第11讲_多址接入技术(1)

1、移动通信-数据链路层关键技术1授课教师：仇洪冰授课教师：仇洪冰信息与通信学院信息与通信学院EmailEmail：内容n多址技术多址技术n系统容量分析系统容量分析n数据链路层技术数据链路层技术l无线媒介接入控制（无线媒介接入控制（MAC）u双工方案双工方案u多址方式多址方式u面向语音的多址接入面向语音的多址接入u面向数据的多址接入面向数据的多址接入n无线链路控制无线链路控制无线媒介n所有用户共享无线资源；所有用户共享无线资源；n信道接入成为中心问题，它决定了网络的信道接入成为中心问题，它决定了网络的基本容量，并且对系统复杂度和基本容量，并且对系统复杂度和/或成本有或成本有极大的影响。极大的影响。

2、n无线资源调度无线资源调度l2G移动通信（移动通信（GSM，IS95），主要面对电路型），主要面对电路型业务（话音），无线资源分配要求不高，所能业务（话音），无线资源分配要求不高，所能获得的系统增益也不是很大。获得的系统增益也不是很大。l3G移动通信支持多媒体数据业务，业务的突发移动通信支持多媒体数据业务，业务的突发性强，无线资源调度将起到非常关键的作用。性强，无线资源调度将起到非常关键的作用。双工方式n针对问题：收发如何复接在一起。针对问题：收发如何复接在一起。n分类：分类：l频分双工频分双工-FDD：上下行信流在不同的频段同时：上下行信流在不同的频段同时传送。传送。l时分双工时分双工-TD

3、D：上下行信流在不同的时隙交替：上下行信流在不同的时隙交替传送。传送。l 码分双工码分双工-CDD：用正交和半正交码来分离上下：用正交和半正交码来分离上下行链路。行链路。频分双工-FDD-FDDn没有同步问题；没有同步问题；n上下行链路信道衰落相互独立；上下行链路信道衰落相互独立；n需用双工器来分离上下行信号。需用双工器来分离上下行信号。时分双工-TDD-TDDn双工装置简单；双工装置简单；n一个方向上的信号传输可用于另一个方向的一个方向上的信号传输可用于另一个方向的信道测量；信道测量；n上下行链路之间的带宽分配灵活；上下行链路之间的带宽分配灵活；n需要同步，并要考虑收发无线切换的时间；需要同

4、步，并要考虑收发无线切换的时间；n需保护时隙来防止上下行时隙混叠；需保护时隙来防止上下行时隙混叠；n引起额外的延时和缓冲器的开销。引起额外的延时和缓冲器的开销。码分双工-CDD-CDDn半正交码不能克服半正交码不能克服“远近效应远近效应”；n正交码的正交性在多径信道中被恶化；正交码的正交性在多径信道中被恶化；n在任何现有系统中没被采用过。在任何现有系统中没被采用过。接入技术设计nFD、TD、CD、SD 或混合。或混合。l小区内的效率；小区内的效率；l对其它小区的干扰；对其它小区的干扰；l蜂窝系统蜂窝系统“容量容量”；l其它考虑的问题：其它考虑的问题：u频率规划；频率规划；u同步需求；同步需求；

5、u软切换；软切换；u功率控制需求；功率控制需求；u频率复用需求。频率复用需求。频分（FDFD）n 所有的带宽被划分成正交的频道，再分配给不同的用户所有的带宽被划分成正交的频道，再分配给不同的用户使用。使用。n 优点：优点：l窄带信道（没有窄带信道（没有ISI）；）；l比较简单，容易实现，适用于模拟和数字；比较简单，容易实现，适用于模拟和数字；l用于以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区；用于以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区；l需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统；需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统；l以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟以频道

6、分离用户地址，每一频道传输一个模拟/数字话路；数字话路；l对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置；对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置；l允许连续时间传送信号和进行信道估计。允许连续时间传送信号和进行信道估计。频分（FDFD）n缺点：缺点：l基站需采用多个无线电设备；基站需采用多个无线电设备；l由于连续时间传送信号而导致越区切换复杂；由于连续时间传送信号而导致越区切换复杂；l信道专用（空闲的用户也占有信道造成浪费）；信道专用（空闲的用户也占有信道造成浪费）；l难以为一个用户分配多个信道；难以为一个用户分配多个信道；l频谱效率低，不宜在大容量的系统中使用。频谱效率低，不宜在

7、大容量的系统中使用。nFD 没有在现有数字系统中单独使用。没有在现有数字系统中单独使用。时分（TDTD）n 时间被划分为正交的时隙，不同的时隙被分配给不时间被划分为正交的时隙，不同的时隙被分配给不同的用户使用。同的用户使用。n 优点：优点：l用于以频率复用为基础的蜂窝结构，小区内以时隙分离用于以频率复用为基础的蜂窝结构，小区内以时隙分离用户用户l在基站所有的用户公用无线电设备；在基站所有的用户公用无线电设备；l不连续传输信号使越区切换简单，并且功耗减小；不连续传输信号使越区切换简单，并且功耗减小；l 每个时隙传输一路数字信号，时隙可以按需动态分配；每个时隙传输一路数字信号，时隙可以按需动态分配

8、；l容易为一个用户分配多个信道；容易为一个用户分配多个信道；l对功控要求不严格；对功控要求不严格；l无需双工器；无需双工器；n TDD 模式下，上下行信道信息可以共享。模式下，上下行信道信息可以共享。时分（TDTD）n缺点：缺点：l需严格的系统定时同步；需严格的系统定时同步；l系统是时隙受限和干扰受限的；系统是时隙受限和干扰受限的；l多径恶化了时隙的正交性；多径恶化了时隙的正交性；l通常需采取措施减轻通常需采取措施减轻ISI 的影响；的影响；l空闲信道可能被浪费；空闲信道可能被浪费；l短时传送信号使均衡和动态资源分配困难。短时传送信号使均衡和动态资源分配困难。码分（CDCD）n 通常用正交或准

9、正交码来调制每个用户的信号，接收通常用正交或准正交码来调制每个用户的信号，接收机则根据用户的专用码分离用户。机则根据用户的专用码分离用户。n 优点：优点：l每个基站只需一个射频系统；每个基站只需一个射频系统；l抗衰落、抗多径能力强；抗衰落、抗多径能力强；l采用多码道或多速率技术可为一个用户分配多个采用多码道或多速率技术可为一个用户分配多个“信道信道”l软容量软容量系统是干扰受限的；系统是干扰受限的；l可使用减小干扰技术增加容量；可使用减小干扰技术增加容量；l具有软切换能力。具有软切换能力。n 缺点：缺点：l需要相当严格的功率控制，使系统复杂；需要相当严格的功率控制，使系统复杂；l存在存在“远近

10、效应远近效应”问题。问题。空分（SDSD）n利用智能天线，按空间角度划分出正交的利用智能天线，按空间角度划分出正交的波束，分配给不同的用户使用。波束，分配给不同的用户使用。n优点：优点：l频谱利用率高；频谱利用率高；l抗干扰、抗衰落能力强；抗干扰、抗衰落能力强；l发射功率低，电池寿命长，电磁污染少。发射功率低，电池寿命长，电磁污染少。n缺点：缺点：l算法复杂度高；算法复杂度高；lRF 成本高。成本高。多址接入控制（MACMAC）n基本概念：实现不同地点、不同用户、不基本概念：实现不同地点、不同用户、不同业务接入网络的技术。同业务接入网络的技术。n多址接入与信道：多址接入与信道：l信道：传输信息

11、的通道；无线信道信道：传输信息的通道；无线信道(f，t，C，S)n评价多址接入的性能指标评价多址接入的性能指标l吞吐量吞吐量S：单位时间成功传输的信息量：单位时间成功传输的信息量l总业务量总业务量G：单位时间要求传送的总信息量：单位时间要求传送的总信息量l平均传输时延平均传输时延D：进入缓冲器至成功到达目的：进入缓冲器至成功到达目的地的平均时延。地的平均时延。l吞吐量特性吞吐量特性SG；时延特性；时延特性SD面向语音的多址接入n频分多址（频分多址（FDMA）：频道划分，频带独享，）：频道划分，频带独享，时间共享。时间共享。n时分多址（时分多址（TDMA）：时隙划分，时隙独占，）：时隙划分，时隙

12、独占，频率共享。频率共享。n码分多址（码分多址（CDMA）：码型划分，时隙）：码型划分，时隙/频率共频率共享。享。n空分多址（空分多址（SDMA）：空间角度划分，频率）：空间角度划分，频率/时时隙隙/码共享。码共享。n在数字移动通信系统中，都是混合应用各种多在数字移动通信系统中，都是混合应用各种多址方式。址方式。频分多址（FDMAFDMA）n基本概念：总带宽被分隔成多个正交的频基本概念：总带宽被分隔成多个正交的频道，每个用户占用一个频道。道，每个用户占用一个频道。n用户地址：频道号。用户地址：频道号。FDMA的特点n 比较简单，容易实现，适用于模拟和数字；比较简单，容易实现，适用于模拟和数字；

13、n 是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区；种小区；n 需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统；限系统；n 以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟/数数字话路；字话路；n 对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置；道设置；n 基站是多部不同载波频率发射机同时工作；基站是多部不同载波频率发射机同时工作；n 频谱效率低，不宜在大容量的系统中使用。频谱效率低，不宜在大容量的系统中使用。FDMA FDMA 中

14、的干扰问题中的干扰问题n 互调干扰：互调干扰：l概念：指系统内由于非线性器件（功率放大器）产生概念：指系统内由于非线性器件（功率放大器）产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内，造成的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内，造成对有用信号的干扰。对有用信号的干扰。l解决办法：减小产生互调干扰的条件，尽可能提高系解决办法：减小产生互调干扰的条件，尽可能提高系统的线性程度，并选用无互调的频率集（频率规划）。统的线性程度，并选用无互调的频率集（频率规划）。n 邻信道干扰：邻信道干扰：l概念：指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道概念：指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道带内，造成对有用信号

15、的干扰。带内，造成对有用信号的干扰。l原因：带外抑制不够，非线性器件产生寄生辐射。原因：带外抑制不够，非线性器件产生寄生辐射。l解决方法：规定收发信机的技术指标，即规定发射机解决方法：规定收发信机的技术指标，即规定发射机的寄生辐射和接收机的中频选择性，还可采用加大频的寄生辐射和接收机的中频选择性，还可采用加大频道间的隔离度。道间的隔离度。时分多址（TDMATDMA）n基本概念：信道是基于时间分割并组成帧基本概念：信道是基于时间分割并组成帧的时隙。的时隙。n用户地址：时隙。用户地址：时隙。n引入的概念：时隙、帧、复帧、引入的概念：时隙、帧、复帧、Burst等。等。TDMA的特点n以频率复用为基础

16、的蜂窝结构，小区内以以频率复用为基础的蜂窝结构，小区内以时隙分离用户；时隙分离用户；n每个时隙传输一路数字信号，时隙可以按每个时隙传输一路数字信号，时隙可以按需动态分配；需动态分配；n系统需要严格的系统定时同步，但对功控系统需要严格的系统定时同步，但对功控要求不严格；要求不严格；n系统是时隙受限和干扰受限的；系统是时隙受限和干扰受限的；nTDD模式下，上下行信道信息可以共享。模式下，上下行信道信息可以共享。TDMA TDMA 的系统定时的系统定时nTDMA 系统突发定时关系：系统突发定时关系：l移动台的移动性导致各移动台到基站的距离不同因移动台的移动性导致各移动台到基站的距离不同因此发送信号的

17、延时也不相同，导致基站接收的信号此发送信号的延时也不相同，导致基站接收的信号相互交叠干扰；相互交叠干扰；l解决办法用户提前发送；解决办法用户提前发送；l重要问题系统定时保护时间和定时提前量。重要问题系统定时保护时间和定时提前量。n系统定时：系统定时：l全网同步切换；全网同步切换；l位位/时隙时隙/帧帧/复帧同步。复帧同步。n定时保护时间：定时保护时间：lGuard Periods；l根据基站覆盖小区的半径和电波传播时延确定。根据基站覆盖小区的半径和电波传播时延确定。码分多址 (CDMA)n基本概念：基于码型结构分隔信道，频率、基本概念：基于码型结构分隔信道，频率、时间共享。时间共享。CDMA的

18、特点n特点：每个基站只需一个射频系统；特点：每个基站只需一个射频系统；l小区内以小区内以CDMA建立信道连接；建立信道连接；l 每个码传输一路数字信号；每个码传输一路数字信号；l 各用户共享频率和时间；各用户共享频率和时间；l 是一个多址干扰受限系统；是一个多址干扰受限系统；l 需要相当严格的功率控制，需要相当严格的功率控制，l使系统复杂；使系统复杂；l 需要定时同步；需要定时同步；l 具有软容量；具有软容量；l 具有软切换能力；具有软切换能力；l 语音激活技术可扩大系统容量；语音激活技术可扩大系统容量；l 抗衰落、抗多径能力强。抗衰落、抗多径能力强。三种多址技术的比较举例nAMPS FDMA

19、/FDDn GSM (EDGE) TDMA/FDDn IS-54 和和 IS-136 TDMA/FDDn JDC TDMA/FDDn IS-95 CDMA/FDDn IMT-2000 CDMA/FDDAMPSAMPSn基于基于FDMA 的蜂窝系统。的蜂窝系统。n共划分成共划分成832 全双工信道（组成控制信道和全双工信道（组成控制信道和业务信道）。业务信道）。n每个小区有每个小区有1 个全双工控制信道和个全双工控制信道和45-50 个个全双工业务信道。全双工业务信道。n采用基于采用基于CSMA（可能发生碰撞）的协议接（可能发生碰撞）的协议接入控制信道。入控制信道。n由基站分配业务信道。由基站分

20、配业务信道。D-AMPSD-AMPSn频谱使用同频谱使用同AMPS 系统。系统。n业务信道被分成每帧业务信道被分成每帧6 个时隙。个时隙。n每个频道可为多个用户使用。每个频道可为多个用户使用。n信道的数据速率为信道的数据速率为8.1kbps，但信道可集中，但信道可集中起来使用，以支持更高速业务。起来使用，以支持更高速业务。n信道接入近似信道接入近似AMPSGSM 接入n上下行链路用上下行链路用FDD分隔。分隔。n 接入方式结合了接入方式结合了 FD、TD 和慢和慢 FHl 总总 BW 分割成分割成 200Khz 信道；信道；l 小区信道复用基于对信号和干扰的测量结果；小区信道复用基于对信号和干

21、扰的测量结果；l 所有信号用一个所有信号用一个 FH 扩频码调制扩频码调制l 同一小区的同一小区的 FH 扩频码正交；扩频码正交；l 不同小区的不同小区的 FH 扩频码半正交。扩频码半正交。l FH 减轻了频率选择性衰落的影响；减轻了频率选择性衰落的影响；l FH 通过伪随机调频图案平均了干扰。通过伪随机调频图案平均了干扰。IS-95 (CDMA) 接入n 每个用户单独分配一个每个用户单独分配一个 DS 扩频码扩频码n 扩频码在每个小区中复用扩频码在每个小区中复用l无须频率规划无须频率规划l 若扩频码未被邻小区分配出去时，允许进行若扩频码未被邻小区分配出去时，允许进行软切换。软切换。n 为克服

22、为克服“远近效应远近效应”需采用功率控制需采用功率控制l 小区边界的移动台增大了对邻小区的干扰功小区边界的移动台增大了对邻小区的干扰功率。率。X-DMA码分多址（CDMACDMA）n基本概念：基本概念：基于空间角基于空间角度分隔信道，度分隔信道，频率、时间、频率、时间、码字共享。码字共享。n用户地址：用户地址：角度号。角度号。面向数据的多址接入n无线分组数据网络节点通过无线无线分组数据网络节点通过无线n电波交换信息（例如数据包）。电波交换信息（例如数据包）。n在在MAC 层，数据包可以是：层，数据包可以是：l单播（单播（Unicast）数据包）数据包 寻址特定的节点；寻址特定的节点；l 组播（

23、组播（Multicast）数据包（或在特殊情况下的）数据包（或在特殊情况下的广播）广播）寻址一组节点。寻址一组节点。MAC MAC 层的位置层的位置nMAC 层在简单协议栈内的位置：层在简单协议栈内的位置：MAC MAC 的功能的功能n在多址接入信道上决定在多址接入信道上决定“Who does next” ；n根据系统需求和应用（例如根据系统需求和应用（例如QoS 需求）可需求）可能发生改变；能发生改变；n很多无线很多无线MAC 协议源于有线系统；协议源于有线系统；n很多很多MAC 协议主要为满足无线网络的协议主要为满足无线网络的ad hoc 需求而变得复杂。需求而变得复杂。信道分配问题n静态

24、信道分配或基于分配的静态信道分配或基于分配的MAC 协议。协议。（同步）（同步）n动态信道分配或基于竞争的动态信道分配或基于竞争的MAC 协议。协议。（异步）（异步）n混合混合MAC 协议（合并静态和动态信道分配）协议（合并静态和动态信道分配）基于竞争的协议简单协议简单协议:AlohaCSMA碰撞避免协议碰撞避免协议:忙音多址忙音多址(BTMA)接收机发起的接收机发起的BTMA (RI-BTMA)无线碰撞检测无线碰撞检测(WCD)碰撞避免多址碰撞避免多址(MACA)MACAW, MACA-BI, MACA/PRALOHA(ALOHA(Additive Link On-line Detectio

25、n) )数据分组化。数据分组化。数据包占用给定的时间间隔数据包占用给定的时间间隔(TD 技术技术)。纯纯ALOHA：主要特征是缺少信道接入控制；主要特征是缺少信道接入控制；无论何时产生数据即发送数据包；无论何时产生数据即发送数据包；数据包的任何部分交叠都发生一次碰撞（非正交时隙），碰撞非常普遍；数据包的任何部分交叠都发生一次碰撞（非正交时隙），碰撞非常普遍；接收出错后等待一个随机长度时间后重发（避免连续碰撞）。接收出错后等待一个随机长度时间后重发（避免连续碰撞）。时隙时隙ALOHA（S-ALOHA）：）：与与ALOHA 类似，但数据包分时隙发送；类似，但数据包分时隙发送；数据包在预定的时隙发送

26、；数据包在预定的时隙发送；当数据包重叠时发生碰撞，但不存在包的部分重叠，减少了碰撞的发生；当数据包重叠时发生碰撞，但不存在包的部分重叠，减少了碰撞的发生；当收到的数据包出错时在一段随机长度延时之后重发。当收到的数据包出错时在一段随机长度延时之后重发。Aloha 图示（a）纯）纯 Aloha （b）分时隙）分时隙 AlohaAloha Aloha 效率效率假设：假设：归一化时间为归一化时间为1；任何包重叠都要重传；任何包重叠都要重传；节点数无限；节点数无限；数据包为速率数据包为速率的泊松到达；的泊松到达；时隙时隙ALOHA对随机重发，新的和重发的数据包以速率对随机重发，新的和重发的数据包以速率G

27、 泊松到达：泊松到达：Throughput = GeG纯纯ALOHAThroughput = Ge2G纯Aloha Aloha 吞吐量图吞吐量图n吞吐量：采用分数时间信道吞吐量：采用分数时间信道l没有功率限制没有功率限制l没有测量纯速率没有测量纯速率纯Aloha Aloha 效率图效率图nAloha 效率：效率：- 假设功率占空比为假设功率占空比为1/G；- 低流量和低低流量和低P/N 时效率高；时效率高；- 联合信息论与排队论。联合信息论与排队论。纯Aloha vs.Aloha vs.时隙时隙AlohaAloha注：注： 两个平衡点两个平衡点 负载重时效率低负载重时效率低 捕获效应提高了效率捕获效应提高了效率 采用时隙采用时隙ALOHA 可减少碰撞可减少碰撞p- p-持续持续AlohaAlohan是分时隙是分时隙Aloha的一种变形，其中的一种变形，其中p持续参持续参数决定节点在一个时隙发送数据包的概率数决定节点在一个时隙发送数据包的概率(0p1) 。n减小持续参数也就减小了碰撞次数，但同减小持续参数也就减小了碰撞次数，但同时增加了传输时延。时增加了传输时延。扩频AlohaAloha一个一个CDMA 码码code 分配给所有的用户。分配给所有的用户。用户由到达时间分隔用户由到达时间分隔当两个以上同时到达时发生碰撞。当两个以上同时到达时发生