多址技术新版

多址技术2．1引言在这一章重要讨论无线通信中窄带信道化和宽带非信道化系统，集中在涉及FDMA、TDMA、CDMA的多址技术上，从容量、性能和谱效率的观点上进行研究。2．2窄带信道化系统传统的模拟和数字的无线系统的结构都是信道化的。在信道化系统中，频谱被提成很多相关的窄的由载频决定的无线信道。每一个无线信道涉及一对频率。用于传送从基站到移动台的频率称为前向信道，用于传送从移动台到基站的频率称为反向信道。用户在通话时，同时被分派了两个频率。前向和反向信道是不同的频率，以保证在发送和接受之间的干扰为最小。窄带的信道化系统需要对每个发射机进行精确的输出频率控制。在此系统中，移动台的发射要对拟定的窄带内进行限制以避免对相邻信道的干扰。带宽限制的紧密限度对调制技术的评估和选择起决定性的作用。并且它会影响发射和接受单元的设计，特别是滤波器会影响移动台的成本。2．2．1模拟信道化系统北美的AMPS系统被分派825MHz到845MHz用于传送移动台到基站的信号，870到890MHz传送基站到移动台的信号。每个信道频带为30KHz，每个方向的频段可提供666个信道。每个信道收发的频率差总是45MHz。在蜂窝电话系统中，最初呼喊的建立是使用专门的控制信道。话音通信使用不同于控制信道的话音信道。AMPS系统中有42个控制信道，它们是从信道313到354。其它为话音信道。1－1－333334－666825835845上行频率（MHz）1－1－333334－666870880890下行频率（MHz）AMPS频段和信道安排2．2．2窄带数字信道化系统随着用户数量的增长，模拟系统的容量不能满足需求。几项数字技术用于解决容量问题。基于把一个固定的频谱资源分派给不同的用户，有两个基本的数字化策略：使用不同的频率－FDMA使用不同的时隙－TDMA2．2．2．1FDMA在FDMA中，不同用户的信号被分派不同的频率。与模拟信号相同，在相邻的信号频谱之间有保护带，用于减小相邻信道的串话。FDMA的优点是通过减少信息比特率和使用有效的数字码可获得容量的增长。FDMA的缺陷涉及：FDMA与模拟相同没有本质的区别，提高容量只依赖于减小S/I的比。但窄带数字化方法在这方面仅给出有限的优势，在给定的频谱分派中，希望得到适度的容量改善。窄带技术需要窄带滤波器，但它无法用VLSI数字电路实现每个信道的最大比特率是固定的，较低的。这对将来信息比特率可变的需求是不行的。传统的系统使用频分双工方式，发射机和接受机同时在不同的频率上工作。上行和下行信道分开以阻止发射机对接受机的干扰。频率1电路频率2电路。。。下行频率n电路频域频率1电路频率2电路。。。上行频率n电路2．2．2．2TDMA在TDMA系统中，每个用户的数据在称为时隙的一段时间内传送，几个时隙组成一帧。每个时隙由时隙头加信息比特。一帧头数据1数据2数据M时隙n头头数据1数据2数据M时隙n头头时隙1时隙2保护时间时隙头的作用是提供辨认和偶发的信息，在预接受机保证时隙的同步。保护时间用于每个用户的传输时减少信道之间的串话。大部分TDMA系统，在下行链路从基站由一个载频发射到几个移动台。反方向，从移动台到基站准时间序列、同步于TDMA的共同频率。在TDMA中通过选择最低的复用速率或几倍的这个速率，使得系统可支持很宽范围的用户速率，这使得系统可支持各种不同速率的语音编码技术。TDMA的优点：TDMA允许灵活的比特率。既可以是基本单信道速率的几倍，对于低比特率的广播型业务也可以是它的几分之一；TDMA不需要窄带滤波器，可用VLSI集成；TDMA提供了对帧到帧的信号强度/比特错误率的监视机会，以使得移动台或基站可以启动和执行切换；TDMA能更有效的运用带宽，没有保护频带；TDMA传送信号时，在时隙之间预留了足够的保护时间，以合用下述情况：。。时钟不稳定导致的时间不精确；。。时延扩展；。。由传播距离导致的传输时延；。。信号脉冲的拖尾。TDMA的缺陷：对手机上行的峰值功率较大，这样减少电池的寿命；TDMA为了时隙同步需要匹配滤波器和相关检测等相称多的信号解决。TDMA系统可以用TDD方式使用一个频带。在TDD方式中，用一种简朴型的方法就可获得双向信息，这种方法是在同一频率上时间上传输方向自动交替进行。由于一方使用这个频率时此外一方必须停止，因此TDD只能提供半连续的双向流。然而对于信道上足够高速的传输率，在通话过程中停止的时间是不用注意的。TDMA也可以使用FDD方式。2．3谱效率频谱的有效使用是移动通信最需要的特性。为了实现频谱的有效使用，有许多技术被提出或已使用在移动通信系统中。改善频谱效率的方法涉及信道带宽的减少，信息的压缩，可变比特率控制，以及改善的信道分派算法。移动通信的谱效率还依赖于多址方式的选择。谱效率的精确测量可使得我们估计移动通信的容量。移动通信的整体效率可分别由已知的调制和多址谱效率来估计。2．3．1调制的谱效率调制的谱效率定义为：Bw=系统带宽Bc=信道带宽Nc=组中社区数N=系统的频率再用因子Ac=社区的覆盖区域上式表白调制的频谱效率与系统带宽无关。它依赖于信道占用带宽，总覆盖区和频率再用因子。总的覆盖区不变，通过减少信道占用带宽，可以增长谱的调制效率。假如无线规划和调制方式能被设计成减少N，则在一个社区可获得更多的信道，改善效率。此外一个调制的谱效率的定义是爱尔兰/MHz/km2。其中t为中继效率因子.上式表白：话音的质量依赖于频率再用因子N，它是移动通信中调制方式的S/I的函数；系统带宽Bw与系统承载的业务量是非线性的，即给定的Bw增长，系统所承载的业务的增长比Bw的增长多；从平均用户忙时业务量和频谱效率可获得用户量/km2/MHz;频谱效率依赖于阻塞概率。2．3．2多址谱效率在FDMA中，用户在频率域上共享无线频谱。由于保护带和信令信道使谱效率减少。在TDMA中由于保护时间和同步序列使谱效率减少。多址的谱效率定义为分派给传输语音的所有时间频率或与系统所获得的时间频率域的比值。因此多址的谱效率是无单位的上限为1的数。2．3．2．1FDMA谱效率对于FDMA的多址谱效率为：这里为覆盖区的话音信道数。2．3．2．2TDMA谱效率对宽带TDMA的多址效率这里为时隙宽度，Tf为周期，Mt为每帧的时隙数。上式假定所有用户共享所有带宽。对窄带TDMA，所有频带分割为几个子带，频率效率不是1。窄带TDMA的谱效率为为每个用户在其时隙中占用的带宽；为共享同一时隙，但不同频率子带接入的用户数。2．3．2．3FDMA和TDMA系统的总体谱效率总的谱效率为调制谱效率与多址谱效率的乘积例子：北美窄带TDMA蜂窝系统，每个方向的系统带宽为12。5MHz，信道带宽为30KHz，有395个话音信道，帧间隔为40ms，每帧6个时隙。系统中每个用户的数据速率为16。2kbs，带有差错保护的话音速率为13kbs.计算TDMA系统的谱效率。解：时隙宽度为：2．3．2．4TDMA系统的容量TDMA系统的容量为这里Nu=每个社区的信道数；Bw=系统的单方向带宽；R＝带有头的信息比特率；N＝频率再用因子；2．4宽带系统在宽带系统中，用户可获得整个系统带宽，系统带宽比需要传送信息的带宽宽很多倍，这种系统称为扩频（SpreadSpectrum－SS）系统。有两种典型的扩频系统：跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）。DSSS系统的优点是传输带宽超过相干带宽。解扩后可得到几个不同时延的信号。RAKE接受机可恢复多个时延信号，组成一个信号。可以对低频深衰落起到固有时间分集的作用。这对于移动通信是很有效的，另一优势在于解决了频率再运用的干扰。尚有它对移动用户的数目无硬的限制。跳频是发射时频率或频率组周期性的改变。FH信号可被当作是用伪随机载频调制的脉冲序列。也许的载频集被称为跳频集。在移动通信系统中，一般采用直接序列扩频建立的码分多址系统（DS－CDMA）。2．5FDMA、TDMA和DS－CDMA的比较相对于FDMA、TDMA，DS－CDMA的第一优点是它容忍一定限度的干扰信号。由于CDMA对干扰容忍的因素，频带分派和社区干扰等问题变得简朴了。并且，它对其它系统的干扰不是个问题，因此系统设计和实行的适应性得到极大的改善。换一句话说，FDMA和TDMA的无线系统必须精心地分派频率或时隙以保证它与其它的类似系统无干扰。因此对FDMA和TDMA，复杂的滤波器和保护带的保护是很需要的。在双向通话时，话音活动模式使CDMA系统容量得到改善，而这种模式引入到FDMA和TDMA中是无效的。因此，对于相同的频带，CDMA比FDMA和TDMA系统能容纳更多的移动用户。对于DS－CDMA，相邻社区可以共享相同的频率，而由于干扰FDMA/TDMA的相邻社区不能共享相同频率。更多的容量增益可以用方向性天线技术来获得，它将社区分为几个扇区。时间时间 FDMA TDMA用户1 用户4 用户3 用户2 用户11234频率频率 时间 CDMA 频率2．6DS－CDMA系统的容量DS－CDMA系统的容量依赖于解决增益（Bw/R），每个比特能量对于干扰的比（），话音负荷周期，全向频率再用效率f和扇区数G。在社区中从移动台接受的信号功率是S＝REb。信号干扰比为在一个社区有Nu个移动用户，由于采用了自动功率控制（APC），无论用户分布在什么地方，每个用户受到Nu－1个用户的干扰。APC可以减少功耗，减少对其它用户的干扰，有助于克服衰落。对正六角形社区，S/I为：这里Nu为带宽为Bw的移动用户数，ki,i=1,2,3…为周边其它社区终端的干扰奉献因子，1，2，3为外围圈数。假如我们定义频率再用效率f为实验表白在双工双向对话中，平均每方的话音占用时间小于40％。因此剩余的时间的干扰可以被消除。由于CDMA中所有用户共享同一频带，其它干扰信道的静止间隙可对盼望的信道的干扰减少，而对FDMA和TDMA由于在话音间隙时再分派信道有时延，因此是无效的。我们定义f为话音活动因子，则此外再考虑自动功率控制的不完善和