无线通信与泛在网络课程：note4-无线通信3

无线通信(3)12无线通信多址接入技术3多址技术1.多址的基本原理2.频分多址技术(FDMA)3.时分多址技术(TDMA)4.码分多址技术(CDMA)5.空分多址技术(SDMA)6.随机多址技术经典技术较新技术XDMA：XDivisionMultipleAccess4多址的基本原理用于多信道共用，多信道共用是指在网内的大量用户共享若干无线信道多址技术：指区分不同用户的技术，为了让用户地址之间互不干扰，地址之间必须满足正交特性。主要解决多用户如何高效共享给定频谱资源问题（由于频谱资源稀缺性）常规的多址方式有三种：频分多址(FDMA)时分多址(TDMA)码分多址(CDMA)5多路复用（multiplexing）为了提高信道利用率，使多路信号沿同一信道传输而互不干扰的技术6多路复用技术实现多路复用的关键把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分割出各种信号分割信号的依据：信号之间的差别信号频率上的不同信号出现时间上的不同信号码型结构上的不同频分多路复用时分多路复用码分多路复用7多址与复用的区别多址技术：是用来区分不同用户的一种技术为了让用户的地址之间互不干扰，地址之间必须满足相互正交；分类：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)8多址与复用的区别复用技术：目的是让多个信息源共同使用同一个物理资源(比如一条物理通道)，并且互不干扰；这里的复用是指“多个共同使用”的意思；分类：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）、空分复用（SDM）9多址与复用的区别通信要做的工作就是让多个信息源发出的信号在同一物理or逻辑信道上不要发生冲突，和平共处，共同分享信道资源，并安全到达目的地；多址的“址”在移动通信中是指用户临时占用的信道，多址就是要给用户动态分配一种地址资源——信道，当然这种分配只是临时的；多址和复用的区别还在于，多址技术是要根据不同的“址”来区分用户；复用是要给用户一个很好的利用资源的方式。一句话“复用针对资源，多址针对用户”10无线双工通信前向频段反向频段时间频率频分双工FDD11：前向信道和反向信道之间的间隔，避免干扰无线双工通信（续）前向时隙反向时隙时间频率时分双工TDD前向时隙反向时隙保护时间间隔12频分多址(FDMA)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,是第一代模拟移动通信的基本技术在FDMA系统中,信道总频段被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频段(地址),每个子频段分配给一个用户,每个子频段在同一时间只能供给一个用户使用,相邻子频段之间无明显的干扰13频分多址(FDMA)码时间频率信道1信道2信道3信道nFDMA信道配置图14频分多址(FDMA)FDD/FDMA示意图15FDMAf1f2fN…F1F2Fn…保护频带反向信道前向信道FDD/FDMA系统示意图16保护频隙Fg保护频段FDMA的典型应用美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分配频率；同时支持的信道数：

N＝（Bt－2Bguard）/BcBt系统带宽，Bc信道带宽，Bguard为分配频率时的保护带宽17典型应用举例（续）例：如Bt为12.5MHz，B保护为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系统的有效信道数。解：由公式N＝（Bt－2B保护）/Bc计算

将上述数值代入可求出N的大小1819FDMA系统的特点每信道占用一个载频，频率利用率低，系统容量小基站设备复杂越区切换较为复杂和困难时分多址(TDMA)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20时分多址(TDMA)TDMA信道配置图码时隙时间频率信道N信道1信道2信道3子帧(N时隙)2122时分多址时分多址：是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙。帧和时隙都是不重叠的在频分双工(TDMA/FDD)方式中，前向信道和反向信道的帧分别在不同的频率上在时分双工(TDMA/TDD)方式中，上下行帧在相同的频率上，各移动台在上下行帧内只能按指定的时隙向基站发送信号时分多址(TDMA)TDMA示意图23TDMA系统的信道容量总的信道数：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(Btot－2B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，Bc用户带宽24TDMA系统的信道容量例：一个全球移动通信系统GSM，前向链路处于25MHz的TDMA/FDD系统。将25MHz分为若干个200KHz的无线信道。如果一个无线信道支持8个语音信道，假设没有保护波段。求GSM系统可以包含的同时工作的最大用户数。2526TDMA系统的特点突发传输速率高基站复杂性较小相比FDMA，抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大越区切换简单扩频多址(SSMA)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)27码分多址(CDMA)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28码分多址(CDMA)频率时间码C1C2CNCDMA信道配置图……297C29822.032-Cimini-9/97码分多址Timeandbandwidthareusedsimultaneouslybydifferentusers,modulatedbyorthogonalorsemi-orthogonalcodes(e.g.spreadspectrum).30Walsh码生成过程Walsh函数对应的矩阵可以写成8*8walsh函数矩阵31Walsh码生成过程Walsh函数矩阵递推关系32Walsh码生成过程Walsh函数矩阵递推关系33344位Walsh码扩频实例353637数字信号异或满足交换律和结合律跳频多址(FHMA)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快跳频系统慢跳频系统38小结时分频分时隙1时隙2……时隙8用户1频点1频点2频点25用户8用户9用户16用户NGSM的复用方法（时分多址）39小结WCDMA的复用方法扩频码5MHz频宽扩频码C1用户1扩频码C2用户2扩频码C3用户3扩频码C4用户4扩频码C5用户5扩频码C6用户6扩频码C7用户7扩频码C8用户8…………扩频码CN用户N4041智能天线的基本思想天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户接收模式下，来自窄带波束以外的信号被抑制发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小空分多址(SDMA)42

43空分多址的概念与传统的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址不同，智能天线引入空分多址（SDMA），利用用户空间位置的不同来区分不同用户在相同时隙，相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的传播路径来区分空分多址(SDMA)44SDMA是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现组合的多址方式，例如“空时－码分多址”（SD-CDMA）空分多址(SDMA)45随机多址概念：在上世纪70年代，Norman

Abrmson提出了一种有效的随机争用多址通信方式，这就是著名的ALOHA系统Roberts

进而提出了一种使其系统通信量增加一倍的方法Slotted

ALOHA系统，即时隙式ALOHA系统从此，关于改进ALOHA系统的研究开始迅速发展起来，而卫星通信技术，无线分组网络和计算机网络的飞速发展也促使了随机多址系统传输理论的迅速发展，现在这些理论知识已经广泛的运用到了这些系统当中随机多址46随机多址主要分为以下2种实现方式：Aloha协议连续时间Aloha(纯Aloha,PureAloha)时隙Aloha(SlottedAloha)基于帧的分时隙Aloha(FSA)预约随机多址(ReservationAloha)载波侦听(CSMA)随机多址47Aloha协议是一种最简单的数据分组传输协议。任何用户随时有数据分组要发送，它就立刻接入信道进行发送发送结束后在相同信道或者是单独的反馈信道上等待应答如果在给定的时间内没有收到对方的应答，则重发刚发出的分组由于在同一信道上，多个用户独立随机发送分组，很容易出现多个分组发生碰撞的情况Aloha协议和时隙Aloha一种RFID标签冲突示意图例T1T1Collision！！！48一个随机多址碰撞实例RFID标签冲突标签信号冲突：随着阅读器通信距离的增加其识别区域的面积也逐渐增大，这常常会引发多个标签同时处于阅读器的识别范围之内。但由于阅读器与所有标签共用一个无线通道，当两个以上的标签同一时刻向阅读器发送标识信号时，信号将产生叠加而导致阅读器不能正常解析标签发送的信号。这个问题通常被称为标签信号冲突问题（或碰撞问题），解决冲突问题的方法被称为防冲突算法（或防碰撞算法，防冲突算法）。4950连续时间Aloha协议实现纯ALOHA算法的实现过程：各个标签随机的在某时间点上发送信息阅读器检测收到的信息，判断是成功接收或者碰撞若发生碰撞，标签在发送完信息后等待随机长时间再重新发送信息假设某一帧信息的长度为F，起始时间为t0，另一帧的起始时间t1满足关系式

t0-F≦t1≦t0+F

碰撞发生51连续时间Aloha协议实现也称为纯Aloha协议(PureAloha)，算法简单，易于实现，但系统吞吐量S仅为18.4%，性能非常不理想。52连续时间Aloha协议实现53纯Aloha协议分析站1站2站N-1站N1帧到达T023756冲突重发冲突重发冲突再重发冲突重发4发送成功12345672T0吞吐量S:(Overhead)单位时间内平均成功传输的分组数等于在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。显然，0S1，而S=1是极限情况在S=1

时，帧一个接一个地发送出去，帧与帧之间没有空隙。这种情况虽然使信道的利用最为充分，但在众多用户随机发送帧的情况下是不可能实现的可以用S接近于1的程度来衡量信道的利用率是否充分54纯Aloha协议分析网络负载G：从网络的角度看，G等于在T0内平均总发送帧数这里包括发送成功的帧和因碰撞未发送成功而重传的帧显然，GS，而只有在不发生碰撞时，G才等于S。还应注意到，G可以远大于1。例如，G=10，表示在T0时间内网络共发送了10个帧，这当然会导致很多的碰撞55纯Aloha协议分析时隙ALOHA协议实现S-ALOHA算法将纯ALOHA算法的时间轴分为若干时隙，每个时隙大于或等于标签标识符发送的时间长度，并且每个标签只能在时