《移动通信概论》课件-移动通信概论-第6章

移动通信概论信息科学与技术学院授课人：xxx第6章多址接入技术通过本章学习，着重解决以下问题：多址接入原理在无线通信环境中的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接多址接入方式及特点FDMATDMACDMASDMA等对多址接入技术有一个全面深入的理解6.1概述1、多址接入概念（1）问题情景：假设一间屋子中有很多人，每个人都想说话，如果所有人同时说话，那么想听清楚别人说什么很困难。如果其中有人提高声音，其他人也会随之提高声音，最终没有人能听到别人在说什么。6.1概述1、多址接入概念从接收到的无线信号中识别出本用户地址信号的方式。讨论：基站多路工作、移动台单路工作通过基站同时建立各自的信道，从而实现移动台之间或移动台与市话用户之间的多址连接。多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理每个人轮流说话－>(TDMA)分组，每组使用不同的语言－>(CDMA)分组，每组占居房间的一角－>(SDMA)讨论（续）当正交参量仅考虑时间、频率和码型时，无线电信号写成与多路复用不同点多路复用的目的是区分多个通路，通常在基带和中频上实现。多址划分是区分不同的用户地址，往往需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址。6.1概述下面分别给出了个信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意图6.1概述2、多址接入与信道（1）物理信道——传输信息的通道频道、时隙和码型是多址连接信道的三种主要形式。（2）数字移动通信的信道

模拟蜂窝：频分多址数字蜂窝：如利用频分和时分的优点形成基于时分多址的系统；将频分与码分相结合，形成基于码分多址的系统。6.1概述1、FDMA系统原理FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。在频分双工（FDD：frequencydivisionduplex）系统中，分配给用户一个信道，即一对频道。一个频道用作前向（下行）信道，即基站（BS）向移动台（MS）方向的信道；另一个则用作反向（上行）信道，即移动台向基站方向的信道。任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，即必须同时占用2个信道（1对频道）才能实现双工通信。6.2FDMA方式FDMA系统的工作示意图6.2FDMA方式FDMA系统频谱分隔示意图6.2FDMA方式2、FDMA系统的特点①每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。②符号时间远大于平均延迟扩展。③基站复杂庞大，重复设置收发信设备。④FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其它频率的信号，从而限制邻近信道间的相互干扰。

⑤越区切换较为复杂和困难。6.2FDMA方式1、TDMA系统原理TDMA是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。系统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射信号（突发信号），在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号（TDM信号）中把发给它的信号区分出来。6.3TDMA方式TDMA系统的工作示意图6.3TDMA方式频率时间频率时间频率时间频率时间2、TDMA的帧结构由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发（burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧，是TDMA系统的基本单元。1个TDMA帧是由若干时隙组成的，不同通信系统的帧长度和帧结构是不一样的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。在TDMA系统中，每帧中的时隙结构的设计通常要考虑三个主要问题：一是控制和信令信息的传输；二是多径衰落信道的影响；三是系统的同步。6.3TDMA方式TDMA帧结构6.3TDMA方式帧帧帧TDMA帧结构6.3TDMA方式3、TDMA系统的特点①突发传输的速率高，远大于语音编码速率。②发射信号速率随N的增大而提高，如果达到100kbps以上，码间串扰就将加大，必须采用自适应均衡，以补偿传输失真。③TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需要双工器。④基站复杂性减小。⑤抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量较大。⑥越区切换简单。6.3TDMA方式例6.1考虑每帧支持8个用户且数据速率为270.833kbps的GSMTDMA系统，试求：(a)每一用户的原始数据速率是多少？(b)在保护时间、跳变时间和同步比特共占用10.1kbps的情况下，每一用户的传输效率是多少？解(a)每用户的原始数据速率：270.833kbps/8=33.854kbps(b)传输效率：1-10.1/33.854=70%6.3TDMA方式例6.2假定某个系统是一个前向信道带宽为50MHz的TDMA/FDD系统，并且将50MHz分为若干个200kHz的无线信道。当一个无线信道支持16个语音信道，并且假设没有保护频隙时，试求出该系统所能同时支持的用户数。解在GSM中包含的同时用户数为：

N＝（50MHz/200kHz）*16=4000因此，该系统能同时支持4000个用户。6.3TDMA方式例6.3如果GSM使用每帧包含8个时隙的帧结构，并且每一时隙包含156.25比特，在信道中数据的发送率为270.833kbps，求：(a)一比特的时长；(b)一时隙长；(c)帧长；(d)占用一个时隙的用户在两次发射之间必须等待的时间。解(a)—比特时长Tb＝1/270.833kbps=3.692μs(b)—个时隙长Tslot＝156.25×Tb＝0.577ms(c)帧长Tf＝8×Tslot＝4.615ms(d)用户必须等待4.615ms，在一个新帧到来之后才可进行下一次发射。6.3TDMA方式6.4CDMA方式1、CDMA系统原理CDMA系统为每个用户分配了各自特定的地址码，这些地址码相互正交，在频率、时间和空间上都可能重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，用来对接收的信号进行相关检测。地址码的设计直接影响CDMA系统的性能，为提高抗干扰能力，地址码要用伪随机码（又称为伪随机（Pseudo-Noise）序列）。

6.4CDMA方式CDMA系统的工作原理示意图频率时间频率时间频率时间频率时间6.4CDMA方式CDMA系统的工作原理示意图频率时间频率时间频率时间频率时间码字一码字二码字三6.4CDMA方式2、正交Walsh函数Walsh函数有着良好的互相关和较好的自相关特性。Walsh函数是一种非正弦的完备函数系。由于它仅有两个可能的取值：+1或-1，所以比较适合用来表示和处理数字信号。利用Walsh函数的正交性，可获得CDMA的地址码。若对图中的Walsh函数波形在8个等间隔上取样，即得到离散Walsh函数，可用8×8的Walsh函数矩阵表示。6.4CDMA方式连续Walsh函数的波形6.4CDMA方式如图所示函数对应的矩阵如下式所示，从中可见，变换行的次序后与下面所述的Walsh函数矩阵的相同。6.4CDMA方式2、Walsh函数矩阵（Hadamard矩阵）的递推关系Walsh（沃尔什）函数可用Hadamard（哈达码）矩阵H表示，利用递推关系很容易构成Walsh函数序列族。哈达码矩阵H是由“1”和“0”元素构成的正交方阵，特点：任意两行（列）都是正交的。当把哈达码矩阵中的每一行（列）看成一个函数时，则任意两个函数之间也都是正交的，即互相关函数为零。将M阶哈达码矩阵中的每一行定义为一个Walsh序列（又称Walsh码或Walsh函数）时，我们就得到M个Walsh序列。6.4CDMA方式哈达码矩阵有如下递推关系：式中，M取2的幂；是的补。6.4CDMA方式3、m序列伪随机码（1）m序列的生成m序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。

m序列的发生器是由移位寄存器、反馈抽头及模2加法器组成的。产生m序列的移位寄存器的网络结构不是随意的，必须满足一定的条件。图6-8是一个由三级移位寄存器构成的m序列发生器。6.4CDMA方式3级移位寄存器m序列产生电路6.4CDMA方式一般的m序列产生电路D1D2D3Dn…+C0=1C1C2C3Cn=16.4CDMA方式m序列设计级数n周期P反馈系数Ci（八进制）37134152353145,67,75663103,147,1557127203,211,217,235,277,313,325,345,3678255435,453,537,543,545,551,703,74795111021,1055,1131,1157,1167,11751010232011,2033,2157,2443,2745,34711120474005,4445,5023,5263,6211,736312409510123,11417,12515,13505,14127,1505313819120033,23261,24633,30741,32535,37505141638342103,51761,55753,60153,71147,674011532767100003,110013,120265,133663,1423056.4CDMA方式（1）m序列的特性m序列的随机性m序列一个周期内“1”和“0”的码元数大致相等(“1”比“0”只多一个)。连“1”的游程和“0”的游程各占一半，而且只有一个包含个“0”的游程，也只有一个包含个“1”的游程。m序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的序列还是m序列，只是相位不同。m序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全0外，其它状态在一个周期内只出现一次。6.4CDMA方式m序列的自相关性自相关函数由下式计算式中，A为“0”位数或相同的位数；D为“l”位数或不相同的位数。显然P=A+D。6.4CDMA方式m序列的自相关函数6.4CDMA方式m序列的互相关性m序列的互相关性是指相同周期的两个不同m序列{}、{}一致性的程度。其互相关值越接近于0，说明这两个m序列差别越大，即互相关性越弱；反之，说明这两个m序列差别较小，即互相关性较强。用m序列作为CDMA系统的地址码时，必须选择互相关值很小的m序列组，以避免用户之间的相互干扰，减小MAI。互相关函数可由下式计算：6.4CDMA方式通常在实际应用中，只关心互相关特性好的m序列对的特性。对于周期为的m序列组，其最好的m序列对的互相关函数值只取三个，这三个值是式中，，其中[]表示取实数的整数部分。这三个值被称为理想三值。能够满足这一特性的m序列对称为m序列优选对，它们可以用于实际工程。6.4CDMA方式4、CDMA系统的特点①CDMA系统的许多用户共享同一频率。②通信容量大。③软容量特性。④由于信号被扩展在一较宽频谱上，所以可克服窄带干扰。⑤在CDMA系统中，信道数据速率很高。采用分集接收最大比合并技术，可获得最佳的抗多径衰落效果。⑥软切换和有效的宏分集。⑦低信号功率谱密度。6.4CDMA方式4、CDMA系统的特点CDMA系统存在着两个重要的问题多址干扰（MAI）不同用户的扩频序列不完全正交、非同步影响等。远近效应由于移动用户所在位置处于动态的变化中，基站接收到的各用户信号功率可能相差很大，即使各用户到基站距离相等，深衰落的存在也会使到达基站的信号各不相同。====》强信号对弱信号有着明显的抑制作用，会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信。6.5SDMA方式SDMA（空分多址）方式是通过空间的分割来区别不同用户的，它利用无线的方向性波束将小区划分成不同的子空间来实现空间的正交隔离。在移动通信中，采用自适应阵列天线是实现空间分割的基本技术，它可在不同用户方向上形成不同的波束。SDMA使用不同的天线波束为不同区域的用户提供接入。相同的频率（在CDMA系统中)或不同的频率（在FDMA系统中）用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域。实际上，蜂窝系统中广泛使用的多扇区划分即可看作是SDMA一种雏形。在极限情况下，自适应阵列天线具有极小的波束和无限快的跟踪速度（类似于激光束），它可以实现最佳的SDMA。6.5SDMA方式SDMA系统的工作示意图

6.5SDMA方式在蜂窝系统中，反向（上行）链路设计比较困难，主要原因有两个。由于每一用户和基站间无线传播路径的不同，从每一用户单元出来的发射功率动态控制困难。发射受到用户单元电池能量的限制，因此也限制了反向链路上对功率的控制程度。用在基站的自适应天线，可以解决反向链路的一些问题。提供了最理想的SDMA，提供了在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道。尽管上述理想情况是不可实现的，它需要无限多个阵元，但采用适当数目的阵元，也可以获得较大的系统增益。6.6OFDM多址方式1、OFDM-TDMA在OFDM-TDMA系统中，信息的传送是按时域上的帧来进行的，每个时间帧包含多个时隙，每个时隙的宽度等于一个OFDM符号的时间长度，有信息要传送的用户按各自的需求可以占用一个或多个OFDM符号。特点：OFDM-TDMA方案不可避免地存在带宽资源浪费、频率利用率较低和灵活性差等不足。OFDM-TDMA方案的信令开销很大程度上取决于是否采用滤除具有较低信噪比子载波的技术和自适应调制/编码技术。6.6.2OFDM多址方式2、OFDMA概念：通过为每个用户提供部分不同的子载波来实现多用户接入，也就是每个用户分配一个OFDM符号中的一个子载波或一组子载波，以子载波频率的不同来区分用户。给用户分配子载波有很多方法，使用最广泛的有两种：分组子载波（GroupedSubcarriers）方法，其特点是比较简单，用户间干扰较小，但是受传输中信道衰落的影响比较大。和间隔扩展子载波（CombSpreadSubcarriers），其特点是通过频域扩展，增加频率分集，从而减少了信道衰落的影响。(a)分组子载波方式(b)间隔扩展子载波方式6.6.2OFDM多址方式6.6.2OFDM多址方式OFDMA系统具有以下特点：可以不受小区内的干扰。它通过为小区内的多用户设计正交跳频图案来达到。可以灵活地适应带宽的要求。它通过简单地改变所使用的子载波数目就可以适应特定的传输带宽。可与动态信道分配技术相结合，以支持高速率的数据传输。6.7随机多址方式前面所述的多址方式是基于物理层的。基于网络层网络协议的分组数据随机多址方式日显重要。例如，在分组无线电系统中，任一发送用户的分组在共用信道上发射，使用自由竞争规则随机接入信道，接收方收到后发送确认信息，进而实现了用户之间的联接。这种以自由竞争式的随机接入，采用网络协议形式实现的多址连接方式称为随机多址。1．ALOHA协议和时隙ALOHAALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议。规则：任何一个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，在相同的信道上或一个单独的反馈信道上等待应答。如果在一个给定的时间区间内，没有收到对方的认可应答，则重发刚发的数据分组。问题：各个节点的发射是相互独立的，即各节点的发送与否与信道状态无关，这样在同一信道上会出现多个分组发生碰撞的情况。时隙ALOHA协议将时间轴分成时隙，时隙大小大于或等于一个分组的长度。所有用户都同步在时隙开始时刻进行发送。1．ALOHA协议和时隙ALOHAALOHA和时隙ALOHA协议示意图(a)ALOHA协议；(b)时隙ALOHA协议2．载波侦听多址（CSMA）CSMA协议每个节点在发送前，首先要侦听信道是否有分组在传输。若信道空闲(没有检测到载波)，才可以发送；若信道忙，则按照设定的准则推迟发送。在CSMA协议中，当检测到信道忙时，有几种处理办法：一是暂时放弃检测信道，并等待一个随机时延，在新的时刻重新检测信道，直到检测到空闲信道，该协议称为非坚持CSMA；二是坚持继续检测信道直至信道空闲，一旦信道空闲则以概率1发送分组，该协议称为1-坚持CSMA；三是继续检测信道直至信道空闲，此时以概率p发送分组，以1-p推迟发送，该协议称为p-坚持CSMA。2．载波侦听多址（CSMA）CSMA协议示意图3．预约随