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1、第5章 无线通信多址技术,5.1 无线通信多址技术的基本概念 5.2 频分多址 (FDMA) 5.3 时分多址 (TDMA) 5.4 码分多址（CDMA） 5.5 扩频多址(SSMA),5.1无线通信多址技术的基本概念,1、频分双工：两个信道通过频率来区分，这种技术称为频分双工(Frequency Division Duplex，FDD)。FDD技术为每一个用户提供了两个确定的频段：前向频段和反向频段，如图5-1所示。前向频段（也称为前向信道）提供从基站到移动用户的信号传输信道（下行信道），反向频段（也称为反向信道）提供从移动用户到基站的信号传输信道（上行信道）。在FDD中，任何双工信道实际上
2、都是由两个单工信道所组成，利用在用户和基站里的称为双工器的设备，允许同时在双工信道上进行无线发射和接收。,图5-1 频分双工在同一时间内提供两个单独频道,FDD适用于为每个用户提供单个无线频率信道的无线通信系统。由于每个用户通信时，需要同时地发送和接收相差大于100dB的无线信号，所以必须谨慎地分配用于前向信道和反向信道的频率，使其与占用这两个波段之间频谱的其他用户保持协调。此外，频率的分配和选择必须考虑到降低射频(RF)设备成本。2、时分双工：两个信道通过时隙来区分，这种技术称为时分双工(Time Division Duplex，TDD)。TDD技术是用时间而不是用频率来提供前向信道和反向信
3、道，如图5-2所示。如果前向时隙和反向时隙之间的时间间隔很小，那么对于信号的发送和接收，在用户看起来就是同时的。由于TDD是在同一个频率信道上通过时间分隔来提供前向信道和反向信道，所以不需要双工器，从而简化了用户设备。,图5-2 时分双工在同一频率上提供两个单独时隙,TDD可以使每个用户在同一频段上的不同时隙内发送和接收信号，发送信号的时隙与接收信号的时隙之间应保留一段非常小的时间间隔作为保护间隔，以防止发送信号与接收信号之间的相互冲突。此外，通信的双方还要严格地保持时间上的同步，以保证能够正确地接收信号。3、码分双工：两个信道通过码型来区分，这种技术称为码分双工(Code Division
4、Duplex，CDD)。CDD技术是用码型结构而不是用时间或频率来提供前向信道和反向信道，本质上是在同一频段、同一时间内为用户提供两个逻辑信道（码分信道）用来分别发送信号和接收信号，以实现双工通信。,5.1.2窄带多址系统与宽带多址系统1、窄带通信系统与宽带通信系统定义：设为待传送信息码元的码元速率，为待传送信息码元的码元宽度， 为传送信息码元的扩频码序列的带宽，为传送信息码元的扩频码的码元宽度（chip），则：当 时，即当 时，我们称该通信系统为窄带通信系统，在数字通信系统中，移频、移相均属窄带通信系统。当 （或者 ）时，即当 （或者 ） 时，我们称该通信系统为宽带通信系统，码分多址系统（C
5、DMA）就是一类典型的扩频宽带通信系统。,宽带通信系统的实现：宽带通信系统是窄带通信系统通过扩频方式来实现的。2、窄带多址系统：窄带的含义是指单个信道的带宽同所期望的信道的相干带宽相一致。在一个窄带多址系统中，有效无线频谱被划分为许多窄带信道提供给系统用户，用户信道通常使用FDD双工技术进行工作。为了把在每个用户信道上的前向信道和反向信道之间的干扰减少到最小，两个信道之间的频率之差在频谱范围内应该尽可能的大。,在窄带FDMA多址系统中，分配给每个用户一个不能被其他用户共享的特定信道（不同的用户占有不同的信道频率），并且通常采用FDD双工技术(即每个用户信道有一个前向信道和反向信道)，这种系统被
6、称为FDMAFDD多址接入系统。在窄带TDMA多址系统中，允许多个用户共享同一信道频率，但以循环方式分配给每个用户一个惟一的时隙（Time Slot，TS），在自己的时隙内该用户才能发送或者接收信号，这样在一个信道上通过时间分割可以将多个用户区分开。对于窄带TDMA系统，既可以采用FDD双工技术也可以TDD双工技术，前者被称为TDMAFDD多址接入系统，后者被称为TDMATDD多址接入系统。,3、宽带多址系统：宽带的含义是指一个信道的发射带宽比这个信道的相干带宽宽得多。因此多径衰落不会对宽带信道内的接收信号产生很大的影响，并且频率选择性衰落仅仅发生在信号带宽的一小部分中。在宽带多址系统中，既允
7、许一个用户在一个很大的频谱范围内发送或者接收信号，也允许多个用户在同信道上发送或者接收信号。TDMA在同信道上分配时隙给多个用户，并且只允许一个用户在特定的时隙占用信道，而扩频CDMA允许所有的用户在同一时间占用同一信道。,除了FDMA、TDMA和CDMA三种基本的多址技术以外，还有其他多址模式用于无线通信，它们是跳频多址(Frequency Hopping Multiple Access, FHMA)、混合扩频多址(Hybrid Spread Spectrum Multiple Access, HSSMA)、空分多址(Space Division Multiple Access，SDMA)和
8、极分多址（Polarization Division Multiple Access，PDMA），在这章中，我们也将作简单的介绍。表5-1列出了目前世界上几种主要的无线通信系统中的多址接入技术。,表5-1 几种无线通信系统中的多址技术,5.1.3无线通信多址技术的理论基础1、信号的正交设计在发送端，设计一组相互正交的信号参量 ，使各路信号的线性迭加值为：或者,(5-1),(5-2),式中, Xi(t)为第i个用户地址的信号； i为第i个用户信号Xi(t)的正交参量；i为第i个用户地址的保护区。 正交参量i(i=1, 2, , n)应满足： (5-3)式(5-1)是理想情况下的理论划分表达式，式
9、(5-2)则是考虑了实际情况后的实际划分表达式。图5-3说明了这两种情况。,图5-3 一组相互正交信号参量i(i=1, 2, , n)的划分 (a) 理想情况下的划分； (b) 实际情况下的划分,2. 信号的正交分离在接收端，设计一个正交信号识别器如图5-4所示， 通过正交参量j与各路信号的线性迭加值X(t)相乘，可获得第i个用户地址的信号Xi(t)（当i=j时）。 ,图5-4 正交信号识别器原理图,5.2 频分多址 (FDMA),5.2.1 FDMA的基本原理频分多址系统以频率作为用户信号的分割参量， 它把系统可利用的无线频谱分成若干互不交叠的频段（信道）， 这些信道按照一定的规则分配给系统
10、用户， 一般是分配给每个用户一个惟一的频段（信道）。在该用户通信的整个过程中，其他用户不能共享这一频段。 当采用FDD双工技术时， 分配给每个用户两个频段（信道），其中频率较高的频段用作前向信道，频率较低的频段用作反向信道。,在实际应用时，为了防止各用户信号相互干扰和因系统的频率漂移造成频段（信道）之间的重叠，各用户频段（信道）之间通常都要留有一段间隔频段， 称为保护频段。 如果用频率f时间t和代码c作为三维空间的三个坐标， 则FDMA系统在这个坐标系中的位置如图5-5所示， 它表示系统的每个用户由不同的频段所区分，但可以在同一时间、 用同一代码进行通信。 ,图5-5 频分多址工作方式,5.2
11、.2 FDMA系统中的干扰问题1. 互调干扰互调干扰是指系统内某个用户的发射机（或接收机）由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本身的前向信道（或反向信道）频率段内而造成的对其自身有用信号的干扰。当干扰的强度(功率)足够大时,将会影响用户信号的正常发送和接收。克服互调干扰的主要办法： 一是尽可能提高系统的线性度,减少发射机互调和接收机互调,消除产生互调干扰的条件；二是选用无互调的频率集,这涉及到FDMA蜂窝系统的频率规划问题。,2. 邻道干扰邻道干扰是指系统内相邻用户的发射机（或接收机）由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本用户信道的频率段内而造成的对本用户有用信号的干扰。当邻道干扰功率
12、足够大时,将对有用信号造成损害。克服邻道干扰的主要方法： 一是加大频道间的隔离度,即增大保护频段,这也涉及到FDMA系统的频率规划问题； 二是严格规定收发信机的技术指标,即限制发射机的寄生辐射和规定接收机的中频选择性。,3. 同频道干扰同频道干扰是指相同频率信号之间的相互干扰。对系统中的某一用户而言,是指同一蜂窝系统的相邻区群中的同频道信号对该用户造成的干扰。它与蜂窝结构和频率规划密切相关。为了减少同频道干扰,需要合理地选择蜂窝结构和科学地进行频率规划,具体为在系统设计中对同频道干扰因子Q的选择：式中, D为同信道小区的距离（即同频小区的距离）； R为小区半径。,(5-4),5.2.3 FDM
13、A系统的特点 FDMA系统有以下特点： (1) FDMA系统的信道上每次只能传送一路电话,也就是不能同时传送多路电话。 (2) 如果一个FDMA信道没有被使用,那么它就处于空闲状态,并且不能被其他用户使用以增加或共享系统容量。 实质上是一种资源浪费。 (3) 每个信道占用一个载频带宽并应满足所传输信号的带宽要求。为了在有限的频谱中增加信道数量,希望载频带宽越窄越好。FDMA信道的相对带宽较窄(25 kHz或kHz)， 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。 ,(4) 在FDMA方式中,每个信道只传送一路数字信号,信号速率低,码元宽度与平均延迟扩展相比较是很
14、大的,这就意味着由码间干扰引起的误码极小,因此在窄带FDMA系统中无需进行均衡。 (5) FDMA系统中载波带宽与单个信道一一对应的设计,使得在接收设备中必须使用带通滤波器来使指定的信道信号通过并滤除其他频率的信号,从而限制了邻近信道间的相互干扰。 (6) 与TDMA系统相比较,FDMA系统要简单得多,而且它是一种不间断发送模式,需要的系统开销(例如同步和组帧比特)也要少。,(7) 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。 (8) 由于收发信机同时工作,所以FDMA移动单元必须使用双工器,这样就增加了FD
15、MA用户单元和基站的费用。 (9) 越区切换较为复杂和困难。 因为在FDMA系统中,分配好用户信道后,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,以便把通信从某一频率切换到另一频率上去。 对于语音,瞬时中断问题不大,对于数据传输则将带来数据的丢失。 ,在模拟蜂窝系统中,采用FDMA方式是惟一的选择,而在数字蜂窝系统中,则很少采用单纯的FDMA方式。 第一个美国模拟蜂窝系统高级移动电话系统(AMPS)是采用FDMAFDD多址系统的。 在呼叫进行中,一个用户占用一个信道,并且这一信道实际上是由两个单工的具有45 MHz分隔的信道组成的双工信道。 当一个呼叫完成或一
16、个切换发生时,信道就空闲出来以便其他移动用户使用它。 多路或多用户同时通信在AMPS中是允许的,因为分给每一个用户有一个惟一的信道。,语音信号在前向信道上从基站发送到移动台单元,在反向信道上从移动台单元发送到基站。在AMPS中,模拟窄带调频(NBFM)用来调制载波。 FDMA系统可以同时支持的信道（用户）数可用下列公式计算： 式中, Bs为系统带宽, Bp为在分配频谱时的保护带宽, Bc为信道带宽。 在美国,规定每一个蜂窝业务商有416个信道。,(5-5),5.3 时分多址 (TDMA),为了省去用户单元中的双工器,可以这样来设计TDMAFDD系统中前向频段和反向频段的帧结构,使一个特定用户的前向时隙和反向时隙之间相差几个延迟时隙。 如果用频率f、 时间t和代码c作为三维空间的三个坐标,则TDMA系统在这个坐标系中的位置如图5-6所示,它表示系统的每个用户由不同的时隙所区分,但可以在同一频段,用同一代码进行通信。 ,图5-6 时分多址工作方式,
