第六章-多址接入技术PPT课件

.,1,第6章多址接入技术,.,2,多址接入技术,所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道,以提高频谱利用率的技术。即把同一个无线信道按照时间、频率等进行分割,使不同的用户都能够在不同的分割段中使用这一信道,而又不会明显地感觉到他人的存在,就好像自己在专用这一信道一样。占用不同的分割段就像是拥有了不同的地址,使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址。这就是多址技术,亦称多址接入技术。,.,3,多址接入技术,实现多址技术的主要方式,多址方式的基本类型有三种，即频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA及它们的混合应用。,.,4,频分多址（FDMA）以频率区分信道,FDMA是以不同的频率信道来实现多址通信,频分多址技术按照频率来分割信道,即给不同的用户分配不同的载波频率以共享同一信道。频分多址技术是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移动通信的基本技术。在FDMA系统中,信道总频带被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频带(地址),每个子频带分配给一个用户,每个子频带在同一时间只能供给一个用户使用,相邻子频带之间无明显的干扰。,.,5,FDMA通信系统的工作示意图,.,6,FDMA在移动通信中，最典型的频分多址方式有北美800MHz的AMPS体制，欧洲与我国900MHz的TACS体制。主要技术特点每个信道传送一路电话，带宽较窄。TACS为25KHz，AMPS为30KHz。当系统为移动台分配了信道，移动台与基站之间会连续不断收、发信号。由于收发信机同时工作，为了收发隔离，必须使用双工器。公用设备成本高，FDMA采用每载波（信道）单路方式，一个基站30个信道，则每基站需要30套收发信机设备，不能公用。,.,7,时分多址（TDMA）,TDMA是以不同的时隙实现多址通信,时分多址技术按照时隙来划分信道,即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。时分多址技术是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术。在TDMA系统中,时间被分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙(地址)。无论帧或时隙都是互不重叠的。然后,根据一定的时隙分配原则,使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不混扰。同时,基站发向多个移动台的信号都按顺序安排,在预定的时隙中传输。各移动台只要在指定的时隙内接收,就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。,.,8,时分多址（TDMA）通信系统的工作示意图,.,9,TDMA在移动通信中，最典型的时分多址方式有北美D-AMPS与欧洲和我国GSM-900，DCS-1800及日本的PDC。主要技术特点每载波8个时隙信道，每个信道可提供一个数字语音用户，因此每个载波最多可提供8个用户；采用突发脉冲序列传输，每个移动台发射是不连续的，只有在规定的时隙内才发送脉冲序列；传输开销大，GSM帧结构分为时隙、TDMA帧、复帧、超帧和超高帧5个层次，每个层次需占用一些非信息位的开销，总开销比较大。,.,10,码分多址技术按照码序列来划分信道,即给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道,即使用不同的信号波形区分不同的用户。码分多址技术是第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。在CDMA系统中,每个用户被分配给一个唯一的伪随机码序列(扩频序列),各个用户的码序列相互正交,因而相关性很小,由此可以区分出不同的用户。与FDMA划分频带和TDMA划分时隙不同,CDMA既不划分频带又不划分时隙,而是让每一个用户使用系统所能提供的全部频谱,因而CDMA采用扩频技术能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同码序列来实现多路通信。CDMA示意图如图所示。,码分多址（CDMA）,.,11,码分多址（CDMA）,CDMA以不同的码序列来实现多址通信,.,12,12,码分多址（CDMA）通信系统的工作示意图,.,13,CDMACDMA与FDMA、TDMA划分的形式不同，FDMA与TDMA属于一维（频域或时域）划分，CDMA属于二维（时、频域）划分。CDMA的地址划分是基于特征，CDMA中所有用户可同时占用同一时隙、同一频段，只要它们具有可分离的各自特征。区分用户的特征是用户地址码的相关特性。移动通信中，最典型的码分多址方式有：2G的窄带CDMA系统（IS-95体制）；3G的宽带CDMA系统（cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA体制）,.,14,多址技术,.,15,以上三种多址技术相比较,CDMA技术的频谱利用率最高,所能提供的系统容量最大,它代表了多址技术的发展方向;其次是TDMA技术,目前技术比较成熟,应用比较广泛;FDMA技术由于频谱利用率低,将逐渐被TDMA和CDMA所取代,或者与后两种方式结合使用,组成TDMA/FDMA、CDMA/FDMA方式。,.,16,FDMA、TDMA、CDMA三种系统容量比较,2）无线小区容量的m计算m=B/(N*f)(单位为：信道/小区)其中B为频带宽带，f为频道间隔，N为cluster中小区数。,a）模拟TACS系统（FDMA）信道间隔25KHz信道总数1.25MHz/25KHz=50簇内小区数N=7系统容量mFDMA=50/7=7.1（信道/小区）,1)系统容量的定义：指能容纳的用户总数或系统最大容纳的信道数或系统输入话务量（爱尔兰）。,假设B=1.25MHz,则：,.,17,b）数字GSM系统，采用TDMA方式信道间隔200kHz每载频时隙数8信道总数（1.25MHz/200KHz）8=50簇内小区数N=4系统容量mTDMA=50/4=12.5（信道/小区）,c）数字CDMA系统CDMA的基础:扩频通信技术与CDMA多址技术,FDMA、TDMA、CDMA三种系统容量比较,为了进一步说明为什么采用扩频技术以支持CDMA，从而赢得系统容量和质量，我们先来了解扩频通信技术。,.,18,扩频通信技术扩频通信的基本概念扩频通信的理论基础数字信号扩频原理扩频的实现方法,.,19,扩频通信SS:SpreadSpectrum，指扩展频谱的通信扩频通信定义扩频通信技术是一种信息传输方式；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须的带宽收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢复所传信息数据。,扩频通信的基本概念,.,20,发送信息的频谱被展宽发送的信息通过扩频，将信号能量扩展到很宽的频带上，使扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达l001000，属于宽带通信；扩频方法：扩频码序列调制数字脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽。如果很窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号；该窄脉冲序列称为扩频信号，即扩频码序列；接收端相关解调解扩接收端则用与发送端完全相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解扩，恢复所传信息。,扩频通信定义的三个概念,.,21,问题的提出：在传统的通信系统中，我们总是想方设法使信号所占频谱尽量窄，以充分提高十分宝贵的频率资源的利用率。那么为什么还要用宽频带信号来传输窄带信息呢?,扩频通信理论基础,问题的回答：利用扩频实现码分多址方式。在传统的TDMA和FDMA之外又提供了一种新的多址方式。,.,22,香农(Shanon)公式扩频通信是以香农公式的理论发展起来的一种通信方式；香农公式：C=Blog2(1+S/N)=1.44Bln(1+S/N)C为信道容量，单位为b/s；B为传输的信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，N为噪声平均功率；香农公式反映的重要结论：频带B和信噪比可以互换；采用扩频信号进行通信的优越性在于用扩展频谱的方法可以换取信噪比上的好处。,扩频通信理论基础,.,23,信息传输差错概率的公式Pef（Eb/N0）Pe是信号能量Eb与噪声功率谱密度N0之比的函数信号的传输差错概率是输入信号的信噪比和信号带宽与信息带宽之比二者乘积的函数增加信号的频带宽度，可在较低的信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息；再次说明信噪比和带宽是可以互换的。同样说明了通过增加带宽可换取信噪比的好处。,扩频通信理论基础,.,24,数字信号的波形与频谱幅度为+1，持续时间为Tb的数字矩形脉冲R(t)经Fourier变换后的频谱为是sinx/x类型的函数,数字信号扩频原理,第1零点位于1/Tb，表示该信号的能量集中在第1零点内。它所占的频带宽度与Tb的大小相关，当脉冲越宽，其频谱带宽越窄。,.,25,幅度为+1和-1，持续时间为Tb的周期性脉冲R(t)，其频谱包络的形状与单矩形脉冲完全一样;第1零点处的频率正好为该周期性脉冲的传输速率1/Tb,数字信号扩频原理,.,26,扩展周期性脉冲的频谱方法将频谱的1/Tb第1零点向无限远推，即增大1/Tb的值；减小数字脉冲的持续时间，缩小Tb的值。减小Tb值等价于提高数字信号的传输速率1/Tb，扩展了信号的频谱。,数字信号扩频原理,.,27,数字信号扩频过程高速数字码序列C(t)对用户低速信息数据调制低速信息数据的脉冲持续时间为Tb，其时间长度是TC的N倍。Tb=NTC高速码序列C(t)乘上信息数据d(t)，最后得到的信号y(t)频谱与高速码序的频谱相同，起到频谱扩展的作用。y(t)=di(t)Ci(t),数字信号扩频原理,.,28,数字信号扩频原理,接收的信号为：yr（t）=di（t）Ci（t）解扩输出信号dr（t）=yr（t）Ci（t）=di（t）Ci（t）Ci（t）=di（t）,.,29,扩频抗干扰原理,扩频解调器利用本地地址码的相关性作解扩处理，有用信号频谱被恢复为窄带谱;窄带干扰信号则在解扩过程中被扩展成为宽带谱。解调后有用信号为窄带谱，无用信号和干扰为宽带谱，可以借助于解调后滤波器去除带外的无用信号，带内的信噪比就可以大大提高，起到了抑制干扰和无用信号的目的。,.,30,扩频因子定义：SF=Bw/Bs扩频系统的处理增益，反映了扩频系统信噪比的改善程度。,扩频增益与抗干扰容限,Bw为扩频信号带宽，Bs为信息带宽。,扩频增益Gp定义为：,.,31,DS-SS：直接序列扩频发端直接用高速码序列去扩展输入信息的带宽FH：跳频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；发端信息码序列与扩频码序列组合构造的不同码字控制频率合成器，使其输出频率根据码字的改变而改变，形成了频率的跳变。TH：跳时用一定码序列进行选择的多时片时移键控；时间轴分为多个时片，哪个时片发射信号由扩频码序列进行控制。由于发送信号采用的时片很窄，也就展宽了信号的频谱。,扩频的实现方法,.,32,隐蔽性和保密性抗干扰和抗多径衰落能力强实现多址技术、增加容量、提高频率复用率。占用频带较宽，系统复杂性增加。,扩频通信系统的主要技术特点,.,33,扩频码选择扩频通信当中，扩频码常常采用伪随机序列。1.伪随机序列伪随机序列（PN：Pseudorandom-Noise）码具有类似噪声序列的性质，是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列。,.,34,对PN码的要求,PN码序列的码片长度决定扩展频谱的宽度，直接影响扩频系统的性能。在直接扩频系统中对PN码有如下要求：,PN码的比特率应能满足扩展带宽的需要；PN码的自相关要大，互相关要小。PN码应具有近似噪声的频谱性质，近似连续谱，且均与分布。,PN码有一个很大的家族，如m序列、Gold序列、M序列、R-S码和复合码等，经常使用的主要有m序列和Gold序列。CDMA系统中扩频码采用m序列。PN码可通过逻辑电路得到。,.,35,m序列：最长线性反馈移位寄存器序列。m序列组成：n级移位寄存器、适当的抽头反馈和模2加法器；n级移位寄存器产生的最大长度的码序列：P=2n1位n级移位寄存器：2n1个状态（除去全零状态）生成多项式Gn(x)=C0X0+C1X1+C2X2+CnXn,m序列,.,36,码的平衡性好一个周期内“1”和“0”的个数大体相同（1比0多1个）m序列与其移位后的序列模2加所得的序列仍为m序列，但相位不同举例：0111001向左移两位再模2加所得序列仍为m序列，相位移了一位,m序列特性,.,37,长度为k的游程占总游程的1/2k（1kn-2）连续为1和0的那些元素称为游程。游程中元素个数为游程长度。一个m序列的周期为：P=2n1，在该周期内：长度为1的（单个“0”和单个“1”）游程占总游程的1/2长度为2（00和11）的游程占总游程的1/4长度为3（000和111）的游程占总游程的1/8两个游程例外：（n1）个连“0”的游程只有一个n个连“1”的游程只有一个,m序列特性,.,38,周期为15的m序列的游程分布情况。,m序列111101011001000的游程分布情况,.,39,m序列的自相关性考察某个m序列与其后移位的序列的相似性。m序列与其移位后的序列逐位模2加所得序列中，“0”的位数为A，“1”的位数为D：A：0的个数（对应于码元相同的数目）；D：1的个数（对应于码元不同的数目）；P=A+D（序列周期长度）,m序列特性,.,40,m序列特性,m序列自相关特性应用,.,41,IS-95CDMA系统给每个基站分配一个PN序列的初始相位，该PN序列周期为215-1=32767个码片的m序列，每64个码片为一个初始相位，共有512个初始相位，分配给512个基站。由于PN码序列对互相关性都不够好,CDMA系统选用自相关性好的PN码作为扩频码及基站与用户地址码,又另选互相关性好（处处为0）的Walsh码作为信道地址码。,互相关性定义为相同周期的不同m序列对之间的一致性；互相关值不等于0，且呈现多值性m序列对互相关特性差别很大，不能实际使用,m序列特性,.,42,Walsh函数,Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数系，由于它仅有可能的取值+1和-1（或0，1），比较适合用来表达和处理数字信号，它可由递推公式产生，以证明其正交性的数学家Walsh命名的。递推公式：,.,43,Walsh码的正交特性,.,44,码分多址系统的容量分析,理论上CDMA系统不受载频频道资源的限制，因为一个载频可有N个码分信道。因而CDMA系统的无线容量不再由频率资源决定而是由总干扰量决定，称为干扰受限系统，总的干扰量大，容量就小，反之，亦然。总干扰量是基于基站接收机总的接收干