第10章多用户通信解析

1、第 10 章 多用户通信基本内容：多用户通信近些年来得到了很大发展，特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的CDMA 等典型多址技术应用， 更具长足发展的前景。 本章主要介绍多用户通信基本概念， 并重 点介绍几种多址技术原理和应用，涉及内容较为广泛，并直接联系到专业技术。知识点及层次(1) M 多用户通信概念和分类。(2) 复用 /多址的关系与多址原理。(3) 移动无线、卫星通信和局域网等多址特点。(4) 三代移动通信中的多址技术概述。(5) 无线信道特征和多径衰落环境下的分集技术10.1 关于多用户通信多用户通信近些年来得到了很大发展， 特别是以卫星通信、 移动无线和基于 扩频的 CDMA 等

2、典型多址技术应用，更具长足发展的前景。10.1.1 多用户通信描述1. 通信资源正交分割与信道化( Channelization ) 信道不同域资源正交分割 通信资源从根本上说是传输信道可用带宽，但为共享通信资源，可根据业务流量、性质和级别，将其从各种资源“域”进行均等或不均等分割，提供多个子信道。这种分割可在频域、时域、空间)域，以及光传输波长，正交编码，甚至时 -频、空 -时等进行 “ 域”分割 其中，正交编码、时 -频复用基于扩频技术，属于携带信息的正交码序列而使信道同时提供全时、全频带的正交通信方式 ;空 -时编码则并不等同于一般正交传输 方式。 由通信资源的正交分割，而提供大量子信道

3、，可实现多用户通信， 并包括复用与多址模式。2. 多用户通信（定义） 多个用户通过一定接入方式和基于通信资源的某种正交分割方式， 同时共享该信道资源。 简言之，多用户通信就是一个通信信道被多个用户同时使 用。 由定义，表明多用户通信覆盖广泛的通信领域，并包括较为传统的 各种复用和近些年大量发展的光波分复用， 各种多址模式和随机接入 （多址） 方 式，以及广播系统等。10.1.2 复用与多址特点1. 复用特点 在复用系统中，多用户的接入、分插、交换、分路等操作，大都是 在固定地点集中完成。 各种多址模式， 从传输信道的共享角度， 都包含着不同的复用方式。2. “多址”的含义 在相应复用形式的基础

4、上脱颖而出的多址技术，突出强调了多用户 的“接入”特点 多用户（比一般复用系统大得多的用户数） 可在地球广阔 领域（地、空、海域）实施个体分布性、遥远分散性的灵活与随机接入。多址模 式就是如此超出已有复用概念的特殊接入方式下的复用。3. 多址类型 类型 FDMA ，TDMA ，CDMA;SDMA ，PDMA;LAN 中多址技术一CSMA , CSMA - CD;ALOHA;光接入系统中的各种多址方式。 CDMA系列CDMA通常指基于扩频调制技术的直接序列扩频CDMA（ DS - CDMA ）,它与复用和FDMA、TDMA等多址概念的不同在于：CDMA 多用户共享信道资源，并非信道本身的 “域”

5、资源正交分割，而是相互正交的 PN 码（ m 序）系列为极大量多址用户提供携带各自信码的多址码（地址）而达 到全时、全带宽（DS - CDMA是同一个载波）的信道共享。光接入中的 CDMA 是在多用户进入 ONU 中的运行模式采用 CDMA。4.3 种主要多址方式的示意表示下图列出了 FDMA、 TDMA 和 CDMA 的多址模式zZ-时耐（c）CDMA中附跑逍划妙（u） 1 DMA中的皿通划好/时憎】TOMA中的划分10.2 卫星网的多址模式10.2.1 每载波多信道方式（MCPC ）卫星系统中的单路单载波（SCPC ）方式的FDMA ; MCPC运行机制是 为多信宿（多个接收用户）预分配模

6、式：FDM/FM/FDMA。10.2.2 卫星系统TDMA的帧结构举例1.适于欧洲A律PCM的高速TDMA帧结构 基于A律PCM E1基群帧结构的TDMA帧TDMA帧:利用PCM E1中的16个帧构成1个TDMA帧。帧周期:125 卩 s X 16 帧=2ms/TDMA 帧，帧比特数:256 X 16=4096bit , 1 个 4096bit 的TDMA帧在PCM E1系统占2ms. INTELSAT 系统中 TDMA 帧1个TDMA高速数据帧占时间33.9卩s 卫星高速数据比特率：RM=120.832Mbit/s或帧周期为Tf=33.9卩s2.适于北美洲的高速 TDMA 帧 基于卩律PCM

7、 T1基群，同样取16帧每帧193bit.1 个 TDMA 帧比特数:193 x 16=3088bit 或 1.544 X 10 6 x 2ms=3088bit INTELSAT 系统中 TDMA 帧比特率仍为 RINT3. 匹配速率的压一扩缓存器由于A律与卩律各16帧比特数，均以2ms时间映射到INTELSAT 高速TDMA帧结构时，分别占用33.9卩s和25.6卩s,因此各需一对匹配（缓冲） 速率的缓存器。进入缓存的速率分别为 2.048Mbit/s 和 1.544Mbit/s 两缓存输出比特率均为卫星高速帧的比特率 RINT=120.832Mbit/s 。 接收端从高速帧中分下的各比特流

8、要进入相应的 PCM 解复用系统。 因此各4096和3088比特数据段仍各以2ms返回到PCM A律E1或卩律T1 基群系统。10.3 无线信道空间传输损耗10.3.1 直线传播和自由空间损耗超高频和微波波段信号的空间传播， 会对信号带来多种传输损伤、 很大 衰减和多径衰落。1. 直线传播损伤 衰减和失真 ;自由空间损耗;噪声；大气吸收；多径和折射。2. 衰减因素第1章中给出了导向电磁信道的各波段及其波长。这里从双绞线、电缆 到光纤、波导等传输媒体，都是导向媒体，而在自由空间长距离的电磁波传播， 属于非导向媒体传输；因此衰减是较为复杂的距离函数，并在地球周围受到充满 大气层的影响。传播衰减主要

9、影响因素是：传播频段f,传播距离L,电磁波速率 C （近于光速）。1032自由空间传播损耗1微波段信号远程传播如卫星到地面约 36000km。信号波束随传播距 离而发散。上行链路的发射信号功率，由大功率速调管可达上千瓦，而卫星转发 器只能靠太阳能供电，由于卫星表面积受限，因此下行链路发射功率很难达到上 百瓦。因此地球站接收信号功率不过微瓦级， 并且还包含了收、发天线增益几十 个dB的补偿效果。2. 空间传播损耗（dB）10.3.3多径传播和多径衰落1.多径传播在第 1 章提到过天线辐射的信号以三种方式传播 :地波、天波和空间波 后者即称谓的直线波） ; 当电磁波遇有比其波长要大的障碍物时，则发

10、生反射 ; 并在该物体边界进行衍射（绕射） ; 若障碍物尺寸不大于电磁波长，会发生散射，即散射成几路弱信号 多径衰落。2.多径传播后果 多径到达的信号，由于相位不同，强弱相差很大，若无序混迭、相 位抵消，就使接收信号难以检测与恢复质量良好的信息 ; 产生严重的码间干拢（ ISI） ; 特别是在较高速度的移动台天线发出的信号，运动方向、障碍物环境较快变化，多径信号中主路径不稳定等因素导致的接收信号更难处理。3. 衰落类型 慢衰落（平坦衰落 flat fading ） 快衰落（ fast fading ） ; 选择性衰落（ Selective fading ）。4. 衰落信道的 3 种类型 输媒体

11、。本书各种传输系统，均是基于高斯信道进行性能分析。 高斯信道是最简单的信道模型，同时它更符合于通信恒参传 瑞利衰落信道 多径衰落导致多条均很弱的路径信号，而不存 在一条主路径。 赖斯衰落信道 是较瑞利衰落利于处理的情况，它具有明显的 主路径和多个较弱的间接路径。5. 多径衰落环境下的信号接收 选用适当的分集技术与合并处理 自适应均衡 前向纠错编码 高性能传输技术 如 TCM ，复合编码， OFDM 等10.4 随机接入模式10.4.1 随机接入模式的适应环境1.适用环境 在局域环境中的通信网，如 LAN （计算机局域网或无线数据网， WLAN ），由于覆盖区域小，以宽带高速网络设备投入并非昂贵

12、 ;在网用户数也 不算太多。因此传统操作模式属于 “面向无连接 ”通信方式，在高速（如带宽 10M 或 100M ）、数据量不太大及非实时业务占多数情况下，这种随机接入方式 较“面向连接 ”方式快捷简便。2.广播网与媒体接入控制协议（ MAC ） 通信网两大类型 : 交换网（电路交换与分组交换、报文交换）和广播 网。 广播网之所以简单，是网中所发出的所有信息均可被其所有用户所 接收。因此就不像交换网那样建立连接或按路由表寻路、寻址，而是直接寻址、 选路，将信息传给特定用户。 MAC 协议就是使多个用户（站点）共享同一传输 媒体，而各能寻址所望接收用户的接入机制。 多用户对通信资源或传输媒体的共

13、享， 基本方式有两种 : 第一类是静 态而无碰撞的 信道化机制（如各种复用 /多址） ;第二种是基于分组数据的 媒体动态共享方式， 以适应突发业务。将这类方式称作 “媒体接入控制 ”（MAC ） 机制。 MAC 协议的两种常用形式 随机接入和预定方式。10.4.2 随机接入和预订方式1. ALOHA （属随机接入） 纯 ALOHA时隙 ALOHA （S - ALOHA ）2.预定 ALOHA （R - ALOHA ）对于P - ALOHA和S - ALOHA均因媒体利用率低，若某用户业务 量大将会使分组数据产生很大延时变化。 采用预定方式，利用率将不受 S max 限 制。一般每个站点均可随时

14、利用预定子时隙 v（v 一般只占 1个分组长度 L bit时间的 5%）3. 轮询10.4.3 载波侦听随机接入(多址) 由于 ALOHA 系统因碰撞和尽量避免碰撞耗费了带宽和时间，各种 ALOHA 的效率都很低。载波侦听多址技术的几种模式CSMA、CSMA - CD和CSMA - CA，都是通过侦听信道上有否载波，使各站点据情况来决定能达到成 功发送信息的时机。1. CSMA 1 坚持CSMA (1 - persistent CSMA )为尽快发送，各站点一直在侦听， 一旦空闲便即发送分组。 多站点均如此做， 则因碰撞而失败的概率 很大。 非坚持CSMA (non persistent CS

15、MA )侦听的站点，如果检测到信道有载波， 则即执行 “退后”(补偿)算法，而重新预定下次侦听时间。 当然如果信道空闲则即发送。这样较 1-坚持等待时间长而减少碰撞。 p 坚持CSMA综合上述两种CSMA方式，某欲发送信息的站点，侦听遇忙后仍继续侦听，直至遇闲后，贝U以概率 p发送其分组，以1-p继 续等待系统最大传播延时 tmax 后再行侦听。2. CSMA - CD10.5 蜂窝无线通信原理蜂窝无线移动通信已有三代技术应用和国际标准，其中 “1G ”系统模拟移动系统，已基本淘汰 ; “2G ”系统为目前主流应用，以 GSM 网为代表主要利用 TDMA 多 址模式 ;同时也推广了窄带 CMD

16、A 。 “3G ”系统是目前营造宽带 CDMA 移动通信环境的主流技术。相继 推出三个国际性标准：W CDMA , cdma 2000和TD SCDMA，将在全球以三足 鼎立之势争夺“3G ”市场和未来发展。10.5.1 蜂窝无线网构成特征下图是围绕基站子系统（ BSS ）的数字移动通信系统的基本组成部分STM用户标炽模块VLR询问皆位松欝斥器1移动台（MS）是移动系统中直接由用户使用的移动设备，并分为“手机”和车载台两种功能执行接入无线网、控制与处理主被叫通信；提供人一机接口送、受话器、显示器与键盘；适配器一与计算机、其他设备连接，独立上网功能注册与管理具备用户识别号码，并由电话局一次性注入

17、相应移动台。内置包括用户信息的 SIM卡（Subscriber Identity Module ）。2.基站分系统（BSS）是无线移动网的通信部分的所有地面基础设施BSS通过无线接口与移动台连接，通过基站控制器（BSC ）与移动交换中心连接;BSS完成无线发送、 接收和管理功能，还接受网管系统控制。3. 交换子系统（MSS） MSS包括移动交换中心（MSC）和存储用户数据和移动管理信息库。MSS 还管理移动网中用户与其他通信网的通信。4. 操作和维护分系统以电信管理网TMN的概念规定管理目标，网内所有操作维护设备形成一个完 整的系统，对网内业务控制设备进行全面管理。10.5.2 蜂窝小区特点1

18、.蜂窝形状），有效覆盖率大采用六边形小区（hexagohal cellpattern七小区蜂窝制中心小区与周边 6个小区天线间等距离小区中心到各顶角距离等于边长，便于合理的重复使用（reuse ）频率2. 频率重用根据总频率数与小区规模确定小区簇大小如N=7。这样若网络总频率数为395个，则各小区平均频率数目为 395/7=56个。一般小区分配1050个频 率。同一重用频率小区天线间最小距离 D=4.6R 。3. 小区容量及其扩展 当小区移动用户增多而移动网频率数有限， 小区可能发生堵塞， 解决办法如下 :开通未使用的频道 ;频率借用动态调用邻近频率不紧张小区的频率。 蜂窝小区分割将小区再分割

19、为微小区， 甚至微微小区， 仍为六角形 结构。如：通常蜂窝小区为6.513km (半径)，可分割为最小为1.5km的微小 区。蜂窝小区扇形化 ( Cell Sectoring )如在小区中心向每隔一个顶角 连线分成的 3个扇区构成 3个平行四边形 ;若向每个顶角连线则形成 6个楔形(锐 角正三角形)。 微蜂窝小区( microcells )仅有 1.0km 或几百米范围的微小区，基 站功率将大大降低，体积也更小，甚至挂在电杆上。10.5.4 蜂窝系统中的 CDMA 1. 基于扩频的 CDMA在第 9 章已经具体讨论了基于扩频码PN 序列的伪随机性和扩展带宽的特点而实现的特殊调制方式。 正交编码

20、也是 CDMA 常用的扩频码， 如 Walsh-Hadarmad （沃尔什 -哈德 玛）码，是由n呦方阵的各行构成。如IS-95 （2G）系统窄带CDMA前向链路 64个逻辑信道采用64 04Walsh矩阵的64bit正交码来区分信道（号码）。当 用这种互相关系数P =0的正交码作为多址码时，当各用户码片不能保持同步时， 则彼此不再正交，引起很大自干扰。（参见下面例 10-10 与例 10-11 ）。蜂窝系统的CDMA采用直接序列扩频（DS-SS ），总的系统带宽中，前 向、反向信道各占一半。前向信道，对于数据和话音是以 8.55kbit/s 附加检错位 后为 9.6kbit，再进行（nO，k

21、0，N） = （2，1，9）卷积编码，速率为 19.2kbit/s， 并进行一定交织深度的块交织编码20ms的24 X16阵列，则速率为19.2kbit/s 。 IS-95系统的DS-SS功能是，将19.2kbit/s的信息流，利用64 W4Walsh矩阵中的1行将 Rb =19.2kbit/s扩展到Rc =64Rb =64 x19.2=1.228Mbit/s 。 发送信号以 QPSK 调制方式，发射速率为 1.228Mbit/s 的射频信号 （到移动站用户）。2.蜂窝 CDMA 特点与优点 任何用户可全时、全频带利用系统具有软容量特点，可方便地增加用户数，但同时也提高了背景噪声电平， 性能随

22、之下降。抗多径衰落，特别是因带宽大，抗频率选择性能强。 PN码具有极短的码片宽度Tc,比信道相关时间小得多，因为PN序列有 低自相关性，因此超过一个码片 Tc 的同步延时被认为是噪声，可利用 Rake 机 进行分集接收。移动用户越过小区边界采用软切换方式。3.蜂窝 CDMA 缺点 自干扰 N 个用户在一个小区内， 对于接收者来说若各个 PN 码不能 完全相干，而会对其产生 N-1 倍于接收信号功率的干扰量。因此扩频处理增益 Gp必须以它提供的干扰容限Jm来“吃掉”这一自干扰，并做到Jm/(N-1 )尚有 余量来抗外来干扰。远-近效应( near-far effect )这是 DS-SS CDM

23、A 多用户共用同一 频道所特有的问题。 如基站接收各移动站信号， 距其近的站较距其远的站接收信 号强度大，因此强接收信号就提高了弱信号在基站解调器的背景噪声电平。功率控制针对远 -近效应，蜂窝移动系统采用了功率控制，如基站 向小区内各移动站不断发出 800Hz 导频，各移动站凭收到导频电平大小，向相 反大小调整发射信号电平，以达到基站收到远近不同移动站的电平趋于相等。4. 软切换( soft handoff )（1）软切换 :是 CDMA 系统特有的越区切换功能，移动用户在越过小区边界 时，未放弃旧小区通道之前便获得新进小区的通道。（2）软切换过程 :DS/CDMA 系统中没有频率重用问题，邻

24、区干扰不大，因此 软切换机制将通话中的移动台临时连接到邻近多个基站。 在通话且行走的移动用 户若正在走近小区的边界， 则就进入了一个能比较来自两个基站的传输 （在某一 相互的门限值中）的区域中，这时该移动机就进入了连接两基站的软切换状态， 直到被一个基站明确地控制， 于是移动用户以及对话双方均无所察觉地完成了越 区切换。（ 3）MSC 主导软切换在软切换状态中， 从上述移动台到两个基站的比较传输 状态均被送至 MSC ，由 MSC 进行比较来择其。在软切换中的移动台对话及 数据信息， MSC 均发给两基站转发给移动台，移动台由同时接收的两路信息来 恢复收取信号。10.5.5 跳频模式的 CDM

25、A（FHMA）跳频方式同样可提供多用户共享同一宽带资源的多址应用， 并且能体现 更多优势。通常，将基于扩频的 CDMA 称为扩频多址（ SSMA ），又将基于直接 序列的扩频多址称为 CDMA ，而基于跳频的 CDMA 称为跳频多址（ FHMA ）。1. FHMA机理跳载频的控制源为PN序列以k个码片的码组去控制频率合成器，随机产生 N=2k 个跳载频，并且该载频数等于该 FHMA 系 统的跳频处理增益，即Gp=2k无论是慢跳频（SFH）或快跳频（FFH ），码元符号转换时刻总是 与跳频同步;由 PN序列的k码片提供的2k个跳载频，即2k个跳频信道，收发 端在PN发生器与频率合成器间均有相同的“信道表”，如下图所示。每次跳频所对应的信道表中2k个信道号的一个号码，收、发双方通过同步系统总是准确 对应的，因此任何随机跳频，当解扩时总能恢复出原MFSK符号的频率（解扩）2. FHMA特点和优势可以不像TDMA那样要求严格的网同步，属于系统的异步传输方式。 PN序