移动通信原理第3次课第3章多址技术3.1多址技术的基本概念3.2移动通信中的典型多址接入技术)

1、第第3章章 多址技术多址技术l在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道与用户带来的两重动态特性。上一章着重分析了与用户带来的两重动态特性。上一章着重分析了信道的动态性，这一章将讨论用户动态性及其带信道的动态性，这一章将讨论用户动态性及其带来的一系列问题。来的一系列问题。l移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信是静态的，而移动通信是动态的。为了满足通信是静态的，而移动通信是动态的。为了满足多个移动用户同时进行通信，必须解决以下两个多个移动用户同时进行通信，必须解决以下两个问题，问题，首先是动态寻址，即用

2、户不论何时何处以首先是动态寻址，即用户不论何时何处以何种速度移动都必须保证通信的有效性、可靠性何种速度移动都必须保证通信的有效性、可靠性和安全性；其次是对地址的动态分配与识别，即和安全性；其次是对地址的动态分配与识别，即只有当用户需要通信时系统才临时随机地为其分只有当用户需要通信时系统才临时随机地为其分配地址并与其他地址相互区别。配地址并与其他地址相互区别。为解决这两个问为解决这两个问题就得采用多址技术。题就得采用多址技术。2 3.1 多址技术的基本概念多址技术的基本概念多址技术利用开放的多址技术利用开放的射频射频电磁波电磁波在服务范围内在服务范围内寻找寻找用户用户地址地址，实现动态寻址；同时

3、，实现动态寻址；同时为了满足多个移动用户同时为了满足多个移动用户同时实现寻址实现寻址，利用地址之间的相互，利用地址之间的相互正交特性正交特性，避免地址间，避免地址间的相互干扰，实现地址的识别。的相互干扰，实现地址的识别。3.1.1基本原理基本原理移动通信多址移动通信多址技术从原理上看与固定技术从原理上看与固定通信的通信的多路复用多路复用技技术术是一样的是一样的，都是对信号正交划分。，都是对信号正交划分。不同点是不同点是多路复用多路复用通常在有线信道的高速干线上使用，例如，同轴电缆、通常在有线信道的高速干线上使用，例如，同轴电缆、光缆和微波接力，方法是将多路低速信道通过光缆和微波接力，方法是将多

4、路低速信道通过FDM或或TDM技术正交复用到有线高速信道，目的是提高有线信技术正交复用到有线高速信道，目的是提高有线信道带宽的利用率。多址技术通常是在开放的无线信道上道带宽的利用率。多址技术通常是在开放的无线信道上使用，方法是采用使用，方法是采用FDMA、TDMA、CDMA、SDMA和和OFDMA等多址技术使不同地址信号之间产生正交性，既等多址技术使不同地址信号之间产生正交性，既达到了避免不同地址达到了避免不同地址信号信号之间相互干扰的目的，又提高之间相互干扰的目的，又提高了有限的无线频段的利用率。了有限的无线频段的利用率。 PDH数字复用系列由数字复用系列由PCM的各次群组成：的各次群组成：

5、6.1.3 数字复用的优点：数字复用的优点：1）易于构成通信网，便于分支和插入，并且有较高的）易于构成通信网，便于分支和插入，并且有较高的传输效率。复用倍数适中，多在传输效率。复用倍数适中，多在35倍之间。倍之间。2）可视电话、电视信号以及频分制群信号能与某个高）可视电话、电视信号以及频分制群信号能与某个高次群相适应。次群相适应。3）与传输媒介，如对称电缆、同轴电缆、微波、波导）与传输媒介，如对称电缆、同轴电缆、微波、波导和光纤等传输容量相匹配。和光纤等传输容量相匹配。信号的信号的正交性正交性是是通过使用正交通过使用正交参量参量 l li , i =1,2,n来实来实现的现的。即。即, l l

6、jl lk=0，l ljl lj=1。j和和k是是i序列中的任意两个序列中的任意两个数。数。1)在发送端在发送端，正交调制器输出信号如下，正交调制器输出信号如下: (3.1.1) 其中，其中，xi(t)为为第第i个地址个地址信号序列；信号序列；l li 为与为与 xi(t)相乘相乘的的正交参量正交参量，D Dl li 为为第第i个地址信号的个地址信号的保护区间。公式保护区间。公式(3.1.1)是纯理论上的表达式是纯理论上的表达式，公式，公式(3.1.2)为实际表达为实际表达式式。 1( )( )niiix tx tl )2.1.3(11Dniiiniitxll2)接收端的接收端的正交识别器正交

7、识别器输出输出如下如下：3)典型例子典型例子 多址接入技术有频分多址多址接入技术有频分多址(FDMA)、时分多址、时分多址(TDMA) 、码分多址、码分多址(CDMA)、空分多址、空分多址(SDMA)和正交频分多址和正交频分多址 (OFDMA)。(1) 频分多址（频分多址（FDMA）当当l li=Fi时，称为频分多址时，称为频分多址(FDMA)。FDMA是将可以使是将可以使用的射频频带分割成互不重叠的若干子频带用的射频频带分割成互不重叠的若干子频带。每个子。每个子频带就是一个信道，系统为不同地址的信号分配不同频带就是一个信道，系统为不同地址的信号分配不同的子频带。的子频带。在纯在纯FDMA系统

8、中系统中, 采用频分双工采用频分双工(FDD)方式来实现方式来实现双双向通信向通信。首先将可用射频带宽分割成上行频段和下行。首先将可用射频带宽分割成上行频段和下行频段，然后再进一步细分为传输子频带作为工作信道，频段，然后再进一步细分为传输子频带作为工作信道，如如图图所示。所示。(2) 时分多址（时分多址（TDMA）当当l li=Ti时，称时，称为时分多址为时分多址(TDMA)。TDMATDMA是在相同射是在相同射频频段上，将发频频段上，将发射时间射时间分分割割成成若若干帧，再将帧分干帧，再将帧分成若干成若干时隙时隙。一一个时隙就是一个个时隙就是一个信道信道,系统将这系统将这些时隙些时隙分配给分

9、配给不不同地址的信号同地址的信号使使用用。 (3 ) 码分多址码分多址(CDMA) 当当l li=Ci时，称为码分多址时，称为码分多址(CDMA)。 CDMA采用扩频采用扩频技术，系统为不同的信号分配相互正交或准正交的地技术，系统为不同的信号分配相互正交或准正交的地址码址码。不同地址的信号可以在频率、时间、空间上相不同地址的信号可以在频率、时间、空间上相互重叠。互重叠。(4)空分多址（空分多址（SDMA） 当当l li=Si时，称为频分多址时，称为频分多址(SDMA)。 空分多址上下行链路分时使用同一频段，采用空分多址上下行链路分时使用同一频段，采用智能天线产生无线电窄波束。智能天线产生无线电

10、窄波束。系统为用户提供系统为用户提供专用的窄波束作为传输信道。专用的窄波束作为传输信道。 3G技术技术TD-SCDMA就综合应用了就综合应用了CDMA/FDMA/TDMA/SDMA 多址接入技术。多址接入技术。11 (5) 正交频分多址正交频分多址OFDMA 当当l li=Fi，并且相邻载波之间有一半带宽相互重叠时，并且相邻载波之间有一半带宽相互重叠时，称为正交频分多址称为正交频分多址。早期的早期的FDMA技术通过引入技术通过引入保护带宽，保护带宽，保证各个信道之间相互正交，这种保证各个信道之间相互正交，这种方式导致频谱利用率降低。方式导致频谱利用率降低。 OFDMA信道之间相互重叠，利用正弦

11、信号的信道之间相互重叠，利用正弦信号的数学特征保证正交性，因此不必引入保护带宽。数学特征保证正交性，因此不必引入保护带宽。OFDMA与与FDMA比较比较，有效提高了频谱利用，有效提高了频谱利用率率。 学术界和工业界学术界和工业界主流观点认为，只有主流观点认为，只有OFDMA才能够满足第四代移动通信标准才能够满足第四代移动通信标准IMT-Advanced的技术要求。它是第四代移动通信的技术要求。它是第四代移动通信的核心技术，典型代表是的核心技术，典型代表是LTE、WiMax等移动等移动通信体制。通信体制。 123.2 移动通信中的典型多址移动通信中的典型多址接入技术接入技术3.2.1 FDMA第

12、一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频第一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址分多址FDMA技术，技术，最典型的有北美的最典型的有北美的AMPS和欧洲及我国的和欧洲及我国的TACS体制。体制。下面以下面以TACS为为例例讨论讨论FDMA技术。技术。TACS多址划分如下图所示。多址划分如下图所示。 13 TACS总的可用频段与总的可用频段与GSM频段频段相同，上行相同，上行：890915MHz，占用，占用25MHz；下行：；下行：935960MHz，占用，占用25MHz。TACS采用频率采用频率双向双工双向双工FDD 方式。收方式。收/发频段间距为发频段间距为45MHz，以防止发送的强信号

13、对接收的弱信号的影响。以防止发送的强信号对接收的弱信号的影响。每个话音信道占用每个话音信道占用25KHz频带，采用窄带调频频带，采用窄带调频方式。方式。TACS系统可以支持的信道数为：系统可以支持的信道数为： 其中，其中， Bs为为TACS的可用频段带宽，的可用频段带宽，Bc为信道为信道(话音话音)带宽。带宽。 AMPS信道信道(话音话音)带宽为带宽为30kHz。10001025101021025336BBBCSN保护 频道号与发射频率之间的关系：频道号与发射频率之间的关系： 上行频道号上行频道号n对应的频率：对应的频率：Fu(n)=890.025MHz+0.025(n-1) MHz 下行频道

14、号下行频道号n对应的频率：对应的频率：Fd(n)=Fu(n)+45MHz n是频道号是频道号1、2、3uFDMA 的的主要主要优点优点是：是：1 1）技术相对简单成熟。由于采用频分技术，）技术相对简单成熟。由于采用频分技术，不不需要需要象时分技术那样需要象时分技术那样需要复杂的成帧复杂的成帧和时间和时间同同步步信号信号的传输的传输。2 2）适合实时信号的）适合实时信号的传输。当系统分配给传输。当系统分配给用户一用户一个个信道信道后后, , 用户可占有这个信道用户可占有这个信道连续传输连续传输信号，信号，直直到到传输传输结束结束, , 信道信道才被系统才被系统收回。收回。15uFDMAFDMA的

15、主要的主要缺点缺点是：是：1 1）频率利用率低频率利用率低。由于一个信道占用。由于一个信道占用一一个载个载频频，且且只可只可传传送一路送一路话话音音, , 频率利用率不高，频率利用率不高，系统系统容量有限。容量有限。2 2）保密性差。保密性差。因为因为系统中有多个频率信号系统中有多个频率信号, , 易易出现出现相互相互串话串话干扰干扰, , 且且加密困难，保密性差。加密困难，保密性差。3 3）基站收发）基站收发设备数量大设备数量大，不能共用，不能共用，设备成本设备成本高，若一个基站有高，若一个基站有30对双向信道，则需要对双向信道，则需要30套套收、发信机设备。基站收、发信机设备。基站有多少对

16、双向信道就需有多少对双向信道就需要多少套收发信机要多少套收发信机。为了发、收隔离为了发、收隔离，还必须，还必须采用双工器。采用双工器。4 4）语音质量较差。在）语音质量较差。在越区切换时越区切换时, ,语音信道语音信道还必还必须须抹掉一部分语音抹掉一部分语音信号来信号来传输传输信信令令，降低了语，降低了语音质量。音质量。 163.2.2 TDMA第二代移动通信是数字式移动通信，它主要采第二代移动通信是数字式移动通信，它主要采用两类用两类多址技术：多址技术：一类是一类是欧洲欧洲GMS系统采用的系统采用的时分多址时分多址TDMA技术，技术，另一类是另一类是北美北美IS-95系统系统采用采用的码分多

17、址的码分多址CDMA技术，技术，我国两我国两类技术都类技术都采用。采用。这里先这里先介绍介绍GSM系统采用的系统采用的TDMA技术。技术。在在GSM中最多可以八个用户共享一个载波中最多可以八个用户共享一个载波，用，用户用户用不同时隙来传送自己的信号。不同时隙来传送自己的信号。GSM一个一个TDMA帧的结构图如下所示。帧的结构图如下所示。帧头帧尾信息时隙1 时隙2 时隙3时隙8尾比特同步信息比特保护比特17 GSM系统的时隙结构可划分为四种类型：常系统的时隙结构可划分为四种类型：常规突发序列、频率校正突发序列、同步突发序规突发序列、频率校正突发序列、同步突发序列、接入突发序列。列、接入突发序列。

18、GSM采用频率双向双工采用频率双向双工FDD方式，与方式，与TACS相同，不再赘述。上、下相同，不再赘述。上、下行频段行频段(发、收发、收)间隔为间隔为45MHz，每个信道每个信道占用占用200kHz，采用，采用GMSK调制。调制。GSM系统总共可系统总共可提供频点数为：提供频点数为： 每个频点提供每个频点提供8个时隙，因此个时隙，因此GSM总共可提供总共可提供的时分信道数为：的时分信道数为： 2251000(200) 8MHzNKHz125125200MHzNKHz18 TDMA的主要技术特点：的主要技术特点： 每载波每载波8个时隙信道。每个信个时隙信道。每个信道道可传输一路数字话音，每个可

19、传输一路数字话音，每个载波最多载波最多可传输可传输8路话音。路话音。 突发脉冲序列传输突发脉冲序列传输。移动台发。移动台发射时间是射时间是不连续的，不连续的，只在分配只在分配的的时隙内才发送脉冲序列。时隙内才发送脉冲序列。 传输开销大，传输开销大，GSM的的TDMA帧帧层次结构如图层次结构如图3.9所示，共分为所示，共分为五个层次：时隙、五个层次：时隙、TDMA帧、帧、复帧、超帧、超高帧，每个层复帧、超帧、超高帧，每个层次都需占用一些非信息位的开次都需占用一些非信息位的开销，这样总的开销就比较大，销，这样总的开销就比较大，以致影响整体传输效率。以致影响整体传输效率。需要严格的定时与帧同步需要严

20、格的定时与帧同步, , 技技术比较复杂。术比较复杂。0122047012500125012250125012305674常规突发序列频率校正突发序列同步突发序列接入突发序列超高频超频I超频II复帧I复帧IITDMA帧四类时隙(突发)123419GSM每个信道比每个信道比TACS宽宽8倍，传输速率达倍，传输速率达270.8Kbps，在这个速率上就不能不考虑多径，在这个速率上就不能不考虑多径传输时延扩展的影响。因为传输时延扩展的影响。因为GSM的码元周期为的码元周期为3.7us，而繁华城区的多径时延扩展可达，而繁华城区的多径时延扩展可达3us左左右，已完全可以比拟。为了克服多径时延扩展，右，已完全

21、可以比拟。为了克服多径时延扩展，GSM采用了自适应均衡技术，增加了设备的复采用了自适应均衡技术，增加了设备的复杂性。杂性。GSM中每个载波可供中每个载波可供8个用户使用，这个用户使用，这8个用户个用户时分共用一套收、发设备，与时分共用一套收、发设备，与 FDMA比较比较，用用户设备户设备减少了八分之七，减少了八分之七，降低了成本。降低了成本。GSM是数字式移动通信，它对新技术是开放的，是数字式移动通信，它对新技术是开放的，这里的开放是指对新技术适应性比模拟这里的开放是指对新技术适应性比模拟FDMA强。强。GSM的时隙结构灵活的时隙结构灵活，不仅可以适应不同数据速率不仅可以适应不同数据速率(一般

22、指单个信道速率低于一般指单个信道速率低于8倍的整数倍倍的整数倍)的数据传送，的数据传送，还可以利用时隙的空闲省去双工器还可以利用时隙的空闲省去双工器(利用时隙间切换利用时隙间切换)。203.2.3 CDMA 它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除除TDMA以外的另一种形式，最典型的是以外的另一种形式，最典型的是IS-95。在第三代移动通信中，五种体制中最主要的三在第三代移动通信中，五种体制中最主要的三种也是采用种也是采用CDMA，它们是，它们是FDD的的CDMA2000、FDD的的WCDMA，与，与TDD的的TD-SCDMA。 现以现以IS-95体制

23、中体制中的的CDMA为例来介绍这种多址为例来介绍这种多址技术。技术。在在IS-95中，一个基中，一个基站有站有64个信道，采个信道，采用正交的用正交的Walsh函数来划分信道，在完全同步函数来划分信道，在完全同步的情况下，的情况下，64个个Walsh函数是完全正交的。函数是完全正交的。21 下行下行(前向前向)信道配置如下图所示。信道配置如下图所示。 其中，其中，Wi代表代表第第 i 路路Walsh函数。函数。64个信道中有一个导频信道个信道中有一个导频信道W0 ，一个同步信道，一个同步信道W32，七个寻呼信道，七个寻呼信道W1 W7 ，其余五十，其余五十五个为业务信道。五个为业务信道。 上行

24、上行(反向反向)信道配置如下图所示。信道配置如下图所示。 其中其中 n132,32, n26464，即接入信道最多为，即接入信道最多为32个，业务信道最个，业务信道最多为多为64个。个。 导频信道W0同步信道W32寻呼信道W1寻呼信道W7业务信道W8业务信道W62业务信道W63下行CDMA信道1.25MHz,基站发送接入信道1接入信道n1业务信道1业务信道n2上行CDMA信道1.25MHz,基站接收22 IS-95采用频率双向双工采用频率双向双工FDD方式方式(与与AMPS相同相同)。 下行下行带宽带宽25MHz，824849MHz；上行；上行带宽带宽25MHz，869894MHz。上、下行频

25、段间隔上、下行频段间隔(即即FDD间隔间隔)为为45MHz。 IS-95一个基站一个基站最大最大能能提供提供N1 =55 个业务信道。个业务信道。 一个频段一个频段1.25MHz最大最大提供提供基基站数站数(不含导频相位规划不含导频相位规划) ： 25MHz带宽能带宽能提供最多的频段数为：提供最多的频段数为： IS-95最多最多能提供的码分多址能提供的码分多址业务用户数业务用户数(不含导频相位规不含导频相位规划划)为：为：152251264N 325201.25MHzNMHz312355 51220563200NNNN23 IS-95采用的采用的CDMA的主要技术特点：的主要技术特点： CDM

26、A系统中所有用户共享同一频段、同系统中所有用户共享同一频段、同一时隙。一时隙。 CDMA采用扩频通信采用扩频通信，信道带宽，信道带宽1.25MHz，属于宽带通信系统，它具有扩频通信的一属于宽带通信系统，它具有扩频通信的一系列优点，比如抗干扰性强、低功率谱密系列优点，比如抗干扰性强、低功率谱密度等度等。对宽带信号适合采用。对宽带信号适合采用Rake接收机接收机抗频率选择性衰落。抗频率选择性衰落。 CDMA是一个干扰受限或者认为是信噪比是一个干扰受限或者认为是信噪比受限系统，其容量不同于受限系统，其容量不同于FDMA、TDMA中的硬容量，它是软容量。中的硬容量，它是软容量。CDMA中的多中的多个地

27、址间个地址间的正交性的正交性不理想产生的多址干扰不理想产生的多址干扰是是系统系统中最主要干扰，且随用户数增多而中最主要干扰，且随用户数增多而增大。增大。243.2.4 OFDMA OFDMA是第四代移动通信的核心技术是第四代移动通信的核心技术，它被它被LTE和和WiMax移动通信系统采用。学移动通信系统采用。学术界和工业界术界和工业界主流观点认为，只有主流观点认为，只有OFDMA才能够满足才能够满足ITU第四代移动通信第四代移动通信标准标准IMT-Advanced的技术要求。的技术要求。 OFDMA将整个将整个信道信道带宽划分带宽划分为多个正交为多个正交的子的子载波。既可将子载波分组，也可不分载波。既可将子载波分组，也可不分组组用于承载不同的业务数据用于承载不同的业务数据。OFDMA子子载波映射方式有三种，集中映射、分布映载波映射方式有三种，集中映射、分布映射与随机映射。射与随机映射。 25 分布式映射将子分布式映射将子载波按顺序均匀划分为组，载波按顺序均匀划分为组，组内的子载波依次映射组内的子载波依次映射为为不同业务数据，不同业务数据，承载同一业务的承载同一业务的子子载波将均匀分布在带宽载波将均匀分布在带宽中。中。 集中集中