第6章多址接入技術(shù)

第6章多址接入技術(shù)內(nèi)容介紹6.1多址接入技術(shù)的基本原理6.2FDMA方式6.3TDMA方式6.4CDMA方式6.5SDMA方式6.6OFDM多址方式6.7隨機(jī)多址方式6.8FDMA、TDMA與CDMA系統(tǒng)容量的比較6.1多址接入技術(shù)的基本原理1.多址接入方式從移動(dòng)通信網(wǎng)的構(gòu)成可以看出，大部分移動(dòng)通信系統(tǒng)都有一個(gè)或多個(gè)基站和若干個(gè)移動(dòng)臺(tái)?；疽驮S多移動(dòng)臺(tái)同時(shí)通信，因而基站通常是多路的，有多個(gè)信道；而每個(gè)移動(dòng)臺(tái)只供一個(gè)用戶使用，是單路的。許多用戶同時(shí)通話，以不同的通道分隔，防止相互干擾；各用戶信號(hào)通過在射頻頻段上的復(fù)用，從而建立各自的信道，以實(shí)現(xiàn)雙邊通信的連接?？梢?，基站的多路工作和移動(dòng)臺(tái)的單路工作是移動(dòng)通信的一大特點(diǎn)。在移動(dòng)通信業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)，移動(dòng)臺(tái)之間或移動(dòng)臺(tái)與市話用戶之間是通過基站（包括移動(dòng)交換局和局間聯(lián)網(wǎng)）同時(shí)建立各自的信道，從而實(shí)現(xiàn)多址連接的。1.多址接入方式多址接入方式的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是信號(hào)的正交分割原理，原理上與固定通信中的信號(hào)多路復(fù)用相似，但有所不同。多路復(fù)用的目的是區(qū)分多個(gè)通路，通常在基帶和中頻上實(shí)現(xiàn)，而多址劃分是區(qū)分不同的用戶地址，往往需要利用射頻頻段輻射的電磁波來尋找動(dòng)態(tài)的用戶地址，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)多址信號(hào)之間互不干擾，不同用戶無線電信號(hào)之間必須滿足正交特性。信號(hào)的正交性是通過信號(hào)正交參量來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)正交參量僅考慮時(shí)間、頻率和碼型時(shí)，無線電信號(hào)寫成式中，c(t)是碼型函數(shù)；s(f,t)是時(shí)間t和頻率f的函數(shù)。1.多址接入方式有多種方式來區(qū)分不同用戶地址，如頻分多址（FDMA）是以傳輸信號(hào)載波頻率的不同來區(qū)分；時(shí)分多址（TDMA）是以傳輸信號(hào)存在的時(shí)間不同來區(qū)分；碼分多址（CDMA）是以傳輸信號(hào)的碼型不同來區(qū)分。圖6-1分別給出了N個(gè)信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意圖。從圖中可見，頻分多址中不同用戶的頻道相互不重疊（即正交），時(shí)分多址中不同用戶的時(shí)隙相互不重疊，碼分多址中不同用戶的碼型相互不重疊。1.多址接入方式圖6-1FDMA、TDMA和CDMA的示意圖2.多址接入與信道(1)物理信道信道是傳輸信息的通道，依傳輸媒介的不同，信道可分為有線信道和無線信道兩大類。無線信道是指利用無線電波傳輸信息的通道。依據(jù)傳輸信號(hào)的形式不同可分為模擬信道和數(shù)字信道兩類。模擬信道是指傳輸話音等模擬信號(hào)的信道，數(shù)字信道是指能直接傳輸數(shù)字信號(hào)的信道。數(shù)字移動(dòng)通信信道屬于移動(dòng)環(huán)境下的無線數(shù)字信道。具體的物理信道與采用何種多址（接入）方式有關(guān)。頻分多址接入時(shí)的信道表現(xiàn)為頻道，時(shí)分多址接入時(shí)的信道表現(xiàn)為時(shí)隙，碼分多址接入時(shí)的信道表現(xiàn)為碼型。信道、時(shí)隙和碼型是多址連接信道的三種主要形式。2.多址接入與信道(2)數(shù)字移動(dòng)通信的信道由于頻分多址技術(shù)發(fā)展較早也最為成熟，因此早期的蜂窩系統(tǒng)建立在頻分多址的基礎(chǔ)之上。后來發(fā)展的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信，仍然采用蜂窩結(jié)構(gòu)，其時(shí)分多址系統(tǒng)是將頻分與時(shí)分相結(jié)合，綜合利用頻分和時(shí)分的優(yōu)點(diǎn)形成基于時(shí)分多址的系統(tǒng)；而碼分多址系統(tǒng)則是將頻分與碼分相結(jié)合，形成基于碼分多址的系統(tǒng)。例如，GSM系統(tǒng)就是在頻分蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在每個(gè)基站控制區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址的系統(tǒng)；而IS-95CDMA系統(tǒng)則是在頻分基礎(chǔ)上的碼分蜂窩系統(tǒng)。

就用戶之間建立信道而言，基于時(shí)分多址系統(tǒng)的信道是時(shí)隙，而基于碼分多址系統(tǒng)的信道是碼型。6.2FDMA方式1.FDMA系統(tǒng)原理FDMA為每一個(gè)用戶指定了特定信道，這些信道按要求分配給請求服務(wù)的用戶。在呼叫的整個(gè)過程中，其他用戶不能共享這一頻段。從圖6-2中可以看出，在頻分雙工（frequencydivisionduplex，F(xiàn)DD）系統(tǒng)中，分配給用戶一個(gè)信道，即一對(duì)頻道。一個(gè)頻道用作前向（下行）信道，即基站（BS）向移動(dòng)臺(tái)（MS）方向的信道；另一個(gè)則用作反向（上行）信道，即移動(dòng)臺(tái)向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號(hào)；任意兩個(gè)移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，因而必須同時(shí)占用2個(gè)信道（1對(duì)頻道）才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。圖6-2FDMA系統(tǒng)的工作示意圖1.FDMA系統(tǒng)原理圖6-3FDMA系統(tǒng)頻譜分隔示意圖1.FDMA系統(tǒng)原理FDMA系統(tǒng)的頻譜分割如下圖所示。在頻率軸上，前向信道占有較高的頻帶，反向信道占有較低的頻帶，中間為保護(hù)頻帶。在用戶信道之間，設(shè)有保護(hù)頻隙Δfg，以免因系統(tǒng)的頻率漂移造成頻道間的重疊。1.FDMA系統(tǒng)原理保證頻道之間不重疊（例如頻道間隔25kHz）是實(shí)現(xiàn)頻分雙工通信的基本要求。FDMA系統(tǒng)基于頻率劃分信道。每個(gè)用戶在一對(duì)頻道(f-f‘)中通信。若有其他信號(hào)的成分落入一個(gè)用戶接收機(jī)的頻道帶內(nèi)時(shí)，將造成對(duì)有用信號(hào)的干擾。就蜂窩小區(qū)內(nèi)的基站與移動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)而言，主要干擾有互調(diào)干擾和鄰道干擾。在頻率復(fù)用的蜂窩系統(tǒng)中，還要考慮同頻干擾。2.FDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)FDMA系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：每信道占用一個(gè)載頻，相鄰載頻之間的間隔應(yīng)滿足傳輸信號(hào)帶寬的要求。為了在有限的頻譜中增加信道數(shù)量，系統(tǒng)均希望間隔越窄越好。FDMA信道的相對(duì)帶寬較窄（25kHz或30kHz），每個(gè)信道的每一載波僅支持一個(gè)電路連接，也就是說FDMA通常在窄帶系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。符號(hào)時(shí)間遠(yuǎn)大于平均延遲擴(kuò)展。這說明符號(hào)間干擾的數(shù)量低，因此在窄帶FDMA系統(tǒng)中無需自適應(yīng)均衡。基站復(fù)雜龐大，重復(fù)設(shè)置收發(fā)信設(shè)備。基站有多少信道，就需要多少部收發(fā)信機(jī)，同時(shí)需用天線共用器，功率損耗大，易產(chǎn)生信道間的互調(diào)干擾。2.FDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)FDMA系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：FDMA系統(tǒng)每載波單個(gè)信道的設(shè)計(jì)，使得在接收設(shè)備中必須使用帶通濾波器允許指定信道里的信號(hào)通過，濾除其它頻率的信號(hào)，從而限制鄰近信道間的相互干擾。越區(qū)切換較為復(fù)雜和困難。因在FDMA系統(tǒng)中，分配好語音信道后，基站和移動(dòng)臺(tái)都是連續(xù)傳輸?shù)?，所以在越區(qū)切換時(shí)，必須瞬時(shí)中斷傳輸數(shù)十至數(shù)百毫秒，以把通信從一頻率切換到另一頻率。對(duì)于語音通信，瞬時(shí)中斷問題不大，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸則將帶來數(shù)據(jù)的丟失。6.3TDMA方式1.TDMA系統(tǒng)原理TDMA是在一個(gè)寬帶的無線載波上，把時(shí)間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時(shí)隙（無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），每個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)通信信道，分配給一個(gè)用戶。如圖6-4所示，系統(tǒng)根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在每幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)射信號(hào)（突發(fā)信號(hào)），在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)而互不干擾。同時(shí)，基站發(fā)向各個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸，各移動(dòng)臺(tái)只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在接收到的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分出來。圖6-4TDMA系統(tǒng)的工作示意圖1.TDMA系統(tǒng)原理2.TDMA的幀結(jié)構(gòu)

TDMA幀是TDMA系統(tǒng)的基本單元，它由時(shí)隙組成，在時(shí)隙內(nèi)傳送的信號(hào)叫做突發(fā)（burst），各個(gè)用戶的發(fā)射相互連成1個(gè)TDMA幀，幀結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-5所示。

從圖6-5可以看出，1個(gè)TDMA幀是由若干時(shí)隙組成的，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(gè)時(shí)隙），DECT系統(tǒng)的幀長為10ms（每幀24個(gè)時(shí)隙）。在TDMA/TDD系統(tǒng)中，幀信息中一半時(shí)隙用于前向鏈路；而另一半用于反向鏈路。在TDMA/FDD系統(tǒng)中，有一個(gè)完全相同或相似的幀結(jié)構(gòu)，要么用于前向傳送，要么用于反向傳送，但前向和反向鏈路使用的載頻是不同的。圖6-5TDMA幀結(jié)構(gòu)2.TDMA的幀結(jié)構(gòu)在TDMA系統(tǒng)中，每幀中的時(shí)隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常要考慮三個(gè)主要問題：一是控制和信令信息的傳輸；二是多徑衰落信道的影響；三是系統(tǒng)的同步。在GSM系統(tǒng)中，TDMA幀和時(shí)隙的具體構(gòu)成在第7章有詳細(xì)介紹。TDMA系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：3.TDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)突發(fā)傳輸?shù)乃俾矢撸h(yuǎn)大于語音編碼速率，每路編碼速率設(shè)為R，共N個(gè)時(shí)隙，則在這個(gè)載波上傳輸?shù)乃俾蕦⒋笥贜R。這是因?yàn)門DMA系統(tǒng)中需要較高的同步開銷。同步技術(shù)是TDMA系統(tǒng)正常工作的重要保證。發(fā)射信號(hào)速率隨N的增大而提高，如果達(dá)到100kbps以上，碼間串?dāng)_就將加大，必須采用自適應(yīng)均衡，以補(bǔ)償傳輸失真。TDMA用不同的時(shí)隙來發(fā)射和接收，因此不需要雙工器。即使使用FDD技術(shù)，在用戶單元內(nèi)部的切換器就能滿足TDMA在接收機(jī)和發(fā)射機(jī)間的切換，而無需使用雙工器。3.TDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)基站復(fù)雜性減小。N個(gè)時(shí)分信道共用一個(gè)載波，占據(jù)相同帶寬，只需一部收發(fā)信機(jī)，互調(diào)干擾小?？垢蓴_能力強(qiáng)，頻率利用率高，系統(tǒng)容量較大。越區(qū)切換簡單。由于在TDMA中移動(dòng)臺(tái)是不連續(xù)的突發(fā)式傳輸，所以切換處理對(duì)一個(gè)用戶單元來說是比較簡單的。因?yàn)樗梢岳每臻e時(shí)隙檢測其他基站，這樣越區(qū)切換可在無信息傳輸時(shí)進(jìn)行，因而沒有必要中斷信息的傳輸，即使傳輸數(shù)據(jù)也不會(huì)因?yàn)樵絽^(qū)切換而丟失。TDMA系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：例6.1：考慮每幀支持8個(gè)用戶且數(shù)據(jù)速率為270.833kbps的GSMTDMA系統(tǒng)，試求：(a)每一用戶的原始數(shù)據(jù)速率是多少？(b)在保護(hù)時(shí)間、跳變時(shí)間和同步比特共占用10.1kbps的情況下，每一用戶的傳輸效率是多少？解：(a)每用戶的原始數(shù)據(jù)速率：270.833kbps/8=43.854kbps(b)傳輸效率：1-10.1/43.854=70.2%例題許多系統(tǒng)綜合采用FDMA和TDMA技術(shù)，例如GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)采用200kHz的FDMA信道，并將其分成8個(gè)時(shí)隙，用于TDMA傳輸。例6.2：假定某個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)前向信道帶寬為50MHz的TDMA/FDD系統(tǒng)，并且將50MHz分為若干個(gè)200kHz的無線信道。當(dāng)一個(gè)無線信道支持16個(gè)語音信道，并且假設(shè)沒有保護(hù)頻隙時(shí)，試求出該系統(tǒng)所能同時(shí)支持的用戶數(shù)。解：在GSM中包含的同時(shí)用戶數(shù)為：

N＝(50MHz/200kHz)×16=4000因此，該系統(tǒng)能同時(shí)支持4000個(gè)用戶。例題例6.3：如果GSM使用每幀包含8個(gè)時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)，并且每一時(shí)隙包含156.25比特，在信道中數(shù)據(jù)的發(fā)送率為270.833kbps，求：(a)一比特的時(shí)長；(b)一時(shí)隙長；(c)幀長；(d)占用一個(gè)時(shí)隙的用戶在兩次發(fā)射之間必須等待的時(shí)間。解：(a)一比特時(shí)長Tb＝1/(270.833kbps)=3.692μs(b)一個(gè)時(shí)隙長Tslot＝156.25×Tb＝0.577ms(c)幀長Tf＝8×Tslot＝4.615ms(d)用戶必須等待4.615ms，在一個(gè)新幀到來之后才可進(jìn)行下一次發(fā)射。例題6.4CDMA方式1.CDMA系統(tǒng)原理CDMA系統(tǒng)為每個(gè)用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息。CDMA系統(tǒng)的地址碼相互正交，用于區(qū)別不同地址，而在頻率、時(shí)間和空間上都可能重疊。

系統(tǒng)的接收端必須有完全一致的本地地址碼，用來對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測。其他使用不同碼型的信號(hào)因?yàn)楹徒邮諜C(jī)本地產(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。它們的存在類似于在信道中引入了噪聲或干擾，通常稱之為多址干擾（MAI）。

在CDMA蜂窩系統(tǒng)中，用戶之間的信息傳輸也是由基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和控制的。為了實(shí)現(xiàn)雙工通信，正向傳輸和反向傳輸各使用一個(gè)頻率，即通常所謂的頻分雙工。無論正向傳輸或反向傳輸，除了傳輸業(yè)務(wù)信息外，還必須傳送相應(yīng)的控制信息。為了傳送不同的信息，需要設(shè)置相應(yīng)的信道。但是，CDMA蜂窩系統(tǒng)既不分頻道有不分時(shí)隙，無論傳送何種信息的信道都靠采用不同的碼型來區(qū)分。圖6-6是CDMA系統(tǒng)的工作原理示意圖。由此可知，地址碼在CDMA系統(tǒng)中的重要性。地址碼的設(shè)計(jì)直接影響CDMA系統(tǒng)的性能，為提高抗干擾能力，地址碼要用偽隨機(jī)碼（又稱為偽隨機(jī)（Pseudo-Noise）序列）。1.CDMA系統(tǒng)原理1.CDMA系統(tǒng)原理圖6-6CDMA系統(tǒng)的工作原理示意圖2.正交Walsh函數(shù)Walsh函數(shù)有著良好的互相關(guān)和較好的自相關(guān)特性。Walsh函數(shù)波形Walsh（沃爾什）函數(shù)是一種非正弦的完備函數(shù)系，其連續(xù)波形如圖6-7所示。由于它僅有兩個(gè)可能的取值：+1或-1，所以比較適合用來表示和處理數(shù)字信號(hào)。利用Walsh函數(shù)的正交性，可獲得CDMA的地址碼。圖6-7連續(xù)Walsh函數(shù)的波形2.正交Walsh函數(shù)2.正交Walsh函數(shù)若對(duì)圖6-7中的Walsh函數(shù)波形在8個(gè)等間隔上取樣，即得到離散Walsh函數(shù)，可用8×8的Walsh函數(shù)矩陣表示。采用負(fù)邏輯，即“0”用“+1”表示，“1”用“-1”表示，從上往下排列，圖6-7所示函數(shù)對(duì)應(yīng)的矩陣如式(6-2)所示，從中可見，變換行的次序后與下面所述的Walsh函數(shù)的矩陣相同。(6-2)2.正交Walsh函數(shù)Walsh函數(shù)矩陣（Hadamard矩陣）的遞推關(guān)系Walsh（沃爾什）函數(shù)可用Hadamard（哈達(dá)碼）矩陣H表示，利用遞推關(guān)系很容易構(gòu)成Walsh函數(shù)序列族。哈達(dá)碼矩陣H是由“1”和“0”元素構(gòu)成的正交方陣。在哈達(dá)碼矩陣中，任意兩行（列）都是正交的。這樣，當(dāng)把哈達(dá)碼矩陣中的每一行（列）看成一個(gè)函數(shù)時(shí)，則任意兩個(gè)函數(shù)之間也都是正交的，即互相關(guān)函數(shù)為零。因此，將M階哈達(dá)碼矩陣中的每一行定義為一個(gè)Walsh序列（又稱Walsh碼或Walsh函數(shù)）時(shí)，我們就得到M個(gè)Walsh序列。哈達(dá)碼矩陣有如下遞推關(guān)系：式中，M取2的冪；是的補(bǔ)。2.正交Walsh函數(shù)2.正交Walsh函數(shù)例如，當(dāng)M=64時(shí)，利用上述的遞推關(guān)系，就可得到64×64的Walsh序列（函數(shù)）。這些序列在IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)中被作為前向碼分信道。因?yàn)槭钦淮a，可供碼分的信道數(shù)等于碼長，即64個(gè)。在反向信道中，利用Walsh序列的良好互相關(guān)特性，64位的正交Walsh序列用做編碼調(diào)制。3.m序列偽隨機(jī)碼m序列的生成m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱，它是由帶線性反饋的移存器產(chǎn)生的周期最長的一種序列。它的周期P=2n-1（n是移位寄存器的級(jí)數(shù)）。m序列是一個(gè)偽隨機(jī)序列，具有與隨機(jī)噪聲類似的尖銳自相關(guān)特性，但它不是真正隨機(jī)的，而是按一定的規(guī)律形式周期性地變化。由于m序列容易產(chǎn)生、規(guī)律性強(qiáng)、有許多優(yōu)良的特性，因而在擴(kuò)頻通信和CDMA系統(tǒng)中最早獲得廣泛的應(yīng)用。m序列的發(fā)生器是由移位寄存器、反饋抽頭及模2加法器組成的。產(chǎn)生m序列的移位寄存器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不是隨意的，必須滿足一定的條件。圖6-8是一個(gè)由三級(jí)移位寄存器構(gòu)成的m序列發(fā)生器。圖6-8m序列產(chǎn)生電路m序列的生成m序列的特性m序列有許多優(yōu)良的特性，但我們注意關(guān)心它的隨機(jī)性和相關(guān)性。(1)m序列的隨機(jī)性

m序列一個(gè)周期內(nèi)“1”和“0”的碼元數(shù)大致相等(“1”比“0”只多一個(gè))。這個(gè)特性保證了在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，用m序列做平衡調(diào)制實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展頻譜時(shí)有較高的載波抑制制度。連“1”的游程和“0”的游程各占一半，而且只有一個(gè)包含n-1個(gè)“0”的游程，也只有一個(gè)包含n個(gè)“1”的游程。m序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的序列還是m序列，只是相位不同。m序列發(fā)生器中的移位寄存器的各種狀態(tài)，除全0外，其它狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)只出現(xiàn)一次。(2)m序列的自相關(guān)性對(duì)于一個(gè)周期為P=2n-1的m序列{an}（an取值1或0），m序列的自相關(guān)函數(shù)如下所述。

設(shè)m序列{an}與后移τ位的序列{an+τ}逐位模2加所得的序列{an+an+τ}中，“0”的位數(shù)為A（序列{an}和{an+τ}相同的位數(shù)），“1”的位數(shù)為D（序列{an}和{an+τ}不相同的位數(shù)），則自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算：顯然A+D=P。

可以推得m序列的自相關(guān)函數(shù)為：圖6-9m序列的自相關(guān)函數(shù)(2)m序列的自相關(guān)性由上圖可見，當(dāng)τ=0時(shí)，m序列的自相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值1；當(dāng)τ偏離0時(shí)，自相關(guān)函數(shù)曲線很快下降。當(dāng)周期P很大時(shí)，m序列的自相關(guān)函數(shù)與白噪聲類似。這一特性很重要，相關(guān)檢測就是利用這一特性，在“有”或“無”信號(hào)相關(guān)函數(shù)值的基礎(chǔ)上識(shí)別信號(hào)，檢測自相關(guān)函數(shù)值為1的碼序列。(3)m序列的互相關(guān)性m序列的互相關(guān)性是指相同周期的兩個(gè)不同m序列{an}、{bn}一致性的程度。其互相關(guān)值越接近于0，說明這兩個(gè)m序列差別越大，即互相關(guān)性越弱；反之，說明這兩個(gè)m序列差別較小，即互相關(guān)性較強(qiáng)。當(dāng)m序列用作CDMA系統(tǒng)的地址碼時(shí)，必須選擇互相關(guān)值很小的m序列組，以避免用戶之間的相互干擾，減小多址干擾（MAI）。(3)m序列的互相關(guān)性對(duì)于兩個(gè)周期為P=2n-1的m序列{an}和{bn}（an、bn取值1或0），其互相關(guān)函數(shù)描述如下：

設(shè)m序列{an}與后移τ位的序列{bn+τ}逐位模2加所得的序列{an+bn+τ}中，“0”的位數(shù)為A（序列{an}和{bn+τ}相同的位數(shù)），“1”的位數(shù)為D（序列{an}和{bn+τ}不相同的位數(shù)），則互相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算：顯然A+D=P。通常在實(shí)際應(yīng)用中，只關(guān)心互相關(guān)特性好的m序列對(duì)的特性。對(duì)于周期為的m序列組，其最好的m序列對(duì)的互相關(guān)函數(shù)值只取三個(gè)，這三個(gè)值是式中，，其中[]表示取實(shí)數(shù)的整數(shù)部分。這三個(gè)值被稱為理想三值。能夠滿足這一特性的m序列對(duì)稱為m序列優(yōu)選對(duì)，它們可以用于實(shí)際工程。(3)m序列的互相關(guān)性(3)m序列的互相關(guān)性在CDMA蜂窩系統(tǒng)中，可為每個(gè)基站分配一個(gè)PN序列（Pseudo-noiseSequence，偽噪聲序列），以不同的PN序列來區(qū)分基站地址；也可只用一個(gè)PN序列，而用PN序列的相位來區(qū)分基站地址，即每個(gè)基站分配一個(gè)PN序列的初始相位。IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)就是采用給每個(gè)基站分配一個(gè)PN序列的初始相位的方法。它用周期為215=32768個(gè)碼片的PN序列，每64個(gè)碼片為一個(gè)初始相位，共有32768/64=512種初始相位，分配給512個(gè)基站。CDMA蜂窩系統(tǒng)中，移動(dòng)用戶的識(shí)別需要采用周期足夠長的PN序列，以滿足對(duì)用戶地址量的需求。在IS-95CDMA蜂窩系統(tǒng)中采用的PN序列周期為242-1，這利用了m序列良好的自相關(guān)特性。4.CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)CDMA系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：CDMA系統(tǒng)的許多用戶共享同一頻率。通信容量大。從理論上講，信道容量完全由信道特性決定，但實(shí)際的系統(tǒng)很難達(dá)到理想的情況。因而不同的多址方式可能有不同的通信容量。CDMA是自干擾系統(tǒng)，任何干擾的減少都直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)容量的提高。因此，一些能降低干擾功率的技術(shù)，如語音激活技術(shù)等，可以自然地用于提高系統(tǒng)容量。軟容量特性。TDMA系統(tǒng)中同時(shí)可接入的用戶數(shù)是固定的，無法再多接入任何一個(gè)用戶；而DS-CDMA（直擴(kuò)CDMA）系統(tǒng)中，多增加一個(gè)用戶只會(huì)使通信質(zhì)量略有下降，不會(huì)出現(xiàn)硬阻塞現(xiàn)象。4.CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)CDMA系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：由于信號(hào)被擴(kuò)展在一較寬頻譜上，所以可減小多徑衰落。如果頻帶寬度比信道的相關(guān)帶寬大，那么固有的頻率分集將具有減小多徑衰落的作用。在CDMA系統(tǒng)中，信道數(shù)據(jù)速率很高。因此碼片時(shí)長通常比信道的時(shí)延擴(kuò)展小得多。因?yàn)镻N序列有很好的自相關(guān)性，所以大于一個(gè)碼片寬度的時(shí)延擴(kuò)展部分，可受到接收機(jī)的自然抑制；另一方面，如果采用分集接收最大比合并技術(shù)，可獲得最佳的抗多徑衰落效果。而在TDMA系統(tǒng)中，為克服多徑造成的碼間干擾，需要用復(fù)雜的自適應(yīng)均衡，均衡器的使用增加了接收機(jī)的復(fù)雜度，同時(shí)影響到越區(qū)切換的平滑性。4.CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)CDMA系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：軟切換和有效的宏分集。DS-CDMA系統(tǒng)中所有小區(qū)使用相同的頻率，這不僅簡化了頻率規(guī)劃，也使越區(qū)切換得以完成。每當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于小區(qū)邊緣時(shí)，同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的基站向該移動(dòng)臺(tái)發(fā)送相同的信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)的分集接收機(jī)能同時(shí)接收合并這些信號(hào)，此時(shí)處于宏分集狀態(tài)。當(dāng)某一基站的信號(hào)強(qiáng)于當(dāng)前基站信號(hào)且穩(wěn)定后，移動(dòng)臺(tái)才切換到該基站的控制上去，這種切換可以在通信的過程中平滑完成，稱為軟切換。低信號(hào)功率譜密度。在DS-CDMA系統(tǒng)中，信號(hào)功率被擴(kuò)展到比自身頻帶寬度寬得多的頻帶范圍內(nèi)，因而其功率譜密度大大降低。由此可得到兩方面的好處，其一，具有較強(qiáng)的抗窄帶干擾能力；其二，對(duì)窄帶系統(tǒng)的干擾很小，有可能與其他系統(tǒng)共用頻段，使有限的頻譜資源得到更充分的使用。4.CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)CDMA系統(tǒng)存在著兩個(gè)重要的問題：來自非同步CDMA系統(tǒng)中不同用戶的擴(kuò)頻序列不完全是正交的。這一點(diǎn)與FDMA和TDMA是不同的，F(xiàn)DMA和TDMA具有合理的頻率保護(hù)帶或保護(hù)時(shí)間，接收信號(hào)接近保持正交性，而CDMA對(duì)這種正交性是不能保證的。這種擴(kuò)頻碼集的非零互相關(guān)系數(shù)會(huì)引起各用戶間的相互干擾，即多址干擾（MAI），在異步傳輸信道以及多徑傳播環(huán)境中多址干擾將更為嚴(yán)重。CDMA系統(tǒng)存在著兩個(gè)重要的問題：遠(yuǎn)近效應(yīng)。許多移動(dòng)用戶共享同一信道就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。由于移動(dòng)用戶所在位置處于動(dòng)態(tài)的變化中，基站接收到的各用戶信號(hào)功率可能相差很大，即使各用戶到基站距離相等，深衰落的存在也會(huì)使到達(dá)基站的信號(hào)各不相同，強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)有著明顯的抑制作用，會(huì)使弱信號(hào)的接收性能很差甚至無法通信。這種現(xiàn)象就稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)。由于許多用戶共享頻道和時(shí)隙，所以有用信號(hào)和干擾信號(hào)將同時(shí)接入感興趣的信號(hào)帶寬內(nèi)，因而遠(yuǎn)近效應(yīng)特別嚴(yán)重。為了解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，在大多數(shù)CDMA實(shí)際系統(tǒng)中都使用了功率控制技術(shù)。6.5SDMA方式SDMA（空分多址）方式是通過空間的分割來區(qū)別不同用戶的，它利用無線的方向性波束將小區(qū)劃分成不同的子空間來實(shí)現(xiàn)空間的正交隔離。在移動(dòng)通信中，采用自適應(yīng)陣列天線是實(shí)現(xiàn)空間分割的基本技術(shù)，它可在不同用戶方向上形成不同的波束。SDMA使用不同的天線波束為不同區(qū)域的用戶提供接入。相同的頻率（在CDMA系統(tǒng)中)或不同的頻率（在FDMA系統(tǒng)中）用來服務(wù)于被天線波束覆蓋的這些不同區(qū)域。實(shí)際上，蜂窩系統(tǒng)中廣泛使用的多扇區(qū)劃分即可看作是SDMA一種雛形。在極限情況下，自適應(yīng)陣列天線具有極小的波束和無限快的跟蹤速度（類似于激光束），它可以實(shí)現(xiàn)最佳的SDMA。圖6-10SDMA系統(tǒng)的工作示意圖6.5SDMA方式在蜂窩系統(tǒng)中，SDMA反向鏈路設(shè)計(jì)比較困難，主要原因有兩個(gè)。由于每一用戶和基站間無線傳播路徑的不同，從每一用戶單元出來的發(fā)射功率動(dòng)態(tài)控制困難。發(fā)射受到用戶單元電池能量的限制，因此也限制了反向鏈路上對(duì)功率的控制程度。用在基站的自適應(yīng)天線，可以解決反向鏈路的一些問題。自適應(yīng)陣列天線提供了最理想的SDMA，提供了在本小區(qū)內(nèi)不受其他用戶干擾的唯一信道。盡管上述理想情況是不可實(shí)現(xiàn)的，它需要無限多個(gè)陣元，但采用適當(dāng)數(shù)目的陣元，也可以獲得較大的系統(tǒng)增益。6.5SDMA方式6.6OFDM多址方式1.OFDM-TDMA在OFDM-TDMA系統(tǒng)中，信息的傳送是按時(shí)域上的幀來進(jìn)行的，每個(gè)時(shí)間幀包含多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的寬度等于一個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間長度，有信息要傳送的用戶按各自的需求可以占用一個(gè)或多個(gè)OFDM符號(hào)。特點(diǎn)：OFDM-TDMA方案在特定OFDM符號(hào)內(nèi)將全部帶寬分配給一個(gè)用戶，不可避免地存在帶寬資源浪費(fèi)、頻率利用率較低和靈活性差等不足。OFDM-TDMA方案的信令開銷很大程度上取決于是否采用濾除具有較低信噪比子載波的技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制/編碼技術(shù)。OFDM是一種調(diào)制技術(shù)，但它本身與傳統(tǒng)的多址技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)多用戶OFDM系統(tǒng)，如OFDM-TDMA、OFDMA和多載波CDMA等。概念：通過為每個(gè)用戶提供部分不同的子載波來實(shí)現(xiàn)多用戶接入，也就是每個(gè)用戶分配一個(gè)OFDM符號(hào)中的一個(gè)子載波或一組子載波，以子載波頻率的不同來區(qū)分用戶。給用戶分配子載波有很多方法，使用最廣泛的有兩種：分組子載波（GroupedSubcarriers），如圖6-11(a)所示，即給每個(gè)用戶分配一組相鄰的子載波，其特點(diǎn)是比較簡單，用戶間干擾較小，但是受傳輸中信道衰落的影響比較大。間隔擴(kuò)展子載波（CombSpreadSubcarriers），如圖6-11(b)所示，即每個(gè)用戶分配到的子載波是間隔的，其特點(diǎn)是通過頻域擴(kuò)展，增加頻率分集，從而減少了信道衰落的影響。2.OFDMA(a)分組子載波方式(b)間隔擴(kuò)展子載波方式2.OFDMA圖6-11OFDMA子載波分配方式OFDMA系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：可以不受小區(qū)內(nèi)的干擾。它通過為小區(qū)內(nèi)的多用戶設(shè)計(jì)正交跳頻圖案來達(dá)到?？梢造`活地適應(yīng)帶寬的要求。它通過簡單地改變所使用的子載波數(shù)目就可以適應(yīng)特定的傳輸帶寬。可與動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)相結(jié)合，以支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸。2.OFDMA6.7隨機(jī)多址方式前面所述的多址方式是基于物理層的?；诰W(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分組數(shù)據(jù)隨機(jī)多址方式日顯重要。例如，在分組無線電系統(tǒng)中，任一發(fā)送用戶的分組在共用信道上發(fā)射，使用自由競爭規(guī)則隨機(jī)接入信道，接收方收到后發(fā)送確認(rèn)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了用戶之間的聯(lián)接。這種以自由競爭式的隨機(jī)接入，采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形式實(shí)現(xiàn)的多址連接方式稱為隨機(jī)多址。1．ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHAALOHA協(xié)議是一種最簡單的數(shù)據(jù)分組傳輸協(xié)議。規(guī)則：任何一個(gè)用戶隨時(shí)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送，它就立刻接入信道進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送結(jié)束后，在相同的信道上或一個(gè)單獨(dú)的反饋信道上等待應(yīng)答。如果在一個(gè)給定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，沒有收到對(duì)方的認(rèn)可應(yīng)答，則重發(fā)剛發(fā)的數(shù)據(jù)分組。問題：各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射是相互獨(dú)立的，即各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送與否與信道狀態(tài)無關(guān)，這樣在同一信道上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)分組發(fā)生碰撞的情況。時(shí)隙ALOHA協(xié)議將時(shí)間軸分成時(shí)隙，時(shí)隙大小大于或等于一個(gè)分組的長度。所有用戶都同步在時(shí)隙開始時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送。ALOHA和時(shí)隙ALOHA協(xié)議示意圖(a)ALOHA協(xié)議；(b)時(shí)隙ALOHA協(xié)議1．ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHA2．載波偵聽多址接入（CSMA）CSMA協(xié)議每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前，首先要偵聽信道是否有分組在傳輸。若信道空閑(沒