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1、无线通信系统第七章第七章 无线通信多址技术无线通信多址技术v7.1 概述概述v7.2 频分多址（频分多址（FDMA）v7.3 时分多址（时分多址（TDMA）v7.4 扩频多址（扩频多址（SSMA）v7.5 空分多址（空分多址（SDMA）v7.6 分组无线电（分组无线电（PR）v7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量第七章第七章 无线通信多址技术无线通信多址技术v多用户通信系统有几种典型的方式：多用户通信系统有几种典型的方式：v多址接入系统：许多用户共享有限的无线频谱。多址接入系统：许多用户共享有限的无线频谱。v广播网：一个发射机发送信号给许多用户。广播网：一个发射机发送信号给许多用户。v为了能使
2、多用户正常地进行通信，需要采用有效的多址技为了能使多用户正常地进行通信，需要采用有效的多址技术。术。v多址方式的基本类型有频分多址（多址方式的基本类型有频分多址（FDMA）、时分多址）、时分多址（TDMA）和码分多址（）和码分多址（CDMA）。）。v还有两种多址模式用于无线通信：分组无线电（还有两种多址模式用于无线通信：分组无线电（PR）和）和空分多址（空分多址（SDMA）。）。v选择什么样的多址方式取决于通信系统的应用环境和要求选择什么样的多址方式取决于通信系统的应用环境和要求。7.1 概述概述v频分双工（频分双工（FDD）：为一个用户提供两个确定的频段。前向）：为一个用户提供两个确定的频段
3、。前向频段提供从基站到移动台的传输，而反向频段提供从移动台频段提供从基站到移动台的传输，而反向频段提供从移动台到基站的传输。到基站的传输。v在在FDD中，前向和反向频段的频率分配在整个系统中是固定中，前向和反向频段的频率分配在整个系统中是固定的。的。v时分双工（时分双工（TDD）：用时间而不是频率来提供前向链路和反）：用时间而不是频率来提供前向链路和反向链路。前向时隙和反向时隙之间的时间分隔很小时，用户向链路。前向时隙和反向时隙之间的时间分隔很小时，用户听起来就是同时的。听起来就是同时的。7.1 概述概述vFDD和和TDD的比较：的比较：vFDD收发信机同时地发送和接收相差大于收发信机同时地发
4、送和接收相差大于100dB的无线信的无线信号，必须谨慎地分配频率，使其与共用这两个频段地号，必须谨慎地分配频率，使其与共用这两个频段地其它用户保持协调。其它用户保持协调。频率分隔必须使用于不太昂贵的频率分隔必须使用于不太昂贵的RF设备。设备。vTDD消除了单独的两个频段的需要。消除了单独的两个频段的需要。接收和发射之间存在时间间隔。接收和发射之间存在时间间隔。应用限制在无绳和短距离无线接入。应用限制在无绳和短距离无线接入。7.1 概述概述v共享有效带宽。根据有效带宽是怎样分配给用户的，共享有效带宽。根据有效带宽是怎样分配给用户的，可以把这些技术分为窄带系统和宽带系统。可以把这些技术分为窄带系统
5、和宽带系统。v窄带系统：单个信道的带宽同所期望的信道的相干带窄带系统：单个信道的带宽同所期望的信道的相干带宽一致。宽一致。FDMA/FDD：可用的无线带宽被分成许多窄带信道，：可用的无线带宽被分成许多窄带信道，这些信道工作在这些信道工作在FDD方式，每个用户分配一个信道，方式，每个用户分配一个信道，不共享。不共享。TDMA/FDD和和TDMA/TDD：大量的无线信道用：大量的无线信道用FDD/TDD方式分配，而每个信道用方式分配，而每个信道用TDMA方式共享。方式共享。v宽带系统：信道的发射带宽比信道的相干带宽大得多。宽带系统：信道的发射带宽比信道的相干带宽大得多。7.1 概述概述7.2 频分
6、多址（频分多址（FDMA）v特点：连续发射、通常用于窄带系统、简单、但特点：连续发射、通常用于窄带系统、简单、但基站成本高（使用双工器、带通滤波器和精确的基站成本高（使用双工器、带通滤波器和精确的射频滤波器）。射频滤波器）。v许多信道在一个基站中共享同一个天线，可能导许多信道在一个基站中共享同一个天线，可能导致非线性效应，产生交调频率。致非线性效应，产生交调频率。7.3 时分多址（时分多址（TDMA）v发射数据是用缓存突发法，省电，切换简单，不需要双发射数据是用缓存突发法，省电，切换简单，不需要双工器，不同用户分配不同的带宽；工器，不同用户分配不同的带宽；v同步开销大，必须有自适应均衡、保护时
7、隙；同步开销大，必须有自适应均衡、保护时隙；v用户共享一个载波频率，利用互不交叉的时隙，时隙数取用户共享一个载波频率，利用互不交叉的时隙，时隙数取决于调制技术、有效带宽等；决于调制技术、有效带宽等；7.3 时分多址（时分多址（TDMA）vTDMA的效率：发射的数据中信息所占的百分比，的效率：发射的数据中信息所占的百分比，不包括为接入模式而提供的系统开销。不包括为接入模式而提供的系统开销。7.3 时分多址（时分多址（TDMA）vTDMA系统的信道数：把每一个信道的系统的信道数：把每一个信道的TDMA时隙与有效时隙与有效信道相乘，得到信道相乘，得到TDMA系统中所提供的系统中所提供的TDMA信道时
8、隙数。信道时隙数。v例例7.3 TDMA/FDD GSM 系统采用系统采用25MHz带宽用于前向带宽用于前向链路，链路，并被分成并被分成200kHz的无线信道，如果一个无线信道的无线信道，如果一个无线信道支持支持8语音用户，并假设没有保护时隙，求语音用户，并假设没有保护时隙，求 此此GSM系统包系统包含的同时用户数。含的同时用户数。7.3 时分多址（时分多址（TDMA）例例7.4 如果如果GSM使用每帧包含使用每帧包含8个时隙的帧结构，个时隙的帧结构，并且每一帧包含并且每一帧包含156.25比特，在信道中数据速率比特，在信道中数据速率为为270.833kbps，求（，求（1）比特周期，（）比特
9、周期，（2）时隙）时隙长，（长，（3）帧长，（）帧长，（4）占用一个时隙的用户在两）占用一个时隙的用户在两次发射之间必须等待的时间。次发射之间必须等待的时间。7.3 时分多址（时分多址（TDMA）v例例7.5 如果一个标准如果一个标准GSM时隙由时隙由6个尾比特，个尾比特，8.25个保护比特，个保护比特，26个训练比特和个训练比特和2组业务码组组组业务码组组成，其中每一个业务码组由成，其中每一个业务码组由58比特组成，求帧效比特组成，求帧效率？率？7.4 扩频多址（扩频多址（SSMA）v把一个窄带信号在发射前转换成宽带信号。把一个窄带信号在发射前转换成宽带信号。v有以下两种类型：有以下两种类型
10、：v7.4.1 跳频多址（跳频多址（FHMA）v7.4.2 码分多址（码分多址（CDMA）v7.4.3 混合扩频技术（混合扩频技术（HSST）v7.4.4 矢量量化矢量量化7.4.1 跳频多址（跳频多址（FHMA）v把一个宽频段分成若干个频率间隔，称为频道把一个宽频段分成若干个频率间隔，称为频道。v单个用户的载波频率在宽带频道范围内按伪随机方单个用户的载波频率在宽带频道范围内按伪随机方式变化式变化，用户数据就在不同的载波上发射出去用户数据就在不同的载波上发射出去。v在某一时刻，跳频信号是一个窄带信号。在某一时刻，跳频信号是一个窄带信号。vFHMA和和FDMA地区别在于地区别在于FHMA跳频信号
11、快速地跳频信号快速地变换频道。变换频道。v一个快跳频系统可被认为是使用频率分集的一个快跳频系统可被认为是使用频率分集的FDMA系统。系统。vFHMA系统通常采用功率效率高的恒包络调制技术。系统通常采用功率效率高的恒包络调制技术。v一个跳频系统具有一定的安全保证。一个跳频系统具有一定的安全保证。7.4.2 码分多址（码分多址（CDMA）v所有用户使用同一载所有用户使用同一载频，并且可以同时发频，并且可以同时发射。射。v发送端伪随机编码调发送端伪随机编码调制和接收端相关处理。制和接收端相关处理。v存在存在“远近效应远近效应”问问题，一般采用功率控题，一般采用功率控制来克服。制来克服。7.4.2 码
12、分多址（码分多址（CDMA）vCDMA特点：特点：抗干扰，抗噪声能力强；抗干扰，抗噪声能力强；抗多径干扰，分离并收集所需要信号中不同时延的信号能量，增加接抗多径干扰，分离并收集所需要信号中不同时延的信号能量，增加接收信噪比；收信噪比；能在低功率谱密度情况下工作，而低的发射功率有利于移动通信使用能在低功率谱密度情况下工作，而低的发射功率有利于移动通信使用者的健康；者的健康；有一定的保密性能；有一定的保密性能；由于采用相关接收方式，由于采用相关接收方式，CDMA通信可以在信噪比很低的情况下工作，通信可以在信噪比很低的情况下工作，其信号具有很强的隐蔽性；其信号具有很强的隐蔽性；与与TDMA和和FDM
13、A不同，不同，CDMA是干扰受限系统，减小干扰可以直接是干扰受限系统，减小干扰可以直接增加系统容量，因此，可以利用话音激活、前向纠错和扇型分区等技增加系统容量，因此，可以利用话音激活、前向纠错和扇型分区等技术提高频带利用率；术提高频带利用率；在在CDMA蜂窝系统中，相邻小区使用相同的频率，所以它可以实现宏蜂窝系统中，相邻小区使用相同的频率，所以它可以实现宏分集和进行软切换。分集和进行软切换。7.4.3 混合扩频技术（混合扩频技术（HSST）7.4.3.1 混合混合FDMA/CDMA（FCDMA）v与原来的与原来的CDMA系统相比，其处理增益低一些。系统相比，其处理增益低一些。v优点是带宽不需要
14、连续。系统容量是各子带容量之和。优点是带宽不需要连续。系统容量是各子带容量之和。7.4.3.2 混合直扩混合直扩/跳频多址（跳频多址（DS/FHMA）v直接序列扩展频谱信号的中心频率以伪随机方式变化。直接序列扩展频谱信号的中心频率以伪随机方式变化。v优点是避免了远近效应问题，但不适合软切换。优点是避免了远近效应问题，但不适合软切换。7.4.3 混合扩频技术（混合扩频技术（HSST）7.4.3.3 时分时分CDMA（TCDMA）v给不同的小区指定不同的扩频代码；给不同的小区指定不同的扩频代码；v在每一小区内，仅分配给一个用户特定时隙，切换在每一小区内，仅分配给一个用户特定时隙，切换时用户的扩频码
15、变为新小区的；时用户的扩频码变为新小区的；v优点是它避免了远近效应。优点是它避免了远近效应。7.4.3 混合扩频技术（混合扩频技术（HSST）7.4.3.4 时分跳频（时分跳频（TDFH）v用户可以在一个新的用户可以在一个新的TDMA帧开始时跳到一帧开始时跳到一个新的频率，因此避免了在一个特定信道个新的频率，因此避免了在一个特定信道上的严重衰落或碰撞事件。上的严重衰落或碰撞事件。v如果使两个互相干扰的基站发射机在不同如果使两个互相干扰的基站发射机在不同频率和不同时间发射，就避免了邻近小区频率和不同时间发射，就避免了邻近小区的同信道干扰问题。的同信道干扰问题。v成倍增加成倍增加GSM的容量。的容
16、量。7.5 空空分多址（分多址（SDMA）v通过控制用户的空间辐射能量来提供多址接入能力通过控制用户的空间辐射能量来提供多址接入能力。v扇形天线可被看作是扇形天线可被看作是SDMA的一个基本方式的一个基本方式。7.6 分组无线电（分组无线电（PR）v7.6.1 分组无线电协议分组无线电协议v7.6.2 载波检测多址载波检测多址CSMA协议协议v7.6.3 预留协议预留协议v7.6.4 分组无线电的截获效应分组无线电的截获效应7.6.1 分组无线电协议分组无线电协议v规一化吞吐量规一化吞吐量:7.6.1 分组无线电协议分组无线电协议7.6.1.1 纯纯ALOHAvALOHA协议是用于数据发射的随
17、机接入协议协议是用于数据发射的随机接入协议;v消息易损阶段是分组的两倍消息易损阶段是分组的两倍,则则其其吞吐量：吞吐量：T=Re-R7.6.1.2 时隙时隙ALOHAv时间被分成相同长度的时隙时间被分成相同长度的时隙,它比分组时间长；它比分组时间长；v每个用户仅在时隙开始处发送，避免部分碰撞；每个用户仅在时隙开始处发送，避免部分碰撞；v时延增大，吞吐量为：时延增大，吞吐量为：T=Re-2R7.6.1 分组无线电协议分组无线电协议7.6.2 载波检测多址载波检测多址CSMA协议协议v在进行发射前监听一下信道，可以获得更高的接入效率在进行发射前监听一下信道，可以获得更高的接入效率;vCSMA协议中
18、，检测延迟和传播延迟是两个重要的参数；协议中，检测延迟和传播延迟是两个重要的参数；v下面是下面是CSMA技术的一些变形：技术的一些变形：1-持续持续CSMA：如果信道空闲，用户就以概率：如果信道空闲，用户就以概率1发射信息发射信息p-持续持续CSMA：如果检测到信道空闲，以概率：如果检测到信道空闲，以概率p发送分组，发送分组，并在延迟并在延迟t秒后，以概率秒后，以概率1-p发送发送非持续非持续CSMA：如果信道空闲，用户就发射，如果信道忙，：如果信道空闲，用户就发射，如果信道忙，用户根据时延分布，过一段时间后发射分组用户根据时延分布，过一段时间后发射分组CSMA/CD：用户监测它的发射是否发生
19、碰撞，如果两个：用户监测它的发射是否发生碰撞，如果两个或多个终端同时开始发射，那么就会检测到碰撞，立即中或多个终端同时开始发射，那么就会检测到碰撞，立即中断发射。对单工信道，中断传输来检测信道，对于双工系断发射。对单工信道，中断传输来检测信道，对于双工系统，可以使用完全双工收发信机。统，可以使用完全双工收发信机。7.6.2 载波检测多址载波检测多址CSMA协议协议7.6.3 预留协议预留协议7.6.3.1 预留预留ALOHAv以时分多址技术为基础的一个分组接入模式。以时分多址技术为基础的一个分组接入模式。v某个分组时隙被赋予优先级，并且有可能为用户预留发射某个分组时隙被赋予优先级，并且有可能为
20、用户预留发射分组的时隙。分组的时隙。v在大业务量时，提供好的吞吐量。在大业务量时，提供好的吞吐量。7.6.3.2 分组预留多址（分组预留多址（PRMAvPRMA使用一类似于预留使用一类似于预留ALOHA的离散分组时间技术，的离散分组时间技术，以每一以每一TDMA时隙传输语音和数据，且优先传输语音，同时隙传输语音和数据，且优先传输语音，同时利用了时利用了TDMA的周期帧结构。的周期帧结构。vPRMA被建议为综合传输分组数据和语音的一种方法。被建议为综合传输分组数据和语音的一种方法。7.6.4 分组无线电的截获效应分组无线电的截获效应v分组无线电多址技术是以在同一信道内的竞争为基础的；分组无线电多
21、址技术是以在同一信道内的竞争为基础的；v在使用调频或扩频调制时，会产生发射机的屏蔽问题；在使用调频或扩频调制时，会产生发射机的屏蔽问题；v截获效应有优点也有缺点。截获效应有优点也有缺点。v分析截获效应的有用参数是接收到的到达分组相对于其分析截获效应的有用参数是接收到的到达分组相对于其它碰撞分组的最小功率比，称为截获率。它碰撞分组的最小功率比，称为截获率。v不同通信类型应该使用的多址技术：不同通信类型应该使用的多址技术：7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v7.7.1 蜂窝蜂窝CDMA容量容量v7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量v7.7.3 SDMA容量容量v7.7.4 矢量量化矢量量
22、化7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v无线通信系统的容量定义为一定频段内所能提供的信道或用无线通信系统的容量定义为一定频段内所能提供的信道或用户的最大数目。户的最大数目。v无线信道容量是一个衡量无线系统频谱效率的参数。无线信道容量是一个衡量无线系统频谱效率的参数。v这一参数取决于于所需的波载干扰比这一参数取决于于所需的波载干扰比（C/I）和信道带宽和信道带宽Bc。v反向信道干扰：来自周围小区的用户产生的干扰。反向信道干扰：来自周围小区的用户产生的干扰。v前向信道干扰：本小区周围小区中的同信道基站产生地干扰。前向信道干扰：本小区周围小区中的同信道基站产生地干扰。同信道复用率：同信道复用率：Q=
23、D/R，D：同信道小区之间的距离，：同信道小区之间的距离，R：小区半径。小区半径。v蜂窝系统的无线容量可定为蜂窝系统的无线容量可定为：m=Bt/BcN（无线信道（无线信道/小区），小区），Bt是分配给系统的总的频谱是分配给系统的总的频谱，Bc是信道宽带是信道宽带，N是频率重是频率重用的小区数，用的小区数，7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v采用上图所示的蜂窝结构时，采用上图所示的蜂窝结构时，v在小区边缘处，即在小区边缘处，即d0=R时产生最大干扰。时产生最大干扰。v(C/I)min是接收机正常工作所需要的最小是接收机正常工作所需要的最小C/I。7.7 蜂窝
24、系统的容量蜂窝系统的容量7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v例例7.7。评估四种不同的蜂窝无线标准，选择容量最大的。评估四种不同的蜂窝无线标准，选择容量最大的系统，假设系统，假设n=4。7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量v系统，系统，TDMA系统把容量提高了系统把容量提高了3到到6 倍。倍。v(C/I)min在窄带数字系统中为在窄带数字系统中为12dB，模拟，模拟FM系统中为系统中为18dB。v在一数字式蜂窝系统中，在一数字式蜂窝系统中，C/I可以表示为：可以表示为：v在在FDMA系统中，系统中，Bt被分成被分成M个带宽为个带宽为Bc的信道，的信道，C=EbRb，I=I0Bc，因此，因此，
25、FDMA的无线容量为：的无线容量为：v在在TDMA系统中系统中,C=EbRb，I=I0Bc，I0表示每赫兹的干扰功率。表示每赫兹的干扰功率。v相对于模拟蜂窝无线，相对于模拟蜂窝无线，TDMA系统把容量提高了系统把容量提高了3到到6 倍。倍。7.7 蜂窝系统的容量蜂窝系统的容量7.7.1 蜂窝蜂窝CDMA容量容量vCDMA系统的容量是干扰受限的，而在系统的容量是干扰受限的，而在FDMA和和TDMA中中是带宽受限的。是带宽受限的。v干扰的减少将导致干扰的减少将导致CDMA容量的直接增加。容量的直接增加。v在在CDMA系统中，当用户数减少时每一用户的链路性能就系统中，当用户数减少时每一用户的链路性能
26、就会增加。会增加。vTDMA和和FDMA的频率复用取决于由路径损耗产生的小区的频率复用取决于由路径损耗产生的小区间的隔离，而间的隔离，而CDMA小区可以复用所有频率，因而容量有小区可以复用所有频率，因而容量有了较大增加。了较大增加。v单小区单小区CDMA系统中，设用户数为系统中，设用户数为N，那么，在当前小区中，那么，在当前小区中的基站接收到一个用户的有用信号功率的基站接收到一个用户的有用信号功率P和（和（N-1）个干扰）个干扰用户的功率，其中每一干扰用户的功率为用户的功率，其中每一干扰用户的功率为P。因此，信噪比。因此，信噪比为：为：7.7.1 蜂窝蜂窝CDMA容量容量v基站接收机处的基站接
27、收机处的SNR可用可用Eb/N0表示：表示：v能够接入此系统的用户数可表示为：能够接入此系统的用户数可表示为：v当当用用户户数数目目庞庞大大且且系系统统是是干干扰扰受受限限而而不不是是噪噪声声受受限限时时，每每一扇区中用户数用户数可表示为：一扇区中用户数用户数可表示为：7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量v相邻干扰小区的数目决定了相邻干扰小区的数目决定了CDMA蜂窝系统的频率复用因子蜂窝系统的频率复用因子f。vCDMA反向链路的反向链路的f：v各相邻小区有不同的用户数，每个干扰用户产生的干扰取决各相邻小区有不同的用户数，每个干扰用户产生的干扰取决于它与通信基站的距离以及它们的发射功率。
28、于它与通信基站的距离以及它们的发射功率。v一个特定小区中的变量一个特定小区中的变量Nai可用标准统计技术计算。可用标准统计技术计算。v使用同心圆几何法求使用同心圆几何法求CDMA容量：用递归几何法来确定小区容量：用递归几何法来确定小区内和小区外用户的传播路径损耗是怎样影响内和小区外用户的传播路径损耗是怎样影响CDMA系统的频系统的频率复用的。率复用的。7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量v中心小区的面积：中心小区的面积：v假设第一层面积为假设第一层面积为A1，有，有M1个干扰小区，每个干扰小区的面积
29、相同个干扰小区，每个干扰小区的面积相同A，则，则v第第i层的面积可以表示为：层的面积可以表示为：v相邻干扰小区与目的小区的面积相同。相邻干扰小区与目的小区的面积相同。v同一层内每个小区到目的小区的半径相同。同一层内每个小区到目的小区的半径相同。v同一层内只考虑一个小区的干扰作用，再简单地乘以同一层内小区数同一层内只考虑一个小区的干扰作用，再简单地乘以同一层内小区数即可。即可。7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量v考虑相邻小区内用户的不同分布对干扰的影响，经常是有用的，可以考虑相邻小区内用户的不同分布对干扰的影响，经常是有用的，可以确定最坏情况下的频率复用。确定最坏情况下的频率复用。v干
30、扰层分为两个部分，使用加权因子在相邻小区的内层和外层中心分干扰层分为两个部分，使用加权因子在相邻小区的内层和外层中心分配用户。配用户。v假设用户密度为假设用户密度为K，v对于要处理对于要处理U=KA个用户的第一层中的每一个小区，有个用户的第一层中的每一个小区，有v特定几何形状不会严重影响预测（用户数和覆盖面积）。特定几何形状不会严重影响预测（用户数和覆盖面积）。7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量vUsing concentric circle geometry to find CDMA capactiy7.7.2 多小区多小区CDMA的容量的容量v小区内的干扰为：小区内的干扰为：v干
31、扰小区内用户与本小区基站之间的距离为干扰小区内用户与本小区基站之间的距离为d，v在第在第i个干扰小区内第个干扰小区内第j个用户对目的小区的干扰为：个用户对目的小区的干扰为：vf取值取决于取值取决于n和用户分布，单小区时和用户分布，单小区时f=1。7.7.3 SDMA容量容量v对单小区对单小区CDMA工作在工作在AWGN，基站采用全向天线并且基站采用全向天线并且功率控制是完善的，则，功率控制是完善的，则，v定向天线可以提高单小区定向天线可以提高单小区CDMA系统容量。系统容量。v多径对多径对SDMA的影响是当前的一个研究课题。的影响是当前的一个研究课题。7.7.3 SDMA容量容量7.7.3 SDMA容量容量D=5.1dB,Pb=0.001,n=4,定向天线系统可以支定向天线系统可以支持持 350用户，而全向天线系统只能支持用户，而全向天线系统只能支持100用户。用户。