移动通信中的多址接入技术.ppt

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1、移动通信原理与应用第七章 移动通信中的多址接入技术1主要内容概述FDMA方式TDMA方式CDMA方式SDMA方式系统容量习题2重点和难点掌握多址接人的基本概念和多址接入方式；掌握FDMA技术的原理及系统的特点，了解FDMA系统中的干扰问题；掌握TDMA技术的原理及系统的特点，熟悉TDMA的帧结构，了解TDMA系统的同步与定时；掌握CDMA技术的原理及系统的特点，熟悉正交Walsh函数、m序列、Gold序列；了解空分多址（SDMA）技术的原理；掌握系统容量的定义，熟悉FDMA,TDMA和CDMA系统容量的分析与比较。3 问题描述：问题描述：移动通信系统中移动通信系统中基站的多路工作基站的多路工作

2、和和移动台单路工移动台单路工作作形成了移动通信的一大特点。形成了移动通信的一大特点。1)1)基站以怎样的信号传输方式发送信号，使各移动基站以怎样的信号传输方式发送信号，使各移动台能从中识别发送给本移动台的信号？（下行台能从中识别发送给本移动台的信号？（下行）2)2)基站如何识别来自各个不同移动台的信号？（上基站如何识别来自各个不同移动台的信号？（上行）行）3 3）移动台之间或移动台与市话用户之间是通过基站）移动台之间或移动台与市话用户之间是通过基站同时建立各自的信道（多址连接）同时建立各自的信道（多址连接）7.1 概述概述47.1 概述概述 多址概念：以信道区分通信对象，一个信道只容纳一个用户

3、进行通话，不同的用户同时进行通话，互相以信道来区分。多址接入：如何建立用户之间的无线信道的连接。多址方式是移动通信网体制范畴，关系到系统容多址方式是移动通信网体制范畴，关系到系统容量，小区构成，频谱和信道利用效率以及系统复量，小区构成，频谱和信道利用效率以及系统复杂性。杂性。57.1 概述概述多址接入的数学基础s(c,f,t)=c(t)s(f,t)正交分割原理c1(t),c2(t),.,cN(t),CDMAs(f1,t),s(f2,t),.,s(fN,t),FDMAs(f,t1),s(f,t2),.,s(f,tN),TDMA码型函数67.1 概述概述基本概念多址接入与信道分类频分多址(FDMA

4、),频道划分,频带独享,时间共享时分多址(TDMA),时隙划分,时隙独享,频率共享码分多址(CDMA),码型划分，时隙、频率共享空分多址(SDMA),空间角度划分,频率/时隙/码共享7SDMAFDMATDMACDMA87.1 概述概述频分双工(FDD,Frequency Division Duplex)时分双工(TDD,Time Division Duplex)9双工方式收发如何复接在一起收发如何复接在一起频分双工频分双工-FDD：上下行信流在不同的频段同时传送。：上下行信流在不同的频段同时传送。没有同步问题；没有同步问题；上下行链路信道衰落相互独立；上下行链路信道衰落相互独立；需用双工器来分

5、离上下行信号。需用双工器来分离上下行信号。时分双工时分双工-TDD：上下行信流在不同的时隙交替传送。：上下行信流在不同的时隙交替传送。双工装置简单；双工装置简单；一个方向上的信号传输可用于另一个方向的信道测量；一个方向上的信号传输可用于另一个方向的信道测量；上下行链路之间的带宽分配灵活；上下行链路之间的带宽分配灵活；需要同步，并要考虑收发无线切换的时间；需要同步，并要考虑收发无线切换的时间；需保护时隙来防止上下行时隙混叠；需保护时隙来防止上下行时隙混叠；引起额外的延时和缓冲器的开销；引起额外的延时和缓冲器的开销；码分双工码分双工-CDD：用正交和半正交码来分离上下行链路。：用正交和半正交码来分

6、离上下行链路。半正交码不能克服半正交码不能克服“远近效应远近效应”；正交码的正交性在多径信道中被恶化；正交码的正交性在多径信道中被恶化；在任何现有系统中没被采用过。在任何现有系统中没被采用过。107.2 频分多址方式频分多址方式7.2.1 系统原理频分多址（频分多址（Frequency Division Multiple Access-FDMA):频道划分，频带独享，时间共享频道划分，频带独享，时间共享 117.2 频分多址方式频分多址方式127.2 频分多址方式频分多址方式FDMA系统的频谱管理FDD,Frequency Division Duplex.反向信道 保护频带 前向信道保护频隙f

7、1 f2 fN f1 f2 fN 137.2 频分多址方式频分多址方式无线通信系统的多址接入方式147.2 频分多址方式频分多址方式7.2.2 FDMA系统中的干扰问题互调干扰非线性效应线性度，频率规划邻道干扰寄生辐射频道间隔同频道干扰同频小区蜂窝结构157.2 频分多址方式频分多址方式7.2.3 FDMA系统的特点1.单路单载波传输：每个频道只传送一路业务信息。单路单载波传输：每个频道只传送一路业务信息。载波间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。载波间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。2.信号连续传输：在分配好话音信道后，基站和移动信号连续传输：在分配好话音信道后，基站和移动台同时连续不断的发

8、送和接收。台同时连续不断的发送和接收。3.需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统。系统。4.实现简单，无需自适应均衡。实现简单，无需自适应均衡。5.基站需要多个收发信道设备基站需要多个收发信道设备,越区切换复杂。越区切换复杂。6.频率利用率低，容量小。频率利用率低，容量小。167.3 时分多址时分多址时分多址系统原理时分多址系统原理（Time Division Multiple Access-TDMA):时隙划分，时隙划分，时隙独享，频率共享时隙独享，频率共享 177.3 时分多址时分多址GSM系统的帧长为（每帧系统的帧长为（每帧8个时隙）

9、，每一个时隙分配给一个时隙），每一个时隙分配给一个用户。个用户。187.3 时分多址时分多址时分复用时分复用各个移动台在上行帧内只能按指定的时隙向基站发送信各个移动台在上行帧内只能按指定的时隙向基站发送信号。号。为了保证在不同传播时延情况下，各移动台到达基站处为了保证在不同传播时延情况下，各移动台到达基站处的信号不会重叠，通常上行时隙内必须有保护间隔，在的信号不会重叠，通常上行时隙内必须有保护间隔，在该间隔内不传送信号。该间隔内不传送信号。基站按顺序安排在预定的时隙中向各移动台发送信息。基站按顺序安排在预定的时隙中向各移动台发送信息。197.3 时分多址时分多址7.3.2 TDMA的帧结构的帧

10、结构 保护间隙207.3 时分多址时分多址 TDMA/TDD:一个帧.反向信道 保护间隙 前向信道保护时隙t1 t2 tN t1 t2 tN 移动台移动台A 基站基站基站基站 移动台移动台B217.3 时分多址时分多址 TDMA/FDD(GSM):f前向信道反向信道tt t1 t2 t3 t4 tN t1 t2 t3 t4 tN延时延时3个时隙个时隙移动台移动台A 基站基站基站基站 移动台移动台A 227.3 时分多址时分多址 GSM手机是没有双工器双工器的：GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同，但上行帧相对于下行帧来说，在时间上推后三个时隙，这样安排，允许移动台在这3个时隙的

11、时间里，进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。237.3 时分多址时分多址7.3.3 TDMA系统的同步与定时位同步针对每个时隙，接收机解调所需方法（1）用专门的信道传输 （2）插入业务信道中传输帧同步针对每个帧，进行复用/解复用所需方法：在每帧的前面设置一个同步码同步码的要求：传输效率高（码短）同步可靠性、抗干扰强（码长）建立时间短、错误捕获概率小、同步保持时间长、失步概率小矛盾247.3 时分多址时分多址系统定时避免因定时误差随时间积累引起失步全网同步，时间基准主从同步（所有设备，包括手机）独立时钟同步（基站或大型设备）257.3 时分多址时分多址7.3.4 TDMA系统的特点突发传输速率

12、高语音编码速率，NR bit/s；发射信号速率随N的增大而提高,需要自适应均衡；不需双工器；基站复杂性减小，只需一部收发信机；频率利用率高，容量大越区切换简单267.4 码分多址码分多址7.4.1 系统原理系统原理 码分多址（码分多址（Code Division Multiple Access-CDMA):码形划分，时隙、频率共享码形划分，时隙、频率共享 277.4 码分多址码分多址CDMA系统工作原理287.4 码分多址码分多址297.4 码分多址码分多址7.4.2 正交Walsh函数Walsh函数波形307.4 码分多址码分多址7.4.2 正交Walsh函数递推关系317.4 码分多址码分

13、多址H8和H8正交上行链路下行链路327.4 码分多址码分多址7.4.2 正交Walsh函数同步时，同步时，Walsh码是完全正交码（自相关函数码是完全正交码（自相关函数为为1，互相关函数为，互相关函数为0）在非同步情形下，在非同步情形下，Walsh码的自相关特性和互码的自相关特性和互相关特性很差相关特性很差Walsh码序列的功率谱分布彼此不均匀码序列的功率谱分布彼此不均匀;所以不能单独承担扩频任务，通常采用所以不能单独承担扩频任务，通常采用Walsh码与码与Gold序列的结合序列的结合337.4 码分多址码分多址7.4.3 m序列伪随机码：生成m序列是最长线性移位寄存器序列的简称；序列是最长

14、线性移位寄存器序列的简称；m序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器发生器中，若制移位寄存器发生器中，若n为级数，则所为级数，则所能产生的最大长度的码序列为能产生的最大长度的码序列为2n-1位。位。347.4 码分多址码分多址7.4.3 m序列伪随机码：产生电路357.4 码分多址码分多址7.4.3 m序列伪随机码：性质在在m序列中一个周期内序列中一个周期内“1”的数目比的数目比“0”的的数目多数目多 l位位;一般说来，一般说来，m序列中长为序列中长为k(1 k n 2)的游

15、的游程数占游程总数的程数占游程总数的l2km序列和其位移序列模序列和其位移序列模2加后仍为加后仍为m序列；序列；m序列发生器中的移位寄存器的各状态中，除序列发生器中的移位寄存器的各状态中，除全全0外，其他状态在一个周期中只能出现一次。外，其他状态在一个周期中只能出现一次。367.4 码分多址码分多址7.4.3 m序列伪随机码：自相关和互相关m序列的自相关函数由下式计算序列的自相关函数由下式计算(p=2n 1):m序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生生m序列。序列。总结：总结：m序列的自相关性很好，但互相关性不好序列的自相关性很好，但互相关性不好并为多值

16、，好的并为多值，好的m序列数目很少序列数目很少377.4 码分多址码分多址7.4.3 m序列伪随机码：自相关性互相关计算ai=1110100与bi=1110010t=0时,ai+bi=0000110,A=5,D=2,Rc=3/7t=1时,ai+bi=1001101,A=3,D=4,Rc=-1/7387.4 码分多址码分多址7.4.4 Gold序列序列R.Gold 于于1967年提出的一种基于年提出的一种基于m序列优选对的序列优选对的码序列码序列;有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，因而获得了广泛的应用生的序列数多，因而获得了广泛的应

17、用;如有两个如有两个m序列，它们的互相关函数的绝对值有序列，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：界，且满足以下条件：称这一对称这一对m序列为优选对。序列为优选对。397.4 码分多址码分多址7.4.4 Gold序列序列:发生电路407.4 码分多址码分多址7.4.4 Gold序列序列:特性相关特性：优良自相关峰尖锐，互相关函数值-t(n)/P数量：多，2n+1周期P=2n-1平衡性：好一个周期内，“1”码元个数比“0”码元个数仅多一个=平衡调制时抑制载波峰平比n为奇时,有2n-1+1个;n为偶时,有2n-1+2n-2+1个417.4 码分多址码分多址7.4.5 CDMA系统的特点系统

18、的特点共享频率；共享频率；通信容量大；通信容量大；容量具有软特性；容量具有软特性；CDMA是一个干扰受限系统，任何降低干扰的方法将增加容量，同时降低QoS要求也将增加容量减小多径衰落；（频率分集）减小多径衰落；（频率分集）平滑的软切换和有效的宏分集平滑的软切换和有效的宏分集低信号功率谱密度低信号功率谱密度427.4 码分多址码分多址 扩扩频频通通信信具具有有很很强强的的干干扰扰抑抑制制的的能能力力，常常用用扩扩频增益表示系统的抗干扰能力：频增益表示系统的抗干扰能力：Bw为扩频信号带宽；为扩频信号带宽；Bs为信息带宽；为信息带宽；(C/N)o和和(C/N)i为为扩扩频频解解调调器器输输出出和和输

19、输入入载载波波噪声功率比。噪声功率比。437.4 码分多址码分多址7.4.5 CDMA系统的特点系统的特点主要问题有主要问题有多址干扰多址干扰由不同步用户的扩频序列间不正交性，导致非零互由不同步用户的扩频序列间不正交性，导致非零互相关系数引起用户间的相互干扰相关系数引起用户间的相互干扰远近效应远近效应强用户信号对弱用户信号的明显抑制作用强用户信号对弱用户信号的明显抑制作用解决方法有解决方法有多用户接收机多用户接收机功率控制功率控制分布式天线系统分布式天线系统447.6 系统容量系统容量定义定义在一定的频段内所能提供的最大信道数，或最大用在一定的频段内所能提供的最大信道数，或最大用户数，或系统流

20、入话务量总和户数，或系统流入话务量总和与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率复用方式、及基站设置方式有关频率复用方式、及基站设置方式有关无线容量无线容量m是衡量无线系统频谱效率的参数是衡量无线系统频谱效率的参数载波干扰功率比载波干扰功率比C/I和带宽和带宽Bc Btm 信道信道/小区小区 BcNBt系统总频谱，系统总频谱，Bc信道带宽，信道带宽，N簇的大小簇的大小45三种多址方式系统容量比较（一）三种多址方式系统容量比较（一）FDMA多址方式的系统容量：多址方式的系统容量：以模拟以模拟TACS系统为例，系统为例，系统总频段带宽：系统总频段带

21、宽：；频道间隔：频道间隔：25kHz;信道总数：信道总数：1.25MHz/25kHz=50;簇内簇内小区数：小区数：N=7;系统容量：系统容量：信道信道/小区。小区。46三种多址方式系统容量比较（二）三种多址方式系统容量比较（二）TDMA多址方式的系统容量：多址方式的系统容量：以数字以数字GSM系统为例，系统为例，系统总频段带宽：系统总频段带宽：；频道间隔：频道间隔：200kHz;每载频时隙数：每载频时隙数：8；信道总数：信道总数：1.25MHz/200kHz*8=50;簇内簇内小区数：小区数：N=4;系统容量：系统容量：信道信道/小区。小区。47三种多址方式系统容量比较（三）三种多址方式系统

22、容量比较（三）CDMA多址方式的系统容量：多址方式的系统容量：由由于于CDMA系系统统是是一一个个干干扰扰受受限限的的系系统统，它它的的频频率率复复用用因因子子可可以以为为1，对对其其系系统统容容量量的的分分析析更为复杂，我们将简单进行推导。更为复杂，我们将简单进行推导。CDMA的载波干扰比（的载波干扰比（C/I）：）：N0为为干干扰扰（包包括括噪噪声声）的的功功率率谱谱密密度度；Eb为为每每比比特特信信号号能能量量；Rb为为信信息息的的比比特特速速率率；W为为总总频频段宽度。段宽度。归一化信噪比系统的处理增益48三种多址方式系统容量比较（四）三种多址方式系统容量比较（四）在在单单小小区区时时

23、，考考虑虑上上行行链链路路的的容容量量，假假设设理理想想的的功功率率控控制制（即即在在上上行行链链路路对对所所有有移移动动台台的的发发射射功功率率进进行行控控制制，使使到到达达基基站站接接收收机机的的信信号号功功率均相同），则基站接收机的载波干扰比：率均相同），则基站接收机的载波干扰比：Pr为基站接收到的每个移动台的信号功率，为基站接收到的每个移动台的信号功率，m 为同时工作的移动台数。为同时工作的移动台数。则最大的一个小区内用户数为：则最大的一个小区内用户数为：49三种多址方式系统容量比较（五）三种多址方式系统容量比较（五）CDMA多址方式的系统容量：多址方式的系统容量：以数字以数字IS-9

24、5系统为例，系统为例，频道带宽：频道带宽：；声码器速率：声码器速率：要求要求Eb/N0：7dB；则：则：系统容量：系统容量：用户用户/小区。小区。50三种多址方式系统容量比较（六）三种多址方式系统容量比较（六）在在CDMA系统中，系统中，如如果果考考虑虑热热噪噪声声的的影影响响，系系统统容容量量公公式式见见教教材材（）式。）式。如如果果考考虑虑话话音音激激活活技技术术的的影影响响，系系统统容容量量公公式式见教材（见教材（）式。）式。如如果果考考虑虑划划分分扇扇区区的的影影响响，系系统统容容量量公公式式见见教教材（材（）式。）式。如如果果考考虑虑临临近近小小区区干干扰扰的的影影响响，系系统统容容量量公公式式见教材（见教材（）式。）式。51语音激活当用户不讲话时就不发射信号。语音激活因子(减少6065%的干扰)。造成用户掉话率更高。52作业53