移動通信-ch5-多址接入-final

1、第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)5.2 5.2 多址技術(shù)多址技術(shù)u 多址技術(shù)的分類 頻分多址(FDMA) Frequency Division Multiple Access 時分多址(TDMA) Time 碼分多址(CDMA) Code 空分多址（SDMA）Space .多波束頻率復(fù)用。它通過標(biāo)記不同方位的相同頻率的天線波束來進(jìn)行頻率的復(fù)用。 隨機多址(CSMA/CD)Carrier Sense MA/Collision Dection第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù) 常用的多址方式： 1、頻分多址（FDMA） 2、時分多址（TDMA） 3、碼分多址（CDMA） PowerFrequency

2、TimeFDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMAFrequencyCDMAPowerTime第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)5.2 5.2 多址技術(shù)多址技術(shù) 頻分多址頻分多址(FDMA)(FDMA)u定義：頻分多址是將給定的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道(或稱信道)供不同的用戶使用。思考任意兩個MS以FDMA/FDD方式進(jìn)行通信時至少需要幾個頻道？第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)例：GSM900890915935960上行上行fi下行下行Fi1、中國移動中國移動GSMGSM占用的頻段：占用的頻段：890-908 890-908 （上行）（上行） 935-953 935-

3、953 （下行）（下行） 中國聯(lián)通中國聯(lián)通GSMGSM占用的頻段：占用的頻段：909-915 909-915 （上行）（上行） 954-960 954-960 （下行）（下行）頻道間隔為：頻道間隔為：200KHz200KHz收發(fā)間隔為：收發(fā)間隔為：45MHz45MHzf1fnF1Fn上行：上行：下行：下行：第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)圖圖51 FDMA51 FDMA的頻道劃分方法的頻道劃分方法 信道2信道1 信道N信道1 信道N收發(fā)間隔 信道帶寬功率時間移動臺收（基站發(fā)）移動臺發(fā)（基站收）F1Fnf1.fn移動臺發(fā)（基站收）移動臺收（基站發(fā)）第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)5.2 多址技術(shù)

4、多址技術(shù) 時分多址時分多址TDMAu應(yīng)用：數(shù)字移動通信系統(tǒng)（北美的DAMPS和歐洲的GSM）.u信道劃分：例如：DAMPS-先使用30KHz的頻分信道，再將其分為6個時隙進(jìn)行TDMA傳輸。GSM是將每個頻道劃分為8個時隙。u雙工方式： FDD:上下行鏈路采用不同的頻率，且上下行鏈路的幀結(jié)構(gòu)可同可不同。 TDD:將某一頻率上的一幀中一半的時隙用于MS發(fā)，另一半的時隙用于MS收。第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)圖圖 5 2 TDMA示意圖示意圖 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)u 注意：不同通信系統(tǒng)的幀長度和幀結(jié)構(gòu)是不一樣的。典型的幀長在幾毫秒到幾十毫秒之間。 u例如：GSM系統(tǒng)的幀長為4.6ms

5、(每幀8個時隙)，DECT系統(tǒng)的幀長為10ms(每幀24個時隙)，PACS系統(tǒng)的幀長為2.5ms(每幀8個時隙)。u在TDMA系統(tǒng)中，每幀中的時隙結(jié)構(gòu)(突發(fā)結(jié)構(gòu))的設(shè)計通常要考慮三個主要問題：控制和信令信息的傳輸； 信道多徑的影響；系統(tǒng)的同步。 5.2 多址技術(shù)多址技術(shù) 時分多址時分多址TDMA第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)BSMS1MS2MS3t1t2t5t幀幀1幀幀2f2t1 t2t5t1t2t5t1 t2t5f2f2f2上行（同一小區(qū)）第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)思考一下：1. 用戶通話時是否會感到斷續(xù)？2. 同一小區(qū)的兩個用戶通話，需要多少個頻點？第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)

6、時分多址的特點：基站可只用一部發(fā)射機，避免互調(diào)干擾容易進(jìn)行時隙的動態(tài)分配必須有精確的同步和定時第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)u CDMA系統(tǒng)工作原理u 擴頻通信u 擴頻通信的幾種方法u 地址碼技術(shù)5.2 5.2 多址技術(shù)多址技術(shù) 碼分多址碼分多址CDMACDMA第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)碼分多址（碼分多址（Code Division Multiple Access- CDMA):碼形劃分，時隙、頻率共享碼形劃分，時隙、頻率共享 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)CDMA系統(tǒng)工作原理 MSC MS1 MS2 MS3 C1 C1 C2 C2 C3 C3 BS 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)

7、擴頻通信擴頻通信 擴頻解調(diào) 信息解調(diào) D1 PN碼發(fā)生器 同步電路 擴頻調(diào)制 信息調(diào)制 信息 PN碼發(fā)生器 B1 B2 B2+N B1 D1 N：噪音 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)發(fā)送端以正交函數(shù)為擴頻碼進(jìn)行擴頻發(fā)送端以正交函數(shù)為擴頻碼進(jìn)行擴頻100110110011001100110011010010110011010011001用戶輸入信息用戶輸入信息正交擴頻序列正交擴頻序列（正交函數(shù)）（正交函數(shù)）擴頻后的發(fā)送數(shù)據(jù)擴頻后的發(fā)送數(shù)據(jù)+1-1+1-1u在發(fā)送端用一個碼（擴頻碼）來調(diào)制信號，即用擴頻碼去和信號相乘（用信號和擴頻碼的每一位進(jìn)行相乘），這實際上提高了輸出信號的速率，在時域信號速率

8、的提高意味著頻域信號帶寬的展寬，這就是該傳輸方式被稱為擴譜通信的原因。第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)在接收端的信號恢復(fù)在接收端的信號恢復(fù)10011+1-1接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)100101100110100110010110011001100110011011110000000011111111相關(guān)擴頻序列相關(guān)擴頻序列?接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)100101100110100110010101010101010101010111000011001111001100不相關(guān)擴頻序列不相關(guān)擴頻序列u在解調(diào)端，信號和相同的擴頻碼相乘，發(fā)送端的原始信號中的每一位在這里都變成了N位（N為擴頻碼的長度）。第第5 5章章

9、組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)擴展頻譜通信的定義擴展頻譜通信的定義：擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，用來傳輸信息的信號帶寬遠(yuǎn)傳輸信息的信號帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬；頻帶的擴展由獨立于信息的擴頻碼來實現(xiàn)，并與所傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用相同的擴頻碼相同的擴頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，實現(xiàn)解擴和恢復(fù)所傳的信息數(shù)據(jù)。該項技術(shù)稱為擴頻調(diào)制，而傳輸擴頻信號的系統(tǒng)為擴頻系統(tǒng)。第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)只有調(diào)制帶寬比值大于調(diào)制帶寬比值大于100甚至甚至1000的通信方式才稱的通信方式才稱為擴頻通信為擴頻通信。擴頻通信占用如此寬的頻帶傳輸信號是為了使信號具為了使信號具有強抗干擾能力。有強抗干擾能力。

10、第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)擴展頻譜通信的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)（Shannon）定理:在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的信道容量（bit/s）B:信號帶寬（Hz）S:信道輸出信號平均功率（W）N:加性高斯噪聲功率（W）)1 (log2NSBC第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)上式表明：當(dāng)信號與信道加性高斯噪聲的平均功率給定時，在具有一定頻帶寬度B的信道上，理論上單位時間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。只要信源的信息傳輸速率Ri小于等于信道容量，即Ri C，則總可以找到一種編碼方式實現(xiàn)信號的無差錯傳輸；若傳輸速率大于信道容量，則不可能實現(xiàn)信號的無差錯傳輸。第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)若信道中噪聲的

11、單邊功率譜密度為N0，則在信號帶寬B內(nèi)的噪聲功率NN0B，則香農(nóng)定理的另一表達(dá)形式為20log (1)SCBN B信號帶寬B、信號噪聲功率比S/N的互換1212220102log (1)log (1)SSBBN BN B第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)例1 某一系統(tǒng)的信號帶寬B4KHz，信噪比為15，求該系統(tǒng)保證信息無差錯通過信道的極限速率為多少？在該值不變的條件下，若信號帶寬分別增加1倍和減小一半，求該信號發(fā)射功率的相對變化值分別為多少？第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)當(dāng)B較小時，增加B可使系統(tǒng)要求的信噪比迅速下降；而當(dāng)B增加到一定程度時，SN下降比較緩慢。增加SN，也可減小B值，但信號功率

12、的增加遠(yuǎn)比帶寬下降速度快，由于B與C是成正比關(guān)系，而C與S/N是成對數(shù)關(guān)系，因此增加B比增加SN（或發(fā)射功率S）更加有效。048121620242832-2024681012S/N (dB)B(KHz) C=16Kb/s,S0/N0=15 C=8Kb/s,S0/N0=15 C=32Kb/s,S0/N0=15n 信噪比與帶寬的互換關(guān)系信噪比與帶寬的互換關(guān)系第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)目前，最基本的展寬頻譜的方法有三種 直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum）簡稱直接擴頻或直擴（DS）； 跳變頻率擴頻（Frequency Hopping），簡稱跳頻（FH）

13、； 跳變時間擴頻（Time Hopping），簡稱跳時（TH）； 上述基本調(diào)制方法可以進(jìn)行組合，形成各種混合系統(tǒng)，如跳頻上述基本調(diào)制方法可以進(jìn)行組合，形成各種混合系統(tǒng)，如跳頻/ /直擴直擴系統(tǒng)，跳時系統(tǒng)，跳時/ /直擴系統(tǒng)等。直擴系統(tǒng)等。目前，擴展頻譜的帶寬常在目前，擴展頻譜的帶寬常在1MHz-100MHz1MHz-100MHz的范圍，因此，系統(tǒng)的抗干的范圍，因此，系統(tǒng)的抗干擾性能非常好。擾性能非常好。第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)直接序列調(diào)制系統(tǒng)亦稱直接擴頻系統(tǒng)，或稱偽噪聲系統(tǒng)，記作DS系統(tǒng)。原理框圖如下：窄帶信號窄帶信號擴頻信號If擴頻偽碼振蕩調(diào)制偽碼本振解擴混頻第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)

14、組網(wǎng)技術(shù)( )ntn假定同步單徑假定同步單徑BPSKBPSK信道中有信道中有K K個用戶，并假定所有的個用戶，并假定所有的載波相位為載波相位為0 0，則接收的信號等效基帶表示為：，則接收的信號等效基帶表示為：1( )( )( )( )Kkkkks tP b t c tn t其中：其中： 1,1kb 為第為第K K個用戶信息比特值個用戶信息比特值表示加性高斯白噪聲，其雙邊功率譜密度為表示加性高斯白噪聲，其雙邊功率譜密度為kP為發(fā)送功率為發(fā)送功率( )ks t為第為第k k個用戶歸一化擴頻信號，個用戶歸一化擴頻信號， 20( )1bTkst dt 02N單位為單位為W/HzW/Hz第第5 5章章

15、組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)其中 為相關(guān)系數(shù):ki,n對于某一特定比特，相關(guān)器（解擴）的輸出為：對于某一特定比特，相關(guān)器（解擴）的輸出為：0,011( )( )1( )( )bbTkkbKTkki kiikibi kkkkkys t c t dtTP bPbn t c t dtTP bMAIz,01( )( )bTi kikbc t c t dtTn上式表明：與第上式表明：與第k k個用戶本身的自相關(guān)給出了希望接收的數(shù)個用戶本身的自相關(guān)給出了希望接收的數(shù)據(jù)項，與其它用戶的互相關(guān)產(chǎn)生出多址干擾項據(jù)項，與其它用戶的互相關(guān)產(chǎn)生出多址干擾項MAIMAI，與熱噪聲，與熱噪聲的相關(guān)產(chǎn)生了噪聲的相關(guān)產(chǎn)生了噪聲Z ZK

16、K項。項。 當(dāng)相關(guān)系數(shù)為零時，多址干擾為零。當(dāng)相關(guān)系數(shù)為零時，多址干擾為零。即本小區(qū)其它用戶對被檢測用戶不產(chǎn)生干擾。即本小區(qū)其它用戶對被檢測用戶不產(chǎn)生干擾。 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)fcf(a) 在接收機輸入端的擴展頻譜頻譜密度BWf(b) 接收機解擴輸出端的頻譜頻譜密度BW 有用信號譜 干擾信號譜LBW射頻帶寬Bs信息帶寬BSn在發(fā)送端，有用信號經(jīng)擴頻處理后，頻譜被展寬，如圖在發(fā)送端，有用信號經(jīng)擴頻處理后，頻譜被展寬，如圖 (a) (a)所示；所示；n在接收端，利用偽碼的相關(guān)性作解擴處理后，有用信號頻譜被恢復(fù)成窄帶在接收端，利用偽碼的相關(guān)性作解擴處理后，有用信號頻譜被恢復(fù)成窄帶譜，如

17、圖譜，如圖 (b) (b)所示。所示。n寬帶無用信號與本地偽碼不相關(guān)，因此不能解擴，仍為寬帶譜；窄帶無用寬帶無用信號與本地偽碼不相關(guān)，因此不能解擴，仍為寬帶譜；窄帶無用信號則被本地偽碼擴展為寬帶譜。由于無用的干擾信號為寬帶譜而有用信號信號則被本地偽碼擴展為寬帶譜。由于無用的干擾信號為寬帶譜而有用信號為窄帶譜，則可以用一個窄帶濾波器排除帶外的干擾電平，這樣，窄帶內(nèi)的為窄帶譜，則可以用一個窄帶濾波器排除帶外的干擾電平，這樣，窄帶內(nèi)的信噪比就大大提高了。信噪比就大大提高了。提高了擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力。提高了擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力。第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)(1.228 Mc/s)擴頻增益擴頻增益

18、Gp=RchipRbitP4P5P1ffP3窄帶干擾寬帶干擾調(diào)制解調(diào)LPDET(9.6 kb/s)54321P2擴頻解擴第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)直擴系統(tǒng)的抗干擾能力直擴系統(tǒng)的抗干擾能力fS（f）f0解擴頻前的信號頻譜fS（f）f0擴頻前的信號頻譜信號信號干擾噪聲fS（f）f0擴頻后的信號頻譜信號fS（f）f0解擴頻后的信號頻譜信號干擾噪聲信號脈沖干擾白噪聲在時域信號速率的提高，意味著頻域信號帶寬的展寬縱坐標(biāo)位為能量密度第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)1. 擴頻處理增益擴頻處理增益在一個信息處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸入信噪比、輸出信噪比分別為在一個信息處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸入信噪比、輸出信噪比分

19、別為(SN)in，和和(SN)out，由系統(tǒng)的擴頻處理增益由系統(tǒng)的擴頻處理增益Gp表示了信噪比表示了信噪比的改善程度，即的改善程度，即)()lg(10)lg(10)()/()/(dBNSNSdBGNSNSGinoutPinoutP或由于高斯白噪聲的功率譜近似均勻分布，因此也常用擴頻前后由于高斯白噪聲的功率譜近似均勻分布，因此也常用擴頻前后帶寬的比值來近似估算系統(tǒng)的擴頻處理增益。帶寬的比值來近似估算系統(tǒng)的擴頻處理增益。第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)由頻譜擴展對抗干擾性帶來的好處，稱為擴頻增益GP ，可表示為 WPSBGBn式中，式中，B BW W為發(fā)射擴頻信號的帶寬；為發(fā)射擴頻信號的帶寬；B

20、BS S為信碼的速率。其為信碼的速率。其中中B BW W與所采用的偽碼（偽隨機序列或偽噪聲序列的簡稱）與所采用的偽碼（偽隨機序列或偽噪聲序列的簡稱）速率有關(guān)。為獲得高的擴頻增益，通常希望增加射頻帶寬速率有關(guān)。為獲得高的擴頻增益，通常希望增加射頻帶寬B BW W，即提高偽碼的速率。，即提高偽碼的速率。 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)例2 有一個擴展頻譜通信系統(tǒng)，信號擴頻后帶寬為20MHz，原始基帶信號帶寬為20KHz，則系統(tǒng)的擴頻處理增益為GP? 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)直擴系統(tǒng)的優(yōu)點在于它可以在很低的甚至負(fù)信噪比環(huán)境中使系統(tǒng)正常工作。例3 數(shù)據(jù)帶寬為9.6kHz，擴展帶寬為1.228

21、8MHz，則擴頻增益GP=21.7dB。要求進(jìn)入基帶解調(diào)器的最小輸出信噪比 (SN)out =6.7dB，則系統(tǒng)的輸入信噪比(SN)in(SN)out -Gp-15 (dB)第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)跳頻擴頻系統(tǒng)就是用偽隨機碼序列構(gòu)成跳頻指令來控控制頻率合成器，在多個頻率中進(jìn)行選擇的頻移鍵控制頻率合成器，在多個頻率中進(jìn)行選擇的頻移鍵控。與直擴系統(tǒng)相比，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機序列并不是直接傳輸，而是用來選擇信道用來選擇信道。跳頻系統(tǒng)的原理方框圖：信碼If調(diào)制器偽碼頻率合成器混頻器本地偽碼頻率合成器解調(diào)器混頻器信碼第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)偽碼隨機置定頻率合成器時，發(fā)射機的振蕩頻率在很寬的

22、頻率范圍內(nèi)不斷地改變，從而使射頻載波亦在一個很寬的范圍內(nèi)變化，于是形成了一個寬帶離散譜，如圖所示。 NbbffN信道數(shù)b信道間隔時使用的信道頻率時刻f第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)n圖圖(a)(a)所示為跳頻擴頻系統(tǒng)輸出頻率在信道間隨機跳變所示為跳頻擴頻系統(tǒng)輸出頻率在信道間隨機跳變的示意圖。的示意圖。n多頻率的跳頻信號是由時間頻率矩陣圖多頻率的跳頻信號是由時間頻率矩陣圖( (也稱為跳頻圖也稱為跳頻圖案案) )組成的，每個頻率的持續(xù)時間為組成的，每個頻率的持續(xù)時間為T T，并按照跳頻指令，并按照跳頻指令的規(guī)定在時頻矩陣內(nèi)跳變，如圖的規(guī)定在時頻矩陣內(nèi)跳變，如圖(b)(b)所示。所示。 第第5 5

23、章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)l 接收端必須以同樣的偽碼置定本地頻率合成器，使其與發(fā)端的頻率作相同的改變，即收發(fā)跳頻必須同步，這樣，才能保證通信的建立。解決同步及定時是實現(xiàn)跳頻系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題。l 跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能用其跳頻處理增益表示，跳頻系統(tǒng)處理增益的定義與直擴系統(tǒng)的擴頻增益是相同的，即 l 更直觀地表述為 WPSBGBPGN（可供選用的頻率數(shù)目）第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)n 跳時是用偽隨機碼去控制信號的發(fā)送時刻及發(fā)送時間的長跳時是用偽隨機碼去控制信號的發(fā)送時刻及發(fā)送時間的長短。它和跳頻的差別在于一個是控制發(fā)送時間，一個是控短。它和跳頻的差別在于一個是控制發(fā)送時間，一個是控制發(fā)送頻率。制

24、發(fā)送頻率。n在跳時系統(tǒng)中，時間軸被分成若干個時隙，由偽碼控制在在跳時系統(tǒng)中，時間軸被分成若干個時隙，由偽碼控制在哪個時隙發(fā)送信碼。在信碼很短的傳輸時間內(nèi)，以較高的哪個時隙發(fā)送信碼。在信碼很短的傳輸時間內(nèi)，以較高的峰值功率傳送，而其它時間不發(fā)射。由于采用了窄得多的峰值功率傳送，而其它時間不發(fā)射。由于采用了窄得多的時隙去發(fā)送信號，因此信號的頻譜被展寬了。時隙去發(fā)送信號，因此信號的頻譜被展寬了。 第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)抗干擾能力強信號隱蔽性好可以實現(xiàn)碼分多址抗衰落和多徑干擾能力強能與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)共用頻段第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)二、地址碼技術(shù)二、地址碼技術(shù)地址碼的選擇直接影響地址碼的選擇直接影響CDMA系統(tǒng)的容量、抗干擾能力、系統(tǒng)的容量、抗干擾能力、接入和切換速度等，所選地址碼應(yīng)能提供足夠數(shù)量的相關(guān)接入和切換速度等，所選地址碼應(yīng)能提供足夠數(shù)量的相關(guān)