无线通信多址接入技术

1、无线通信多址接入技术目录v概述v频分多址(FDMA)v时分多址(TDMA)v扩频多址(SSMA)v空分多址(SDMA)v分组无线电(PR)v习题概述v多址技术多址技术 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。 双工通信v频分双工(FDD)v时分双工(TDD)多址接入技术

2、概述v双工方式和多址方式要统一考虑；v主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMAv依据分配给用户的有效带宽的大小，可分为：窄带系统：单个信道带宽同所期望信道相干带宽相近。宽带系统：一个信道发射带宽比信道相干带宽宽得多。多址接入技术概述v除了FDMA、TDMA和CDMA，还有两种多址接入技术用于无线通信，它们分别是：v分组无线电(PR)v空分多址(SDMA)频分多址(FDMA)v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。 v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。 v在FDMA系统中, 信道总频带被分

3、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。 频分多址(FDMA)代码时间频率信道1信道2信道3信道nFDMA信道配置图频分多址(FDMA)基站WTF1移动台F1F2f1f2fmFmF1F2F3F4FmfWFDMA示意图频分多址(FDMA)vFDMA的技术特点如下：FDMA通常在窄带系统实现；符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；不间断发送，系统额外开销少；系统简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰，消除基站的杂散 辐射。信道非线性是FDMA系统的主要矛盾。FDMA

4、的非线性效应的非线性效应v由于发射机功率放大器的非线性，会产生：l频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，会产生频谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。l信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，会产生大信号抑制小信号的现象，影响通信效果。l交调噪声：多载波的发送信号经过非线性信道，在发送信号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成干扰。FDMA的关键技术问题的关键技术问题v需要很好解决信道的非线性问题l目标：希望保持发送频谱的形状，主瓣不会展宽，旁瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率分量。l方法：（1）采用高线性度的功率放大器；（2）合理配置频率避开交调分量；（3）功率放大器的

5、输出功率倒退法；（4）功率放大器的线性补偿法。FDMA的典型应用的典型应用v美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分配频率；v同时支持的信道数： N（Bt2Bguard）/BcBt系统带宽，Bc信道带宽， Bguard为分配频率时的保护带宽。时分多址时分多址(TDMA)v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。v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。时分多址时分多址(TD

6、MA)TDMA信道配置图代码时隙时间频率信道N信道1信道2信道3时分多址时分多址(TDMA)基 站TWT1TmT1T2T3T4Tmt1帧移 动 台T1T1T1T2T2T2TmTmTDMA示意图TDMA帧结构帧结构TDMA帧头比特信息尾比特时隙1时隙2时隙3时隙n尾比特同步比特信息数据保护比特时分多址时分多址(TDMA)vTDMA的技术特点如下：多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和调制技术等；数据分组发送，不连续发送，需开关；由于速率较高，往往需要采用均衡器；系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等；采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。TDMA的效率的效率v系统效率：在发射数据

7、中信息所占的百分比，不包括系统开销；v帧效率：发送数据比特在一帧中所占百分比v每一帧的系统开销比特数：v 帧参考突发数， 帧业务突发数， 参考突发开销比特， 时隙头比特开销比特， 保护时间间隔等效比特。 OHrrtptgrgbN bN bN bN brNtNrbpbgbTDMA的效率的效率v每一帧的比特总数：v 是帧长， 是信道比特速率。v帧效率：TfbT RfTR1100%OHfTbbTDMA系统的信道数系统的信道数v总的信道数：总的TDMA时隙数。即每一信道的TDMA时隙数乘以有效信道数。 N(m(Btot2B保护)/Bcm为每个信道所支持的TDMA用户数，Btot信道带宽，B保护保护带宽

8、，Bc用户带宽。扩频多址(SSMA)v通过伪随机序列将窄带信号在发射前转换成宽带信号，SSMA可以抵抗多径干扰而增强多址能力。v目前，扩频多址技术主要有两种类型：直接序列扩频多址(DS)和跳频多址(FH)。直接序列扩频多址也称为码分多址(CDMA)。跳频多址(FHMA)v跳频多址是一个数字多址系统，此系统中单个用户的载波频率在宽带信道范围内以伪随机的方式变化。用户载频的伪随机变化使得在任意时刻对具体信道的占用也随机变化，这样就可以实现一个大频率范围的多址接入。v快跳频系统v慢跳频系统码分多址(CDMA)v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。v

9、在CDMA系统中, 每个用户被分配给一个惟一的伪随机码序列(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。码分多址(CDMA)频率时间代码C1C2CNCDMA信道配置图码分多址(CDMA)vCDMA的技术特点如下：用户共享一个频率，无需频率规划；具有软容量限制，用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好；抗多径衰落：固有的频率分集；利用宏分集可以实现软越区切换；多用户干扰：PN码不完全正交；远近效应：功率控制；利用多径，采用RAKE技术提高系统性能。远近效应与功率控制远近效应与功率控制v什么叫做远近效应？v首先说明CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地

10、址码不可能完全正交。即使采用理想的正交码和理想的正交分割，但由于信道传输及同步电路的不理想，会产生码型噪声。v假定所有的用户发送功率都一样，则来自不同地址的码型噪声由于传输距离不同（即传输衰减不同）就会有很大的差别，特别对于那些距离很近的用户，产生的码型噪声将会很大，因而造成接收干扰的提高，有效用户数的降低。这就是CDMA系统的远近效应。远近效应与功率控制远近效应与功率控制v解决远近效应的方法之一：功率控制v开环功率控制v闭环功率控制基站移动台用移动台检测下行的衰落，控制移动台的发送功率用基站检测上行的衰落，并把信息发给移动台，控制移动台的发送功率混合扩频技术v混合FDMA/CDMA(FCDM

11、A)v混合直接序列/跳频多址(DS/FHMA)v时分CDMA(TCDMA)v时分跳频(TDFH)混合FDMA/CDMA宽带CDMA频谱窄带CDMA频谱FCDMA混合直接序列/跳频多址DS/FHMA信道中的码组其它码组信道DS/FH-CDMA系统频谱时分CDMAv不同小区分配不同的扩频码；v一个小区分配用户一个特定时隙；v不存在远近效应；v实际上是TDMA，扩频只是抗干扰。时分跳频(TDFH)v实际上是TDMA；v一帧一跳；v避免邻近小区同信道干扰问题；v抗严重衰落和碰撞事件；vGSM标准采用，能成倍增加容量。空分多址(SDMA)v空分多址技术是按照空间的分割来构成不同信道的。理论上讲, 空间中

12、的一个信源可以向无限多个方向(角度)传输信号, 从而可以构成无限多个信道。但是由于发射信号需要用天线, 而天线又不可能是无穷多个, 因而空分多址的信道数目是有限的。空分多址(SDMA)v空分多址方法之一：蜂窝划分v空分多址方法之二：扇区划分ABCDEFGHIABCDEFGH利用天线实现空分多址利用天线实现空分多址v控制用户的空间辐射能量；v使用定向波束天线服务于不同用户；v扇形天线是一种基本方式；v自适应天线，效果更好；v最适合和TDMA及CDMA系统结合。SDMA关键技术问题关键技术问题v需要很好解决天线的自适应定向问题。l目标：天线具有良好的波束，并能对用户进行快速跟踪。l方法：天线阵技术

13、和自适应技术。SDMA的技术特点v系统容量大幅度提高。 v扩大覆盖范围。 v兼容性强。 v大幅度降低来自其他系统和其他用户的扰。 v功率大大降低。 v定位功能强。分组无线电(PR)v在分组无线电接入技术中，许多用户试图使用一种分散的方式接入一个信道，发射通过使用数据突发来完成。v基站接收机检测出由于多个发射机同时发射而产生的碰撞，那么它会发射一个ACK或NACK信号来通知用户。v分组无线多址接入实现容易，效率较低，会导致延迟，用户使用竞争技术在一个共用信道上发射v早期卫星系统的ALOHA协议分组无线电(PR)vALOHA有数据发射的任何时候发射用户监听确认反馈碰撞发生，等待一段时间重发v分组竞

14、争技术的优点在于服务大量用户时开销小。v竞争技术的性能衡量：吞吐量T，平均延迟D分组无线协议v易损阶段Vp：分组可能与其他用户的发射产生碰撞的时间间隔。分组无线协议v假设所有用户的所有分组长度、速率均固定v所有其它用户可在任意随机时间产生新分组v分组服从到达率为 的泊松分布， 为分组时间v吞吐量Rv规一化吞吐量T：vTRPr无碰撞 Pr无碰撞rrP ( )P (0)!nRRR enen纯ALOHAv适用于数据传输的随机接入协议v消息易损阶段是发射分组持续时间的两倍。vALOHA协议的吞吐量：22rr(2 )P ( )P (0)!nRRRenen2RTRe时隙ALOHAv时间被分为相同长度的时隙，比分组时间长v每个用户有同步时钟，消息仅在新时隙开始时发射，形成分组的离散分布v防止了发射分组的部分性碰撞v易损阶段仅为一个分组的持续时间v时隙ALOHA的吞吐量：RTRe载波侦听多址接入协议vCSMA检测延迟传输延迟v1坚持CSMAv非坚持CSMAvP坚持CSMAvCS