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1、通信网络通信网络（17）2012级 研究生课程1SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs信道复用与多址技术本章的基本内容：n频分复用与频分多址；n时分复用与时分多址；n码分复用与码分多址；n统计复用与随机多址；n综合复用技术。2SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17.1 引言 3SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 引言在通信系统中，通常有多个用户需要同时传输信息，需要解 决信道资源的分配问题。信道复用技术：根据可用的信道资源，将信道划分给不同的 用户同时使用的方法。 多址技术：对信道资源和用户分别进行某种编号，使特定的 信道资源与使
2、用该资源的用户建立对应关系的方法。多址接入：多个用户根据所分配得到的资源接入系统的过程 。信道的复用和多址技术的实施需要考虑用户通信过程的实时 性。 17 信道复用与多址技术4SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 引言(续)信道资源的理想划分：各子信道间具有正交性。设系统中有K个用户同时工作。记第 k 个用户的发送信号的时间第 k 个用户发送的信号信道(信号)间正交的条件：17 信道复用与多址技术5SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 引言(续)信道资源划分的主要方法：频分复用时分复用码分复用空分复用统计复用不同的资源划分方法，有相应的多址技术。不同
3、的信道划分方法，对资源的利用效率可能会有所不同， 但总的可用资源(除空分复用外)一般只会减少，不会增加。系统的总可用资源由香农定理决定。17 信道复用与多址技术6SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17.2 频分复用与频分多址7SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 频分复用与多址技术传统的频分复用方法：将可用的频谱资源在频率域上划分出若 干段互不重叠的频带，每一段频带构成一子信道 。保护带：为保证在不同的子信道间不会产生相互间的干扰，在 相邻频带之间设置一定宽度的隔离带称之。频分复用方法及隔离带示意图17 信道复用与多址技术隔离带8SCUT DT&P
4、LabsSCUT DT&P Labsn 频分复用与多址技术(续)频分复用系统中第k个用户发送的信号该信号的接收机中一般设有滤波器 ，使满足由此可得从而有由此保证不同信道间的信号的正交性。17 信道复用与多址技术9SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 频分复用与多址技术(续)频分多址系统频分复用系统可同时容纳的信道数传统的频分复用系统因子信道间需要隔离带，频谱效率较低 ，且需要大量不同参数的滤波器。17 信道复用与多址技术10SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17.3 时分复用与时分多址 11SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn
5、时分复用与多址技术时分复用方法：把传输时间划分成按周期出现的数据帧，帧 内再进一步划分出时隙，每个子信道就是以帧周期间歇提供给 用户的时隙。合理地选择帧周期和时隙的大小，可使每个用户感觉就像在 连续地使用一个属于自己的信道。 时分复用方法示意图17 信道复用与多址技术12SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 时分复用与多址技术(续)时分复用系统的复接与分接过程示意图低速数据流 高速数据流分接 复接17 信道复用与多址技术13SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 时分复用与多址技术(续)时分复用系统：国际上常用的PCM群路等级17 信道复用与多址技术制
6、式群路等级欧洲、中国北美、日本 传输 速率 ：Mbps话路数传输 速率： Mbps话路数基群2.048301.54424 二次群8.4481206.31296 三次群34.36848032.064480 四次群139.264192097.7281440 五次群564.9927680397.220576014SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 时分复用与多址技术(续)时分多址的话音通信系统原理图多用户数据沿时间轴分布17 信道复用与多址技术15SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 时分复用与时分多址(续)时分复用系统的子信道数记 信道总的传输速率为
7、；每个用户的传输速率为则子信道数时分复用系统的特点：易于用集成电路实现；需要准确的定时。时间保护间隔：时分复用的方法用于无线多址系统时，因为 用户间有定位误差，且信号到达接入点可能有不同的时延，因 此通常需要有时间保护间隔。17 信道复用与多址技术16SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17.4 码分复用与码分多址17SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 码分复用与码分多址记M维的码字集 ，其中正交编码集：称 为正交编码集，如果其满足如下的条件特别地，若称 为归一化正交码。17 信道复用与多址技术18SCUT DT&P LabsSCUT DT&P La
8、bsn 码分复用与码分多址(续)哈达马矩阵（Hadamard matrix）：由如下方法构建的矩阵称 之容易证明：每个哈达马矩阵 的行向量构成一个正交编码集 ；其中码字的长度为 ，每个码字集中包含 个码字。17 信道复用与多址技术19SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 码分复用与码分多址(续)沃尔什(Walsh)函数：具有如下性质的函数集合称之。K 阶沃尔什函数：（1）除了在一些跳跃点上取值0外， 仅在1和1中取值； （2）对任意的 ； （3）在内 ， 有 次穿越零点的符号变化； （4）关于 的中点， 不是奇函数就是偶函数； （5）沃尔什函数构成一组正交的函数集。 沃尔
9、什函数集可由哈达马矩阵的行向量构建。17 信道复用与多址技术20SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 码分复用与码分多址(续)示例：由哈达马矩阵 构建的4阶沃尔沃函数集。相应的信号波形17 信道复用与多址技术21SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 码分复用与码分多址(续)码分复用：利用沃尔什函数的正交性，可以使得在时域和频 域均重叠的信号的分离，实现信道的复用。记 k 个不同的符号序列利用 k 个不同的沃尔什函数对 k 个符号序列进行调制其中 在时域和频域上都是重叠的。17 信道复用与多址技术22SCUT DT&P LabsSCUT DT&P La
10、bs17 信道复用与多址技术n 码分复用与码分多址(续)在接收端可利用沃尔什函数的正交性对不同的符号序列进行 分离，从而实现信道的复用码分复用的示意图采用不同的沃尔什函数 调制的不同的序列信号， 在时域和频域上是重叠的。23SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 码分复用与码分多址(续)码分多址系统的实现原理子信道数：采用哈达马矩阵 生成的沃尔什函数，可构建 2 个独立的子信道。码分多址系统的带宽： 其中 是码片周期。17 信道复用与多址技术24SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17.5 空分复用与空分多址 25SCUT DT&P LabsSCUT D
11、T&P Labsn 空分复用与空分多址空分复用:一种将天线上发出的某路电磁波信号，限定在某个 局部区域范围内，而使得在原来的区域范围内，可以容纳更多 路的电磁波信号的一种信道复用方式。 空分复用的基本形式：空分复用系统中的每个用户可以系统中的全部带宽资源，因 此可以达到频谱资源利用率倍增的效果。空分复用系统可容纳的用户数取决于对波束宽度的控制。17 信道复用与多址技术26SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17 信道复用与多址技术n 空分复用与空分多址(续)不同用户在空间域的信号不重叠，每个用户在工作区域内自 由自身的信号，信号间的正交性自然得到满足空分与频分复用是目前蜂窝
12、式移动接入网的主要工作方式27SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17.6 统计复用与随机多址28SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 统计复用与随机多址统计复用：统计复用是一种为适应数据业务传输需求具有随 机性和突发性而提出来一种动态分配资源的共享信道工作方式 。统计复用主要包括集中控制和随机分布式控制两种方式。(1)集中控制方式轮询工作：通过控制单元根据终端的需求控制其对信道资源 的使用。17 信道复用与多址技术29SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17 信道复用与多址技术n 统计复用与随机多址(续)点到多点(PMP)模式无线
13、基站系统帧内时隙的资源调度：时间轴被划分成等长度的帧；帧被划分成基站到用户的下行子帧和用户到基站的上行子帧；各个子帧被进一步划分为等长或不等长的时隙；每帧相应位置的时隙通常并不指定给特定的用户，而是根据用 户的需求动态分配。分配给用户的上行子信道和下行子信道的资源可以是不对称的 。30SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17 信道复用与多址技术n 统计复用与随机多址(续)网络路由器或交换机输出端口传输速率的统计复用：图(a):不分等级的输出端口传输速率的统计复用(单队列)图(b):可进行优先度控制的输出端口传输速率的统计复用(多 队列)； 优先度控制可根据需要采用不同的调度
14、策略31SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labs17 信道复用与多址技术n 统计复用与随机多址(续)（2）随机分布式控制方式 系统中没有集中的控制单元，各个终端间按照某种规则，有 协调或者没有协调地使用信道的资源。当出现一个以上的用户发送数据时，信道会出现冲突，冲突 通常导致所有当前所有正在传输的报文发送失败。出现冲突的示例： 32SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 统计复用与随机多址(续)在随机分布式控制系统中，各个终端中一般包含了探测冲突 的功能和相应的解决机制，可避免出现恶性的竞争。 采用随机分布式控制(碰撞自动退避机制)的通信系统示例有线连接的局
15、域网无线局域网17 信道复用与多址技术33SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 统计复用与随机多址(续)统计复用系统的性能分析(1)集中控制的轮询系统的性能分析设用户共享信道的传输速率为 ；用户的报文长度为 ；则传输一个报文所需的时间为每个终端单位时间内产生的平均报文数称为到达率：用户 的到达率记为 (报文/秒)用户 在一次轮询过程中所需的发送报文的时间为从用户 发送完毕到用户 开始发送的时间称为用户 的巡回时间，该时间记为 控制单元将所有用户轮询一遍(包含用户发送数据)的时间 称为循环时间，该时间记为 17 信道复用与多址技术34SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 统计复用与随机多址(续)假定系统中有N个用户，则一般地有上述各随机变量的统计平均值为若记 ，则有在一次循环时间内，用户 产生的平均数据量为因此有17 信道复用与多址技术35SCUT DT&P LabsSCUT DT&P Labsn 统计复用与随机多址(续)称 为用户 的通信量强度；为系统的通信量强度。整理可得进一步地有近似为常数，因此显然有 ，即当通信量强度趋于1时，报文的传输延时将趋于无穷大。通信量强度也称为系统的吞吐量 S因此有17 信道复用与多址技术36SCUT DT&P LabsSCUT
