無線多址技術(shù)

1、無線多址技術(shù)無線通信技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容介紹 多址技術(shù)也是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，甚至是移動通信系統(tǒng)換代的一個重要標志。 蜂窩技術(shù)將無線覆蓋區(qū)域規(guī)劃成一個個的蜂窩小區(qū)。多址技術(shù)則在一個無線小區(qū)內(nèi)進一步將有限的頻率資源分配給眾多的用戶。 多址技術(shù)允許很多移動用戶同時共享有限的無線頻率資源，通過不同的處理技術(shù)使不同用戶之間的信號互不干擾，可以分別接收和解調(diào)。 蜂窩系統(tǒng)中登記的用戶數(shù)量遠遠大于同一時刻實際請求服務(wù)的用戶數(shù)量，多址技術(shù)就是研究如何將有限的頻率資源在多個用戶之間進行有效的分配和共享，在保證通信質(zhì)量的同時盡可能獲得更高的系統(tǒng)容量。 多址技術(shù)對無線信號進行了多維劃分，不同的維度對應(yīng)著不同的多址技

2、術(shù)，如頻分多址、時分多址、碼分多址和空分多址。信號維度劃分的目標是要使不同用戶的無線信號之間在所劃分的維度上達到邏輯上的正交，這樣，這些用戶就可以共享有限的頻率資源而不會相互干擾。本章重點雙工和多址方式。頻分多址。時分多址。碼分多址?？辗侄嘀贰６嘀贩绞胶托^(qū)容量。第1.1節(jié)、雙工和多址方式 在蜂窩系統(tǒng)中，用戶可以在發(fā)送信息的同時接收基站的信息，例如，講和聽可以同時進行。這種通信方式被稱作雙向全雙工通信，發(fā)送和接收必須有各自獨立的信道。用頻域技術(shù)和時域技術(shù)都可以做到雙向雙工。頻分雙工（FDD）：FDD為每個用戶提供了兩個獨立的信道，前向信道提供從基站到移動臺的信息傳輸，反向信道提供從移動臺到基站

3、的信息傳輸。雙工信道實際上是由兩個單工信道組成的，利用一種叫做雙工器的設(shè)備進行前向和反向信道的隔離，允許同時進行發(fā)射和接收。時分雙工（TDD）：TDD是用時間而不是頻率來提供前向信道和反向信道的隔離。采用TDD方式時，發(fā)射和接收使用相同頻率的信道，但數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是間歇性的，但時間間隔很短，用戶并不會感覺到，使用起來就像是連續(xù)傳輸一樣。第1.1節(jié)、雙工和多址方式第1.1節(jié)、雙工和多址方式雙工分隔的前向和反向信道，再通過多址技術(shù)進一步分配給每個具體用戶。在蜂窩無線通信系統(tǒng)中經(jīng)常采用的的多址接入技術(shù)主要有三種：頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。通常用雙工和多址技

4、術(shù)一起來描述無線通信系統(tǒng)的信道分配方式。蜂窩移動通信系統(tǒng)雙工和多址技術(shù)高級移動電話系統(tǒng)（AMPS）FDMA/FDD全球移動通信系統(tǒng)（GSM）TDMA/FDMA/FDD美國數(shù)字蜂窩（USDC）TDMA/FDMA/FDD窄帶CDMA（IS-95）CDMA/FDMA/FDD小靈通（PHS）TDMA/TDD無繩電話（CT2和DETC）FDMA/TDDWCDMA（3G）CDMA/FDMA/FDDCDMA2000（3G）CDMA/FDMA/FDDTD-SCDMA（3G）CDMA/FDMA/TDD第1.2節(jié)、頻分多址頻分多址（TDMA）為每個用戶分配一個特定頻率的信道，該信道分配給請求服務(wù)的用戶專用，在整個

5、呼叫過程中，其它用戶不能共享這一信道。第1.2節(jié)、頻分多址FDMA系統(tǒng)的特點如下：如果一個FDMA信道沒有被使用，那么它就處于空閑狀態(tài)。在分配好話音信道后，基站和移動臺就會同時連續(xù)不斷的發(fā)送信號。FDMA信道的帶寬一般相對較窄，每個信道的一對載波僅支持一個雙向電路連接（比如1路電話）。FDMA信道的符號時間與平均延遲擴展相比較是很大的，碼間干擾比較低，因此在窄帶FDMA系統(tǒng)中幾乎不需要均衡。與TDMA和CDMA系統(tǒng)相比，F(xiàn)DMA系統(tǒng)要簡單得多。FDMA只需要較少的比特來滿足系統(tǒng)開銷（如同步），信道效率高。FDMA需要更高的小區(qū)站點系統(tǒng)開銷，F(xiàn)DMA系統(tǒng)是每載波單個信道的設(shè)計，需要使用帶通濾波器

6、來消除基站的雜散和互調(diào)輻射。FDMA需要精確的射頻濾波器來抑制相鄰信道的鄰頻干擾。第1.2節(jié)、頻分多址在FDMA系統(tǒng)中，分配給每個用戶一個雙向信道，即一對載波（載頻），一個載波用作前向信道，而另一個用作反向信道。FDMA/FDD的載波頻譜如下。第1.2節(jié)、頻分多址在FDMA系統(tǒng)中，一定的系統(tǒng)帶寬可以同時支持的信道數(shù)量如下。 注意，這里有兩個保護帶寬，分別分配在系統(tǒng)頻帶的低端和高端，設(shè)置這兩個保護頻帶的目的是為了保證載波的邊緣不會溢出而進入臨近的其他無線系統(tǒng)，同時臨近的無線系統(tǒng)也會采取同樣的措施，這樣就可以保證兩個系統(tǒng)之間不會互相干擾。第一代模擬蜂窩系統(tǒng)就是以FDMA/FDD為基礎(chǔ)的模擬窄帶調(diào)頻

7、系統(tǒng)，當通話進行時，一個用戶占用一個雙向信道，這個信道是具有45MHz雙工間隔的一對載頻。話音信號在前向信道上從基站發(fā)送到移動臺，在反向信道上從移動臺發(fā)送到基站。第1.3節(jié)、時分多址時分多址（TDMA）把無線頻譜按時隙劃分，每一個時隙僅允許一個用戶使用，要么發(fā)射要么接收。第1.3節(jié)、時分多址在TDMA系統(tǒng)中，每個用戶占用一個周期性重復(fù)的時隙，可以把一個信道看作每一個幀都會出現(xiàn)的特定時隙，N個時隙組成一幀。TDMA系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)是用“緩存+突發(fā)”的方式，任何一個用戶的發(fā)射和接收都不是連續(xù)的，傳統(tǒng)的模擬調(diào)制無法在TDMA系統(tǒng)中使用，模擬信號數(shù)字化和數(shù)字調(diào)制技術(shù)必須與TDMA一起使用。TDMA幀是由時

8、隙組成的，每一幀都由頭比特、信息數(shù)據(jù)和尾比特組成，不同的TDMA無線標準的系統(tǒng)會有不同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。在TDMA/TDD系統(tǒng)中，每個TDMA幀的一半時隙用于前向信道，另一半用于反向信道。在TDMA/FDD系統(tǒng)中，前向和反向信道的載波頻率不同，有一對完全相同或相似的幀結(jié)構(gòu)，一個用于前向信道，一個用于反向信道。在TDMA系統(tǒng)中，多個用戶的發(fā)射在時間上相互連成一個重復(fù)的幀結(jié)構(gòu)。第1.3節(jié)、時分多址第1.3節(jié)、時分多址TDMA系統(tǒng)的特點如下：TDMA系統(tǒng)中，多個用戶共享同一個載頻，每個用戶使用不同時隙。對于每個用戶來說，數(shù)據(jù)傳送不是連續(xù)的，而是分組分時發(fā)送的。在不發(fā)送信息的時間，可以關(guān)閉發(fā)射機，降低

9、電池消耗。由于發(fā)送是不連續(xù)，越區(qū)切換對一個用戶移動臺來說是很簡單的，它可以利用空閑時隙來監(jiān)測其它基站的信號。移動臺輔助切換（MAHO）就是通過用戶在TDMA幀中的空閑時隙監(jiān)測信號來實現(xiàn)的。TDMA信道的速率通常比FDMA要高，需要采用自適應(yīng)均衡器。應(yīng)該把時隙保護時間減到最小以提高帶寬利用率，但過分壓縮會使發(fā)射頻譜增大并可能會導(dǎo)致對臨近信道的干擾。TDMA系統(tǒng)采用分組發(fā)射，需要較高的同步開銷。TDMA系統(tǒng)可以分配給用戶一幀中不同數(shù)目的時隙，按需分配帶寬。第1.3節(jié)、時分多址在實際的蜂窩無線系統(tǒng)中，一般采用TDMA和FDMA相結(jié)合的方式，如：TDMA/FDMA/FDD，即首先采用FDD分配前向和反

10、向信道，然后采用FDMA劃分不同載頻，最后采用TDMA將每個載頻劃分成不同的用戶時隙。以GSM系統(tǒng)為例，在900MHz頻段，首先采用FDD分配兩個25MHz的前向和反向信道，然后采用FDMA方式將25MHz分為若干個200KHz的無線信道（載頻），最后采用TDMA方式將每個載頻分成8個時隙（支持8個話音信道）。TDMA/FDMA系統(tǒng)中所提供的TDMA信道總數(shù)（總時隙數(shù)）。第1.4節(jié)、碼分多址碼分多址（CDMA）是一種采用擴頻技術(shù)的多址方式。擴頻通信是一種信息傳輸方式，其傳輸帶寬遠遠大于所傳輸信息所必需的最小帶寬，頻帶的展寬通過編碼及調(diào)制方法實現(xiàn)，與所傳輸?shù)男畔o關(guān)，在接收端可以用相同的擴頻碼進

11、行相干解調(diào)來解擴并恢復(fù)所傳輸?shù)男畔?。擴頻技術(shù)最初是在軍事通信中廣泛采用的一種無線通信技術(shù)，隨后開始廣泛地滲透到了無線通信系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，包括移動通信領(lǐng)域。CDMA系統(tǒng)中每個用戶需要占用很大的帶寬，只有少量用戶時，是一個帶寬效率極低的系統(tǒng)。然而，當用戶數(shù)量很大時，很多用戶可以互不干擾地共享同一個擴頻帶寬，因此在大量用戶的環(huán)境中就變成了具有很高帶寬效率的系統(tǒng)，而這一點正是無線通信系統(tǒng)的設(shè)計者非常需要的。碼分多址技術(shù)主要有兩種類型：直接序列擴頻碼分多址（DS-CDMA）和跳頻碼分多址（FH-CDMA）。第1.4節(jié)、碼分多址1、直擴碼分多址（DS-CDMA）在DS-CDMA系統(tǒng)中，窄帶信號直接與偽隨機

12、序列（PN）相乘，PN碼片的速率比信息數(shù)據(jù)的速率要高若干個數(shù)量級，因此相乘后的信號頻譜被擴展到很寬的帶寬，簡稱直擴碼分多址。DS-CDMA系統(tǒng)中的每個用戶都有自己的PN碼，并且與其它用戶的PN碼在邏輯上正交。接收機需要知道發(fā)射機所使用的PN碼，然后執(zhí)行相關(guān)操作來檢測唯一的PN碼，并將其恢復(fù)成窄帶信號（解擴），所有其它不相關(guān)的PN碼都被認為是噪音，只會在一定程度上降低載噪比（C/N）。不同用戶之間的PN碼是正交的，因此所有用戶可以在同一時間使用同一個擴頻頻帶，每個用戶都可以看作是獨立于其它用戶而不會相互干擾。我們通常所說的CDMA系統(tǒng)一般都是指采用DS-CDMA技術(shù)的系統(tǒng)。比如，2G的CDMA

13、IS-95系統(tǒng)、3G的WCDMA系統(tǒng)。第1.4節(jié)、碼分多址第1.4節(jié)、碼分多址在DS-CDMA系統(tǒng)中噪聲的大小直接決定了系統(tǒng)的性能，包括通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量，因此控制噪聲的DS-CDMA系統(tǒng)的一項重要工作。在DS-CDMA系統(tǒng)中，很多移動臺共享同一個擴頻信道，這些移動臺的發(fā)射功率決定了系統(tǒng)的基準噪音，較強的接收信號會提高基站的背景噪音，影響較弱信號的接收。如果小區(qū)中距離基站很近的某個用戶的發(fā)射功率沒有得到有效控制，它在基站接收機處的噪聲就會很高，就會出現(xiàn)“遠近效應(yīng)”，使基站無法正常接收較弱的用戶信號。為了解決遠近效應(yīng)問題，在DS-CDMA系統(tǒng)中必須采用更加精確和快速的功率控制技術(shù)。基站通過快速抽

14、樣每一個移動臺的無線信號強度來實現(xiàn)對移動臺的功率控制，保證基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的每一個用戶給基站提供相同強度的信號，這就解決了由于一個臨近用戶的信號過大而覆蓋了遠處用戶信號的問題。第1.4節(jié)、碼分多址DS-CDMA系統(tǒng)的特點。在DS-CDMA系統(tǒng)中，很多用戶共享同一頻帶。DS-CDMA具有軟容量限制，容量的大小取決于噪聲環(huán)境。在DS-CDMA系統(tǒng)中，信號被擴展在一個較寬頻譜上，頻譜帶寬比信道的相干帶寬大很多，固有的頻率分集會減小多徑衰落的影響。在DS-CDMA系統(tǒng)中，信道的數(shù)據(jù)速率很高，符號時間比信道的時延擴展小很多，超過一個碼片延遲的多徑將被認為是噪音。使用RAKE接收機收集不同時延的信號進行疊加

15、可以提高接收的可靠性。DS-CDMA使用同信道小區(qū)（N=1），可以進行軟切換。自干擾是DS-CDMA系統(tǒng)的一個固有問題。自干擾是由于不同用戶的PN序列并不完全正交而造成的。DS-CDMA系統(tǒng)需要采取比FDMA或TDMA更精確的功率控制技術(shù)。第1.4節(jié)、碼分多址2、跳頻碼分多址（ FH-CDMA ）FH-CDMA系統(tǒng)中，每個用戶的載波頻率都在寬帶信道范圍內(nèi)按照PN序列變化。信息數(shù)據(jù)被分為同樣大小的組在不同的載波上發(fā)射出去。一個跳頻信號僅占用一個相對較窄的信道，任意一個發(fā)射載波的瞬時帶寬都比整個擴頻帶寬小的多。用戶載頻的偽隨機變化使得在任意時刻對一個具體信道的占用也隨機變化，實現(xiàn)一個大頻率范圍的多

16、址接入。如果載波變化速率大于系統(tǒng)符號速率，就叫作快跳頻系統(tǒng)；如果載波變化率小于或等于符號速率，就叫作慢跳頻系統(tǒng)。對于FH-CDMA系統(tǒng)來說線性并不是問題，可以使用功率效率高的恒包絡(luò)調(diào)制，用廉價的接收機來提供FH-CDMA的非相干檢測。跳頻系統(tǒng)具有很高的安全性。當使用大量跳頻信道時，一個并不知道頻率是怎樣隨機改變的接收機，不可能很快調(diào)諧到希望監(jiān)測的信號。第1.4節(jié)、碼分多址3、混合擴頻技術(shù)混合FDMA/CDMA（FCDMA）：寬帶頻譜被劃分成若干帶寬小一些的子信道，每個子信道采用窄帶CDMA技術(shù)。這種混合系統(tǒng)的突出優(yōu)點是帶寬不需要連續(xù)，而且可以依據(jù)不同用戶的要求分配在不同的子信道。第1.4節(jié)、碼

17、分多址混合直擴/跳頻碼分多址（DS/FH-CDMA）。這種技術(shù)由一個直接序列調(diào)制信號構(gòu)成，該信號的中心頻率按照PN序列跳變，這種跳頻系統(tǒng)的突出優(yōu)點是避免遠近效應(yīng)。但是，這種跳頻系統(tǒng)不適用于軟切換處理。時分跳頻多址（TD/FH-CDMA）：這種多址技術(shù)在解決嚴重的多徑衰落或同頻干擾時具有優(yōu)勢。用戶可以在一個新的TDMA幀開始時跳到一個新的頻率，避免了在一個特定信道上的嚴重衰落或碰撞事件。GSM系統(tǒng)的標準就采用這項技術(shù)，預(yù)先定義了跳頻序列，允許用戶在指定小區(qū)的特定頻率上跳頻。第1.5節(jié)、空分多址空分多址（SDMA）是控制用戶在空間方向上的輻射能量，使用定向天線來服務(wù)于不同的用戶。第1.5節(jié)、空分多

18、址在實際應(yīng)用中上，SDMA通常與其它多址方式（FDMA、TDMA和CDMA）結(jié)合使用，處于同一波束內(nèi)的不同用戶用其它多址方式加以區(qū)分。采用SDMA方式后，相同頻率（TDMA或CDMA系統(tǒng)）或不同頻率（FDMA系統(tǒng)）的無線信道都可以服務(wù)于被天線定向波束所覆蓋的這些不同區(qū)域。定向天線是SDMA的一個基本方式，這種天線最適合于TDMA和CDMA系統(tǒng)。在3G系統(tǒng)中使用了自適應(yīng)天線（又稱作智能天線），可以迅速地引導(dǎo)信號能量沿著用戶的方向發(fā)送和接收，達到充分利用移動用戶信號并抑制干擾信號的目的。在蜂窩無線系統(tǒng)中，由于很多原因造成了反向信道（手機-基站）的困難較多。通過定向天線來空間過濾用戶信號是一個很好的

19、方法，可以明顯改善每個用戶的反向信道，并且需要更少的功率。SDMA實現(xiàn)的關(guān)鍵是智能天線技術(shù)。第1.6節(jié)、分組無線電在分組無線電（PR）接入系統(tǒng)中，大量用戶用一種分散的方式來接入同一個信道，發(fā)射可以通過數(shù)據(jù)突發(fā)來完成?；窘邮諜C檢測多個發(fā)射機同時發(fā)射而產(chǎn)生的碰撞，通過ACK（確認）或NACK（否定確認）信號來通知發(fā)射信號的用戶和所有其它用戶。分組無線電的實現(xiàn)比較容易，但是，由于用戶是使用競爭技術(shù)在一個共用信道上發(fā)射，因此效率較低并且可能導(dǎo)致較大的時間延遲。隨機接入?yún)f(xié)議：隨機接入?yún)f(xié)議又分為純ALOHA和分段ALOHA兩種方式。對于高負荷通信，純ALOHA和分段ALOHA的效率都很低。載波檢測多址協(xié)

20、議：每個終端在發(fā)射信息之前都測試一下信道狀態(tài)，如果信道空閑，就允許用戶按照在某種特定算法來發(fā)射分組。預(yù)留ALOHA：是以TDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的一個分組接入模式。在該協(xié)議中，某個分組段被賦予優(yōu)先級，并且有可能為用戶預(yù)留發(fā)射分組的時間段。第1.7節(jié)、多址方式和系統(tǒng)容量蜂窩無線系統(tǒng)的容量定義為一定頻段內(nèi)所能提供的信道或用戶的最大數(shù)量。系統(tǒng)容量是衡量一個蜂窩系統(tǒng)頻譜效率的重要參數(shù)，主要取決于多址技術(shù)、系統(tǒng)帶寬、信道帶寬和特定小區(qū)的載波/干擾比等因素。FDMA和TDMA系統(tǒng)的容量受限于帶寬和干擾。 系統(tǒng)設(shè)計時BS、BC和m已經(jīng)確定，因此N決定了每個小區(qū)的信道容量，N的大小決定于C/I。模擬FDMA系統(tǒng)需要較高的C/I，同頻復(fù)用比D/R的要求較高，小區(qū)簇的大小N較大，因此每個蜂窩小區(qū)的信道容量很有限。數(shù)字TDMA系統(tǒng)通過差錯控制和語音編碼大大降低了對C/I的要求，可以采用更小的簇。移動輔助切換有利于用戶選擇最好的基站信號，可以采用密集的微小區(qū)。使系統(tǒng)獲得大約3到6倍的容量增長。第1.7節(jié)、多址方式和系統(tǒng)容量CDMA系統(tǒng)使用的是同頻小區(qū)，也就是