移動通信 ch5 多址接入

1、5.2 多址技術(shù)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行頻率的復(fù)用。隨機多址(CSMA/CD)Carrier Sense MA/Collision Dection 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） PowerFrequencyTimeFDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMAFrequencyC

2、DMAPowerTime5.2 多址技術(shù) 頻分多址(FDMA)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方式進行通信時至少需要幾個頻道？例：GSM900890915935960上行fi下行Fi1、中國移動GSM占用的頻段：890-908 （上行） 935-953 （下行） 中國聯(lián)通GSM占用的頻段：909-915 （上行） 954-960 （下行）頻道間隔為：200KHz收發(fā)間隔為：45MHzf1fnF1Fn上行：下行：圖51 FDMA的頻道劃分方法 F1Fnf1.fn移動臺發(fā)（基站收）移動臺收（基站發(fā)）5.2 多址

3、技術(shù) 時分多址TDMA應(yīng)用：數(shù)字移動通信系統(tǒng)（北美的DAMPS和歐洲的GSM）.信道劃分：例如：DAMPS-先使用30KHz的頻分信道，再將其分為6個時隙進行TDMA傳輸。GSM是將每個頻道劃分為8個時隙。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。圖 5 2 TDMA示意圖 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。 例如：GSM系統(tǒng)的幀長為4.6ms(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

4、幀8個時隙)。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) 時分多址TDMABSMS1MS2MS3t1t2t5t幀1幀2f2t1t2t5t1t2t5t1t2t5f2f2f2上行（同一小區(qū)）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？時分多址的特點：基站可只用一部發(fā)射機，避免互調(diào)干擾容易進行時隙的動態(tài)分配必須有精確的同步和定時CDMA系統(tǒng)工作原理擴頻通信擴頻通信的幾種方法地址碼技術(shù)5.2 多址技術(shù) 碼分多址CDMA碼分多址（Code Division

5、Multiple Access- CDMA):碼形劃分，時隙、頻率共享 CDMA系統(tǒng)工作原理擴頻通信發(fā)送端以正交函數(shù)為擴頻碼進行擴頻100110110011001100110011010010110011010011001用戶輸入信息正交擴頻序列（正交函數(shù)）擴頻后的發(fā)送數(shù)據(jù)+1-1+1-1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行相乘），這實際上提高了輸出信號的速率，在時域信號速率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。在接收端的信號恢復(fù)10011+1-1接收數(shù)據(jù)1001011001101001100101100110

6、01100110011011110000000011111111相關(guān)擴頻序列?接收數(shù)據(jù)100101100110100110010101010101010101010111000011001111001100不相關(guān)擴頻序列在解調(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）。擴頻通信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遠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進行相關(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)

7、為擴頻系統(tǒng)。擴頻通信只有調(diào)制帶寬比值大于100甚至1000的通信方式才稱為擴頻通信。擴頻通信占用如此寬的頻帶傳輸信號是為了使信號具有強抗干擾能力。擴頻通信的理論基礎(chǔ)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）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，

8、則不可能實現(xiàn)信號的無差錯傳輸。擴頻通信理論基礎(chǔ)若信道中噪聲的單邊功率譜密度為N0，則在信號帶寬B內(nèi)的噪聲功率NN0B，則香農(nóng)定理的另一表達形式為信號帶寬B、信號噪聲功率比S/N的互換例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？擴頻通信理論基礎(chǔ)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，但信號功率的增加遠比帶寬下降速度快，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

9、比增加SN（或發(fā)射功率S）更加有效。 信噪比與帶寬的互換關(guān)系擴頻通信理論基礎(chǔ)擴頻通信方法目前，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）； 跳變時間擴頻（Time Hopping），簡稱跳時（TH）； 上述基本調(diào)制方法可以進行組合，形成各種混合系統(tǒng)，如跳頻/直擴系統(tǒng)，跳時/直擴系統(tǒng)等。目前，擴展頻譜的帶寬常在1MHz-100MHz的范圍，因此，系統(tǒng)的抗干擾性能非常好。直擴系統(tǒng)（1）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

10、DS系統(tǒng)。原理框圖如下：直擴系統(tǒng)（2）假定同步單徑BPSK信道中有K個用戶，并假定所有的載波相位為0，則接收的信號等效基帶表示為：其中：為第K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為發(fā)送功率為第k個用戶歸一化擴頻信號， 單位為W/Hz直擴系統(tǒng)（3）其中 為相關(guān)系數(shù):對于某一特定比特，相關(guān)器（解擴）的輸出為：上式表明：與第k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MAI，與熱噪聲的相關(guān)產(chǎn)生了噪聲ZK項。 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。 直擴系統(tǒng)（4）fcf(a) 在接收機輸入端的擴展頻譜頻譜密度BWf(

11、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BS在發(fā)送端，有用信號經(jīng)擴頻處理后，頻譜被展寬，如圖 (a)所示；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，如圖 (b)所示。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。提高了擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力。(1.228 Mc/s)擴頻增益Gp=RchipRbitP4P5P1f直擴系統(tǒng)（5）fP3窄帶干擾寬帶干擾調(diào)制解調(diào)

12、LPDET(9.6 kb/s)54321P2擴頻解擴直擴系統(tǒng)的抗干擾能力1. 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(SN)in，和(SN)out，由系統(tǒng)的擴頻處理增益Gp表示了信噪比的改善程度，即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。擴展頻譜通信的基本性能參數(shù)直擴系統(tǒng)（7）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 式中，BW為發(fā)射擴頻信號的帶寬；BS為信碼的速率。其中BW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BW，即提高偽碼的速率

13、。 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? 直擴系統(tǒng)（6）直擴系統(tǒng)的優(yōu)點在于它可以在很低的甚至負信噪比環(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1.2288MHz，則擴頻增益GP=21.7dB。要求進入基帶解調(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)跳頻系統(tǒng)（1）跳頻擴頻系統(tǒng)就是用偽隨機碼序列構(gòu)成跳頻指令來控制頻率合成器，在多個頻率中進行選擇的頻移鍵控。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

14、道。跳頻系統(tǒng)的原理方框圖：跳頻系統(tǒng)（2）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。 圖(a)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。多頻率的跳頻信號是由時間頻率矩陣圖(也稱為跳頻圖案)組成的，每個頻率的持續(xù)時間為T，并按照跳頻指令的規(guī)定在時頻矩陣內(nèi)跳變，如圖(b)所示。 跳頻系統(tǒng)（3）跳頻系統(tǒng)（4）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。跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能

15、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 更直觀地表述為 （可供選用的頻率數(shù)目）跳時系統(tǒng) 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，一個是控制發(fā)送頻率。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。 擴頻通信的特點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)共用頻段二、地址碼技術(shù)地址碼的選擇直接影響CDMA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)函數(shù)特性尖銳的碼系列，在經(jīng)過解擴后具有較高的信噪比。 在直接擴頻任意選址的通信系統(tǒng)中，對地址碼有如下三個要求：偽碼的比特率應(yīng)能滿足擴展帶寬的需要； 偽碼應(yīng)具有尖銳的自相關(guān)特性，且互相關(guān)要?。?偽碼應(yīng)具有近似噪聲的頻譜性質(zhì)，即近似連續(xù)譜，且均勻分布。 CDMA中的地址碼類型 用戶地址：用于區(qū)分不同移動用戶；多速率(多媒體)業(yè)務(wù)地址：用于多媒體業(yè)務(wù)中區(qū)分不同速率類型的業(yè)務(wù)； 信道地址：用于區(qū)分每個小區(qū)或每個扇區(qū)內(nèi)的不同信道； 基站地址：用于區(qū)分不同基站或扇區(qū)。常采用m序列、Gold序列、 Wals