迅速变化的，接收条件也随之迅速变化。多址方式必须适应这种工作环境。731 空分多址频率再用技术7311 空分单元小区群蜂窝网依靠严格地控制功率，精确地安排频谱，有效地实现空分多址，极大地发挥有限频谱的效能。蜂窝网将所覆盖的区域划分为大量小区。每个小区使用若干不同频率，称为一个频率组，组内的频率数就是该小区能同时服务的信道数。相邻小区使用不重复的频率，构成一个小区群。小区群内的小区数也就是频率组的数目，它与组内平均频率数的乘积是该蜂窝系统所需占用的总频率数，该乘积决定了系统所占用的频谱。一个小区群就是一个空分单元。由多个具有同样频率构造的空分单元构成了整个空分多址系统，但在蜂窝系统中这些小区群的构造和安排有一定原则：首先要做到各小区群的衔接密合，无空隙、无重叠。蜂窝状是一种优选的结构；其次要做到使用的频率完全对称，即两群间使用同一频率组的小区之间距离相等。小区群内的小区数（即频率组的数目）可以有3、4、7、9、13、16、等多种，图76表示了符合上述条件的几种情况：三频率组、四频率组、七频率组和十三频率组的小区群等。图76 小区群的组成7312 空分单元划分的原则小区群是“空分多址”中的一个单元，那么，单元的大小是如何确定的？或者说，空分单元的划分应当遵循什么原则？首先，空分单元的划分受总的频谱限制。若一个小区内能提供的无线信道数为N（在频分多址系统中，即一个频率组内的频率数），系统的频率组数为M（即一个小区群包含的小区数）测该蜂窝系统所需占用的信道总数为NM。从这个角度看，频率组数不宜太多，或小区群不宜太大，否则占用频谱宽。若总频谱一定，小区群过大，每小区能使用的信道数少，所能承担的业务量就少。其次，从图中也可以看出，频率组少，与“再用”频率的小区间隔近，同频率信道干扰也大。小区群的大小（即频率组的数目）是受干扰约束的。第三，系统能承受的干扰与通信体制有关。为满足正常通话，信号电平至少应比同信道干扰电平值高一定数值。这一数值取决于系统所用调制方式和多址方式。如FDMA系统采用30KHz带宽模拟调频制时，信号电平至少要比同信道干扰电平值高18dB，即信干比（SI）18dB。采用5 KHz带宽的单边带调幅制时，其S/I值应大于38 dB；数字TDMA系统的（SI）值大于13dB即可。 CDMA也有相应的要求。当然，上述数值还与具体的接收方式等诸多条件有关。 因此，研究空分单元的划分首先应根据系统的体制确定应具有的最低信干比，实际的信干比取决于同频干扰源的数目和它们之间的距离。对于理想正六边形的蜂窝结构，第一层次的同频干扰源为6个，第二层次距离较远，可以忽略。与同频干扰源之间的距离D取决于小区群内小区的数目M，研究空分单元的划分（即小区群的大小）要先研究D与M之间的关系。7313 群内小区数M与干扰源距离D的关系如图77（a）所示的正六边形蜂窝单元中R为蜂窝半径（中心至顶点的距离，即边长）h为中心至每边的垂直距离，则 （77）2两个小区中心间的距离应为 （78）图77 蜂窝网距离计算分析正六边形的蜂窝系统时，采用非直角座标系更方便。如图77（b）所示，某同频小区距原点小区的距离（按中心点计）为： （79）式中I、J为该同频小区沿I、j轴方向与原点间以小区数计的距离，实际距离分别为RI、RJ。 式（79）可改写为 （710）单位小区的面积为 （711）6个同频小区中心相连可得一个大的正六边形，如图78所示。图中的阴影小区为所研究的小区，粗线为不同频的小区群，图中给出了三小区和七小区两种小区群。大正六边形的顶点为阴影小区的6个同频小区，大六边形的面积为大小六边形面积之比。 （7-12） (7-13)图7-8 同频干扰小区分布从图78可看出，大六边形包含的面积AD为小区群面积AG的3倍，从而可得 （714）显然，小区群面积与单元小区面积之比是小区群内的小区数M，故可写成： （715）由此可得，再用频率小区间隔距离D与小区群内的小区数有下述关系： （716） 表 7l列出了不同 M值时的 D/R值。 表71 不同小区群要求的DR值 式 716与表 71给出了小区群的大小与 D/R比值的关系，若系统要求的 D/R比值确定，小区群内最少的小区数也就确定。7314 空分单元的划分与信干比的关系下面进一步研究在允许的信干比条件下，空分单元的划分方法，即如何确定小区群内的小区数。由于信号强度随传播距离的增加而以n次幂减弱，当传播距离在1公里以上时，n值在34之间，可得信干比为： （717）若干扰源有L个，则干扰要增加L倍，上式减少L倍。采用蜂窝结构并只考虑第一层同频干扰时上取6。上式可写成： （7-18a）若以分贝表示，又可写成： （7-18b）若传播衰减系数 n=4，于扰源数 L=6。对 30kHz模拟窄带调频制而言，（S/I）应大于 18Db，则（D/I）比值应不小于 442。在选择系统方案时，要兼顾频谱利用率和同频道干扰两方面的因素。应在满足干扰要求时尽量选取较小的空分单元，即较小的M值。这样，在总频谱一定时，每个小区可以承担较大业务量。如上例，按表71则M值应取7。选择M值时还应当考虑传播条件，如传播条件好，干扰的传播距离远，M值还应取得更大。采用定向的扇面波束天线可以减少有效干扰的个数。若每个小区基地台用3个120度扇面波束天线，它只向 13的地域辐射电波，也只接收 13地域来的电波，有效干扰源的个数也就减少到 13，即由 6个减为 2个。从而要求的 D仅值由 442降为 335，系统频率组 M由 7相应减少为4（见表72）。 表72 不同干扰源数要求的D/R值 在蜂窝系统中，同频信道干扰是主要约束，恰当地选择空分单元的大小是组网的关键，是决定频谱利用率的主要因素。7315 新一代空分多址以自适应阵列处理为基础的智能天线技术应用于蜂窝系统为空分多址开辟了新的渠道。传统的空分多址只是利用用户的位置特征，在蜂窝系统中利用信号传播距离的有限性，有时也利用扇形天线的方向性，间隔一定距离的小区用户可以在同一时间使用同样的频率。小区范围内的用户被认为是使用同一条空间信道，而实际上，即使在同一小区内，处于不同位置时，接收信号的条件也有所不同。如何更充分地利用用户的空间特征，进一步提高空分多址的效能，是一个新的研究热点。信号到达方向（DOA，DirectionOfArrival，）、多径结构、多普勒频移等也都反映了用户信号的空间特征，不同用户均有差别。以阵列处理为基础的智能天线技术的发展为解决这些问题创造了条件。采用高分辨阵列处理估计辐射源信号参数和信号到达方向。用自适应阵列实现对阵列天线的波束幅度、波束指向和波束零点位置的自适应控制。通常采用数字波束形成技术自适应地控制波束，在期望方向保证高增益指向，在干扰方向形成零点。试验表明，在CDMA、FDMA和TDMA系统中，阵列处理技术对系统有以下改善：（1）新的SDMA中智能天线指向性发射，减少了同频道小区的干扰，对CDMA系统而言，也包括本小区的干扰。还可以直接利用波束零点抑制干扰，进一步提高通信质量。它还可以减少多径数目，提高抗多径干扰性能；（2）信干比的提高缩小了空分单元，可以增加系统容量；（3）由于采用自适应天线技术，提高了功率传递效率。对于相同的通信质量要求，可以减少发射机的功率，预计在第三代蜂窝系统中将得到实际应用。当然，要做到对每个用户提供独立的空间信道还有很大差距。732 频分多址频分多址是应用最早的一种多址方式，也是技术上最成熟的方式，在蜂窝系统中也是应用最早的，目前仍在大量使用。虽然频分多址方式在很多地方已逐步为时分多址方式和码分多址方式所取代，但这些多址方式在运用时仍然需要与频分方式相结合。在蜂窝系统的频分多址方式中，每信道用一个载频，即单路单载波方式。为了解决抗干扰性能和信道带宽的矛盾，通常采用窄带调频（调相）的折衷方案。国际电联建议载频间隔为25KHz，也有规定为 30 KHz（北美）和 20 KHz（德国）的。带宽更窄的调制方式，如果其抗干扰性能差，在蜂窝网不一定有利。有人推荐用 5 KHz 带宽的单边带调幅制。虽然每话路带宽仅为调频制的16，但对信干比的要求高达38dB，要求同频干扰小区的距离大，小区群内的小区数M高达 66个，频分的效率高，空分的效率却极低。调频制的信干比要求为 18dB，M值为 7。综合频谱效率高于单边带制。综合考虑频谱效率也是蜂窝系统组网的一个特点，与不利用空分功能的大区制或其他系统不同。模拟制移动台的结构比较简单。但在蜂窝网中，基地台设备庞大，它提供的每一条信道都要有一部收发信机，多部收发信机需要用天线共用器。此外，越区切换较复杂并且较困难，因为在FDMA系统中，每条信道都是连续传送的，切换信道时必须瞬时中断传输数十至数百毫秒，将影响数据传送。在数字制中传输语音时，由于语音数字化后占用带宽较宽，必须改进射频调制和采用压缩编码技术，结构较模拟制复杂。在单路单载波的蜂窝系统中，较少采用数字体制，而多半是若干路时分或码分信号为一组，采用频分方式进行第二层多址连接，即以时分或码分多址为基础与频分多址相结合的方式。每载频载有多条时分信道或码分信道，占有较宽的频带，即多路单载波方式。如欧洲的GSM系统，每载频载有8条时分信道，带宽200 KHz。每个基地台根据业务量的大小配置数个载频按频分方式工作，即 TDMAFDMA方式。在这些时分系统中，相邻小区必须使用不同载频，按频分原则实现多址通信。733 时分多址在TDMA系统中，在一个较宽频带的载波信道上按时间划分为若干帧，每帧又分为若干条时分信道，称为时隙。在蜂窝系统中，每个用户占用一个时隙，在该时隙中以突发方式发送或接收信号。总的码元速率比较高，大于各路码元速率之和，因为还要传输帧同步、位同步等开销比特，还要保留部分时隙传输控制信息和信令。在欧洲GSM系统中，开销比特约占总比特的30。北美的IS54略低于此值。可以看出，TDMA在频谱利用率方面高于FDMA方式，但时域方面的开销较大，总体效率略低于FDMA方式。7331 蜂窝系统TDMA的特点通常将一个载波占用信道全部带宽的称为宽带TDMA，而将占用部分带宽的称为窄带TDMA。由于移动环境的传输条件相当恶劣，多径效应较突出，高速传输时难以保证一定的误码要求，超过100-150 Kb/s时必须采用自适应均衡等信号处理措施。即使如此，在一条载波信道上要容纳更多的时分信道也有困难，在实际陆地蜂窝系统中，均采用窄带 TDMA。将工作频域划分为多个频段，采用多个载波，以降低传输速率。各小区根据业务情况分配若干载波，实质上是时分多址和频分多址的综合运用。例如，在欧洲的GSM系统中，载波间隔200 KHz，语音编码速率 13 Kb/s，再加纠错和交织等，每条话路占 228 Kbs，一个载波分为 8个时隙，加上其他开销，总码元速率已达 27083 Kb/s。为了保证高比特率的正常传输，采用自适应均衡技术。再如北美的 IS54系统，它考虑与原来模拟系统兼容，采用 30 KHz载波间隔。每载波 6个时隙，每用户占两个时隙，即每载波供3个用户使用。IS54采用VSELP编码算法，语音速率8Kb/s，加信道纠错编码5Kbs，控制等开销比特平均每话路32Kbs，每载波（三话路）486 Kb/s。可以不用自适应均衡器，使电路设计简化，但每小区要更多的载波才能满足需要。在上述TDMA系统中，相邻小区按FDMA方式采用不同载频。有一定间隔的小区仍按频率再用的原则实行空分多址。由于TDMA中采用有纠错的数字制，付出了一定代价（GSM增加了75的比特，IS54增加了60），但它们的抗干扰能力优于模拟制，空分单元可以划得更小。在数字系统中，信干比可以由18dB降至 13 dB，空分单元可以由七小区减为四小区，从而增加每小区可用的信道数，提高了频谱利用率。为提高抗干扰能力而损失的带宽可以由提高空分效率而获得补偿。若基地台采用120“扇面天线，干扰源的数目减少到13，空分单元可以压缩到三小区。综上所述，在蜂窝制 TDMA系统中，实际是以 TDMA方式为基础的 TDMAFDMASDMA等 3种多址方式的综合运用，保证了较高的频谱利用率。7332 TDMA系统中的语音编码要降低总的码元速率，必须压缩每条话路所用的比特率，必须对语音进行压缩编码。考虑到蜂窝网不是独立的电话网，总是要和市话网、长话网统一运行，对语音质量有较高的要求。但ITUT G711建议（64 Kbs PCM）和G721建议（32 Kbs ADPCM）的数码率太高，而且由于蜂窝系统信道条件恶劣，还需增加额外的纠错等保护比特，必须采用效率更高的压缩编码算法。 GSM系统中采用的是RPELTP算法（带长时预测的规则脉冲激励），语音编码的比特率为13 Kbs，为保证语音质量增加纠错比特后，每话路的比特率为228 Kbs。IS54系统中采用的是 VSELP算法（矢量和码激励），语音编码为 8 Kb/s，加纠错后的每话路总比特率为13 KbS。RPELTP算法是多脉冲激励类型的改进，VSELP算法是码激励类型的改进，这两种算法都属于合成一分析（AbyS）法的范畴，前者从一组规则脉冲中产生激励，后者从特殊码本产生激励。由于移动通信发展迅速，需求量急剧增长，进一步降低语音编码速率势在必行，两个系统均已决定采用各自的半速率算法，可以在原来传送一路话音的时隙中传送两路话音，容量增加一倍。7333 TDMA的设备特点在TDMA系统中，精确的同步是时分多址系统正常运行的前提，全系统要有严格的同步机制作为保证。特别是由于移动通信的信号传输条件比较恶劣，在高速运行时，更是一个难点。TDMA系统的移动台比FDMA的复杂，因为需要完成语音压缩解压、自适应均衡等信号处理功能。由于近年来数字信号处理技术和大规模集成技术发展很快，处理复杂性的因素所占份量已越来越小。TDMA的基地台复杂度较低，小容量系统的每个基地台只需一个载波，只要一部时分收发信机即可。大容量系统载波数也远少于FDMA系统，共用设备简单，成本较低。734 码分多址7341 系统的基本特点蜂窝系统中的码分多址与其他系统的一样，收发都只有一个公共载频，用不同的互为正交的扩频码序列区分用户，实现多址通信。在实际工作中，考虑到扩频序列获取的难易，往往采用准正交的扩频序列，即其之间的相关系数极小，但不等于0。码分系统采用功率控制时，基地台收到各用户的功率可以认为是相等或接近相等的，但只有规定接收的用户才能用与扩频码相同的码序列解扩，才能还原为有用的信号。其余的用户信号由于扩频码不是同一序列，而且是 相互正交或准正交的，相关接收后不会还原成原始信号，只是削弱且变成噪声类型的干扰，参见图74。小区用户的数量不取决于频道和时隙，在能使用的正交序列数不受限制的情况下，取决于其他用户造成的干扰，包括小区内其他用户以及其他小区用户。码分蜂窝系统不同于频分和时分系统，是一种干扰受限系统，而且受系统自身干扰的限制。FDMA与 TDMA系统所能占用的总带宽是严格受限的，称为带宽受限系统。但它们的总容量也受到另一种含义的干扰限制，就是来自同频小区的干扰。同频小区干扰限定了空分单元的大小。每个空分单元能占用的频谱也就是系统的总频谱，空分单元越大，频率再用率越低，每小区所能用的信道越少，系统的总容量也越小。当然，这是另一种性质的干扰限制。蜂窝系统的码分多址主要采用直接扩频方式，即 DSCDMA。7342 CDMA系统的容量设信号速率为R（bs），基地台接收的信号功率为P，则每比特的信号能量E为 （719）若小区内用户数为M个，除所需用户外，其余M1个用户均为干扰。假设经功率控制后，基地台接收各用户的功率均相同，则干扰功率应为（Ml）P。解扩后的噪声谱密度N为 （720） 式中，W为扩频后的信道带宽。 信号和干扰的比值为 （721） 虽然干扰功率比信号几乎大M倍，但经扩频解扩处理后削弱了W/R倍。W.R表示频带展宽的倍数，称为扩频系数，若以分贝表示测为扩频增益。上式表示，若信号速率和信道带宽一定，要保证要求的 E/N，小区能同时通话的用户数也就确定： （722）由于 CDMA系统采用相关接收技术，较低的信干比就能保证一定的通信质量。在高速公路上高速行驶时，信干比约需8dB左右，平时还可以再低些。我国平均取 665dB。这也是CDMA制的一个优点。 在 CDMA系统中，当扩频增益确定以后，容量只受干扰的限制。干扰的增加或减少直接影响容量的减少或增加。在确定小区实际容量时还需考虑以下因素：（1） 相邻小区的影响式（722）只考虑了本小区，还应考虑相邻小区产生的干扰。在蜂窝CDM A系统中，相邻小区的各用户使用同一载频，只是用不同的扩频码，它们对本小区都产生干扰，这是不同于FDMA和 TDMA系统的特点。容量随距离的增加而减弱。若考虑邻区影响干扰增加 A倍，容量应相应减少A倍。（2）有效讲话因素用户占用信道后，并非所有时间都讲话，有时在听对方讲话，而且讲话时也有间歇。实际有话音的时间只占40左右。当系统装有“话音激活”装置时，无话音时不发射信号，也就不产生干扰。只有正在讲话的用户才是有效的干扰用户。所以干扰总量应当乘以用户有效讲话的因素，设为B（Bl）。（3）使用扇面天线为减小干扰，基地台可以使用扇形波束天线，若使用120波束天线，干扰源减少到13。在FDMA和TDMA系统中，干扰源的减少可以减少空分单元的小区数，从而间接地增加了容量。在CDMA系统中，干扰源的减少直接意味着容量的增加。设干扰源变化的系数为C（C1）。综合上述因素，容量计算的表示式应写为： （723）应当指出，所能获得的相互正交的扩频序列数也是限制 CDMA系统容量的一个因素。但在蜂窝系统中，覆盖范围和系统容量是依靠大量基地台和频率的再用获得的，在CDMA系统中是扩频序列的再用。基地台的功率有严格限制，每个基地台覆盖的范围很有限，传播损耗与距离的34次幂成比例，隔若干个小区后，又可以使用相同的扩频序列，即按空分多址原则组织网络。CDMA还可以和FDMA、TDMA综合运用。所以扩频序列数是限制CDMA系统容量的一个因素，但一般情况下不是主要因素。按空分多址原则组织网络就是相同码分结构的单元占用不同空间，多个空分单元构成蜂窝系统。当扩频系列“再用”时，增加一部分相同扩频系列的干扰，这部分干扰属于可懂干扰，要求更严格，可按FDMA系统中同频干扰的方法来处理。7343 CDMA容量计算举例以某CDMA系统为例，其典型数据如下：解调要求的最小信噪比 EN=6dB扩频带宽W=125 MHz数据速率 R=96 Kb/s相邻小区的影响涉及因素较多，难以准确计算。有一些不同的分析和计算方法，本节只介绍一种简单的估算方法：以式（722）计算的本小区干扰为基准（10O）。干扰随距离的34次幂减弱，如图89第一层有6个小区，统计数字表明每小区干扰的平均值可按6计算；第二层有12个小区，每小区的干扰平均值可按02计算；第三层以后，因距离太远，干扰很弱，可以忽略。如此可得总的干扰增加倍数A为： 若话音活动因素B按05计算，天线扇面因素C也按05计算，多小区因素A取014，可以算得小区可容纳的用户数为M=94可以看出，在蜂窝系统中，与用频分制或时分制相比，采用码分制可以获得更大的容量。以上分析中没有计及热噪声的影响，由于它所占比重较小，不影响所得结论。7344 软容量码分蜂窝系统是干扰限制系统，干扰 的任何减少意味着容量的增加。频分和时分系统的机制不同，它们是带宽限制系统，容量取决于带宽。当系统根据带宽确定了频道数和时隙数后，容量也就确定不变。不同的干扰水平采用不同的小区划分方案，也在一定程度上影响容量，但不是随意改变的。利用话间插空技术采用分组预约多址（PRMA）协议，也可以增加容量，但这是另一范畴的问题。图7-9 CDMA系统的干扰分布在CDMA系统中，只要没有超过扩频序列数，增加一个正交码分用户，只是增加了一些干扰噪声。例如，小区用户从20户增加到21户时，信干比仅降低02ldB，所以称之为“软容量”。称为“软容量”的另一个理由是在实际的 CDMA系统（如 IS95）中采用了可变速率的语音编码器。扩频系统的扩频增益=W/R。当信源速率降低时，提高了扩频增益，由式（722）可知，系统的容量也增加。当然，前提是有相应的硬件设备保证。7345 “软切换”由于码分蜂窝系统中的相邻小区可以使用同一载频，接收时以不同的扩频码区分和选择用户。在FDMA和TDMA系统中，相邻小区使用不同载频，当移动台离原小区基地台越来越远，信号越来越弱，需要切换到另一小区时，需要更换载频，先切断原载频，再调整到新载频，即“先离后接”方式。需要中断 100200 ms，传送语音时影响不大，但传送数据或传真时会丢失数据。在 CDMA系统中，越区切换时载频不变，只是更换扩频码而已，可以“先接后离”，称为“软切换”，其过程比FDMA和TDMA简单得多，也不会丢失数据。7346 CDMA系统的其他特点由于码分蜂窝系统中，收发都只有一个公共载频，没有指配频率等问题。基地台设备远较FDMA简单，也较TDMA简单。移动台得以简化，频率管理问题比较简单。但在CDMA中，由于都用同一个载频，近处的移动台信号过强，将抑制远处较弱的移动台，这就是“远近效应”，必须有功率控制。功率控制不当将会严重影响系统的容量和通信质量。在码分系统中，由于用户是随机接人的，容量有弹性，但造成干扰的方差很大，性能不够稳定，如何控制多用户干扰仍是个待解决的问题。第一个实际运用的 CDMA系统是 Qualcomm公司的 IS95。它用 PN码扩频来区分小区，再用 Walsh码扩频来作小区内的码分多址。特别是各小区用同样的载频和同样的 PN码，但各基地台的PN码有时间差，相关检测能根据时间差识别自己的小区，排除其他小区。这就需要有统一的且精确的计时，在IS95中由GPS完成这一任务。735 几种多址技术的特点几种多址方式各有特点，参见表73。各种通信系统也有其自身的特点，必须根据系统的特点综合运用各种多址方式才能获得最好的效果。上面提到在实际的蜂窝系统中，TDMA系统总是和FDMA一起使用。由于系统的特点，在本小区内要将总频带划分为若干个频段，在时分多址的基础上实现频分多址，而且相邻小区间必须采用不同载频。为了能用有限的频谱或一定数量的正交扩频码覆盖较大的城区范围并承担较大的业务量，无论 FDMA、TDMA 还是CDMA均需妥善地运用SDMA技术。在不同的地域采用同样的频率或扩频序列，以空间位置的不同实现多址。可以说，正确地和巧妙地运用多种多址技术是构建高性能蜂窝系统的关键问题之一。 表73 在移动通信中各种多址技术的特点736 第三代蜂窝系统中的多址技术 第一代蜂窝系统以模拟的 FDMA为代表（结合 SDMA），第二代以数字的 TDMA 和CDMA为代表，结合了FDMA和SDMA。现在正在酝酿着第三代蜂窝系统，就是国际电信联盟的ITUR提出的IMT2000，其主要特征是能承载宽带高速业务和更大的用户容量。竞争方案很多，主要是西欧和北美的，日本由于第二代产品的竞争不很得力，因此也积极参与第三蜂窝系统的竞争。由于难以形成统一的方案，又提出所谓IMT2000“家族”的概念，允许“家族”内部有几个方案并存，而争取满足一些共同的要求，如系统间能建立漫游关系等。ITU的 TG 8/1研究组于 1999年 11月的赫尔辛基会议上通过了关于 ITM2000的无线接口拟规范（IMTRSPC建议）。在一些影响较大的候选方案中作了协调和妥协，如TDMA和CDMA的妥协、CDMA各方案间的妥协、双工中 TDD与 FDD间的妥协等。在 IMTRSPC中明确有5个标准，分别为 CDMATDD、CDMAMC、CDMADS、TDMASC以及 FDMATDMA。我国在会议上提出的基于智能天线技术和软件无线电技术的同步时分双工 TDSCDMA方案受到国际重视，成为该建议的一个组成部分，作为CDMATDD的一种类型，这是我国第一次向ITU提交自己的候选技术。本节不拟全面介绍第三代系统，只介绍几种候选方案的多址方式，分析它们是如何解决宽带问题的。分析时应注意到各公司为了维护本身的利益，不仅考虑技术的先进性，还强调与本公司第二代产品的继承性与兼容性。CDMATDD的另一个方案是酉门子等公司提出的 UTRA TDD方案，原称为TDCDMA。该方案实际是带有扩频的宽带TDMA。在TDMA系统中引人扩频机制，用以减小多径引起的码间干扰。在各时隙中填入扩频码片，码片速率为 384 Mc/s。只要扩频系列的自相关特性足够尖锐，解扩时，非主要途径的信号在相关检测后只有极小的输出，影响减少，可以适应较高的传输速率。就某一小区而言，扩频降低了频谱利用率。但如果所用扩频序列有足够多的正交扩频码，相邻小区可以用另一组相互正交的扩频码，小区之间用扩频码字区分，可以用同一载频。如此又可以提高频谱利用率。新方案考虑了与GSM的反向兼容问题，部分参数与GSM相同。我国在会上提出的是TDSCDMA方案，其码片速率为128 Mc/s。两个方案的物理层不同，第2、3层大致相同，正在进行融合工作。应当指出，美军的战术信息分发系统（JTIDS）采用时分多址加扩频技术的方案。为了抗干扰和保密，采用了较大的扩频系数，还增加了跳频功能以适应军事通信的需要。Lucent和 Qualcomm等公司的多载波码分多址 Cdmaone方案（或称为 Cdma2000）已列入标准，方案的特点是将多载波并行传输技术与CDMA结合运用，以解决在宽带移动通信中的符号间串扰（ISI）问题。多载波传输技术将要传送的信息分散到许多子载波上，降低了各子载波的信号速率，从而能有效地克服高速通信时的ISI影响。该方案沿用了IS95的一些技术和思路，采用了 PN伪随机码和 Walsh码扩频，也需要GPS定时。它考虑与 IS95实现反向兼容，并尽量应用较成熟的技术。目前的IS95B已能承载115 Kb/s的数据业务，IS95C将能支持144 Kb/s的速率，具有更大带宽的 Cdma2000可支持 ZMb/s高速数据业务。另一种列入标准的是爱立信和日本NTT公司的WCDMA，它的无线接口技术与Cdmaone大致相同，但没有用Qualcomm公司的专利。它采用DSCDMA多址方式，用扩展的Gold码和Walsh码，码片速率是 384 Mc/s，载波带宽 5 MHz。系统不采用 GPS定时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，不受GPS系统的限制。赫尔辛基会议上通过的 IMT RSPC建议中关于 IMT-2000的标准虽然有 5种，但影响较大的3个方案都是以CDMA技术为基础的，还有两个TDMA方案影响较小，可以说CDMA是未来移动通信的主流方向。限制CDMA容量的主要因素是多用户干扰。目前在解决多用户干扰方面的研究热点集中在以下几方面：（1）关于功率控制问题。前已述及，CDMA系统必须严格控制发射机的功率。这并不是消除多用户干扰，而是使多用户干扰平均化，从而可在存在多用户干扰的条件下获得最大容量。但如何准确地控制功率目前还存在问题。因为通常是依靠测量接收端的误码率来判别，而误码率与接收功率的关系不是唯一的，而且误码测量值往往跟不上环境的变化。提高功率测量的准确性和及时性尚需进一步努力。（2）由于移动用户的位置、传播的途径和传播延时差等的随机性，影响了CDMA信道间的正交性，增加了多用户干扰。正在探讨寻找具有较强顽健性的准正交码序列，以减少随机性的影响。（3）抑制或抵消多用户干扰的方法也是当前研究的一个热点，例如采用多用户联合检测来抵消本小区的多用户干扰。（4）采用以阵列处理为基础的智能天线技术，使天线波束自适应地跟踪目的移动用户，或 自适应地集中接收目的用户的电波，减少多用户干扰。此外还在进一步研究利用智能天线分解用户的空间特征，从而提高空分多址的能力，并增加容量。当然，需研究解决的问题不仅限于CDMA的技术问题。各标准的细节以及它们之间的融合方法也正在积极研究和制定中。有些涉及移动通信的体制问题也开始酝酿。第二代蜂窝通信的核心网有两种：欧洲的GSM和北美的ANSI41。第三代移动通信核心网的标准尚未完成。作为过渡，CDMATDD及 WCDMA采用 GSM核心网，Cdmaone采用 ANSI41核心网。核心网的差异是全球漫游的主要障碍。是寻找这两种核心网融合的办法？还是另辟途径以适应信息需求的发展？随着因特网的迅猛发展已形成通信领域的另一大热点。蜂窝网发展不可能不考虑与因特网的结合问题，但在什么程度上结合却有分歧。实际上人们已经在讨论“移动IP”问题，已经有不少移动数据的应用协议推出，如 GSM系统的 WAP协议就是其中之一。IMT2000“家族”各成员的高层协议中均要求包括数据业务的处理和控制问题。人们已提出在未来的移动网络中是以话音业务为主，还是以数据业务为主，进一步说，未来的核心网仍然是电路交换呢？还是直接过渡到分组交换（或信元交换）？是在第三代中过渡还是到下一代再过渡？这些问题都会影响到多址方式的运用，需要密切注意其动向。74 卫星通信中的多址技术卫星通信具有覆盖面积大的特点，在卫星天线波束覆盖范围内的任何地球站通过共同的卫星的中继和转发来进行双边或多边连接，实现多址通信。与用大量覆盖范围极小的基地台转发信号的蜂窝通信相比，卫星通信的多址方式有其特殊性，特别是如何利用和分配公用的卫星转发器的功率和