第6章 多址接入技术.ppt

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 6.2 FDMA方式 6.3 TDMA方式 6.4 CDMA方式 6.5 SDMA方式 6.6 OFDM多址方式 6.7 随机多址方式 6.8 FDMA、TDMA与CDMA系统容量的比较,6.1 多址接入技术的基本原理,1. 多址接入方式,从移动通信网的构成可以看出，大部分移动通信系统都有一个或多个基站和若干个移动台基站要和许多移动台同时通信，因而基站通常是多路的，有多个信道；而每个移动台只供一个用户使用，是单路的许多用户同时通话，以不同的通道分隔，防止相互干扰；各用户信号通过在射频频段上的复用，从而建立各自的信道，以实现双边通信的连接可见，基站的多路工作和移动台的单路工作是移动通信的一大特点在移动通信业务区内，移动台之间或移动台与市话用户之间是通过基站（包括移动交换局和局间联网）同时建立各自的信道，从而实现多址连接的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6-1 FDMA、TDMA和CDMA的示意图,,2. 多址接入与信道,(1) 物理信道 信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-95 CDMA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6.2 FDMA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，在频分双工（frequency division duplex，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6-2 FDMA系统的工作示意图,,,1. FDMA系统原理,图6-3 FDMA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，中间为保护频带在用户信道之间，设有保护频隙Δfg，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6.3 TDMA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6-4 TDMA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6-5 TDMA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GSM TDMA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/(270.833kbps) =3.692μs (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,6.4 CDMA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. CDMA系统原理,图6-6 CDMA系统的工作原理示意图,2. 正。