第6章-多址接入技术知识讲解

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1、第6章多址接入技术 内容介绍 6 1多址接入技术的基本原理6 2FDMA方式6 3TDMA方式6 4CDMA方式6 5SDMA方式6 6OFDM多址方式6 7随机多址方式6 8FDMA TDMA与CDMA系统容量的比较 1 多址接入方式 多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理 原理上与固定通信中的信号多路复用相似 但有所不同 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 而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 同时为了实现多址信号之间互不干扰 不同用户无线电信号之间必须满足正交特性 信号的正交性是通过信号正交参量来实现的 当正交参量仅考

2、虑时间 频率和码型时 无线电信号写成 式中 c t 是码型函数 s f t 是时间t和频率f的函数 1 多址接入方式 有多种方式来区分不同用户地址 如频分多址 FDMA 是以传输信号载波频率的不同来区分 时分多址 TDMA 是以传输信号存在的时间不同来区分 码分多址 CDMA 是以传输信号的码型不同来区分 图6 1分别给出了N个信道的FDMA TDMA和CDMA的示意图 从图中可见 频分多址中不同用户的频道相互不重叠 即正交 时分多址中不同用户的时隙相互不重叠 码分多址中不同用户的码型相互不重叠 1 多址接入方式 图6 1FDMA TDMA和CDMA的示意图 2 多址接入与信道 1 物理信道信

3、道是传输信息的通道 依传输媒介的不同 信道可分为有线信道和无线信道两大类 无线信道是指利用无线电波传输信息的通道 依据传输信号的形式不同可分为模拟信道和数字信道两类 模拟信道是指传输话音等模拟信号的信道 数字信道是指能直接传输数字信号的信道 数字移动通信信道属于移动环境下的无线数字信道 具体的物理信道与采用何种多址 接入 方式有关 频分多址接入时的信道表现为频道 时分多址接入时的信道表现为时隙 码分多址接入时的信道表现为码型 信道 时隙和码型是多址连接信道的三种主要形式 2 多址接入与信道 2 数字移动通信的信道由于频分多址技术发展较早也最为成熟 因此早期的蜂窝系统建立在频分多址的基础之上 后

4、来发展的数字蜂窝移动通信 仍然采用蜂窝结构 其时分多址系统是将频分与时分相结合 综合利用频分和时分的优点形成基于时分多址的系统 而码分多址系统则是将频分与码分相结合 形成基于码分多址的系统 例如 GSM系统就是在频分蜂窝系统的基础上 在每个基站控制区内实现时分多址的系统 而IS 95CDMA系统则是在频分基础上的码分蜂窝系统 就用户之间建立信道而言 基于时分多址系统的信道是时隙 而基于码分多址系统的信道是码型 6 2FDMA方式 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 从图6 2中可以看出 在频

5、分双工 frequencydivisionduplex FDD 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 这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号 任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转 因而必须同时占用2个信道 1对频道 才能实现双工通信 图6 2FDMA系统的工作示意图 1 FDMA系统原理 图6 3FDMA系统频谱分隔示意图 1 FDMA系统原理 FDMA系统的频谱分割如下图所示 在频率轴上 前向信道占有较高的频带 反向信道占有较低的频带

6、中间为保护频带 在用户信道之间 设有保护频隙 fg 以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠 1 FDMA系统原理 保证频道之间不重叠 例如频道间隔25kHz 是实现频分双工通信的基本要求 FDMA系统基于频率划分信道 每个用户在一对频道 f f 中通信 若有其他信号的成分落入一个用户接收机的频道带内时 将造成对有用信号的干扰 就蜂窝小区内的基站与移动台系统而言 主要干扰有互调干扰和邻道干扰 在频率复用的蜂窝系统中 还要考虑同频干扰 2 FDMA系统的特点 FDMA系统有以下特点 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 为了在有限的频谱中增加信道数量 系统均希望间隔越窄越好

7、 FDMA信道的相对带宽较窄 25kHz或30kHz 每个信道的每一载波仅支持一个电路连接 也就是说FDMA通常在窄带系统中实现 符号时间远大于平均延迟扩展 这说明符号间干扰的数量低 因此在窄带FDMA系统中无需自适应均衡 基站复杂庞大 重复设置收发信设备 基站有多少信道 就需要多少部收发信机 同时需用天线共用器 功率损耗大 易产生信道间的互调干扰 2 FDMA系统的特点 FDMA系统有以下特点 FDMA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 越区切换较为复杂和困难 因在FDMA系统中 分配好语音信

8、道后 基站和移动台都是连续传输的 所以在越区切换时 必须瞬时中断传输数十至数百毫秒 以把通信从一频率切换到另一频率 对于语音通信 瞬时中断问题不大 对于数据传输则将带来数据的丢失 6 3TDMA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 如图6 4所示 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

9、定的时隙中传输 各移动台只要在指定的时隙内接收 就能在接收到的信号中把发给它的信号区分出来 图6 4TDMA系统的工作示意图 1 TDMA系统原理 2 TDMA的帧结构 TDMA帧是TDMA系统的基本单元 它由时隙组成 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 帧结构示意图如图6 5所示 从图6 5可以看出 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 例如 GSM系统的帧长为4 6ms 每帧8个时隙 DECT系统的帧长为10ms 每帧24个时隙 在TDMA TDD系统中 帧信息中一半时隙用于前向

10、链路 而另一半用于反向链路 在TDMA FDD系统中 有一个完全相同或相似的帧结构 要么用于前向传送 要么用于反向传送 但前向和反向链路使用的载频是不同的 图6 5TDMA帧结构 2 TDMA的帧结构 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 在GSM系统中 TDMA帧和时隙的具体构成在第7章有详细介绍 TDMA系统有以下特点 3 TDMA系统的特点 突发传输的速率高 远大于语音编码速率 每路编码速率设为R 共N个时隙 则在这个载波上传输的速率将大于NR 这是因为TDMA系统中需要较高的同步开销 同步技术是

11、TDMA系统正常工作的重要保证 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 TDMA用不同的时隙来发射和接收 因此不需要双工器 即使使用FDD技术 在用户单元内部的切换器就能满足TDMA在接收机和发射机间的切换 而无需使用双工器 3 TDMA系统的特点 基站复杂性减小 N个时分信道共用一个载波 占据相同带宽 只需一部收发信机 互调干扰小 抗干扰能力强 频率利用率高 系统容量较大 越区切换简单 由于在TDMA中移动台是不连续的突发式传输 所以切换处理对一个用户单元来说是比较简单的 因为它可以利用空闲时隙检测其他基站 这样越区切换

12、可在无信息传输时进行 因而没有必要中断信息的传输 即使传输数据也不会因为越区切换而丢失 TDMA系统有以下特点 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 43 854kbps b 传输效率 1 10 1 43 854 70 2 例题 许多系统综合采用FDMA和TDMA技术 例如GSM数字蜂窝移动通信标准采用200kHz的FDMA信道 并将其分成8个时隙 用于TDMA传

13、输 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 例题 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 一比特时长Tb 1

14、270 833kbps 3 692 s b 一个时隙长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 例题 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 利用公共信道来传输信息 CDMA系统的地址码相互正交 用于区别不同地址 而在频率 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 其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调 它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰 通常

15、称之为多址干扰 MAI 在CDMA蜂窝系统中 用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的 为了实现双工通信 正向传输和反向传输各使用一个频率 即通常所谓的频分双工 无论正向传输或反向传输 除了传输业务信息外 还必须传送相应的控制信息 为了传送不同的信息 需要设置相应的信道 但是 CDMA蜂窝系统既不分频道有不分时隙 无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分 图6 6是CDMA系统的工作原理示意图 由此可知 地址码在CDMA系统中的重要性 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 1 CDMA系统原理 1

16、CDMA系统原理 图6 6CDMA系统的工作原理示意图 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函数波形Walsh 沃尔什 函数是一种非正弦的完备函数系 其连续波形如图6 7所示 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 图6 7连续Walsh函数的波形 2 正交Walsh函数 2 正交Walsh函数 若对图6 7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 采用负逻辑 即 0 用 1 表示 1 用 1 表示 从上往下排列 图6 7所示函数对应的矩阵如式 6 2 所示 从中可见 变换行的次序后与下面所述的Walsh函数的矩阵相同 6 2 2 正交Walsh函数 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 在哈达码矩阵中 任意两行 列 都