《移動通信概論》課件-移動通信概論-第6章

移動通信概論信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院授課人：xxx第6章多址接入技術(shù)通過本章學(xué)習(xí)，著重解決以下問題：多址接入原理在無線通信環(huán)境中的電波覆蓋區(qū)內(nèi)，如何建立用戶之間的無線信道的連接多址接入方式及特點(diǎn)FDMATDMACDMASDMA等對多址接入技術(shù)有一個(gè)全面深入的理解6.1概述1、多址接入概念（1）問題情景：假設(shè)一間屋子中有很多人，每個(gè)人都想說話，如果所有人同時(shí)說話，那么想聽清楚別人說什么很困難。如果其中有人提高聲音，其他人也會隨之提高聲音，最終沒有人能聽到別人在說什么。6.1概述1、多址接入概念從接收到的無線信號中識別出本用戶地址信號的方式。討論：基站多路工作、移動臺單路工作通過基站同時(shí)建立各自的信道，從而實(shí)現(xiàn)移動臺之間或移動臺與市話用戶之間的多址連接。多址接入方式的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是信號的正交分割原理每個(gè)人輪流說話－>(TDMA)分組，每組使用不同的語言－>(CDMA)分組，每組占居房間的一角－>(SDMA)討論（續(xù)）當(dāng)正交參量僅考慮時(shí)間、頻率和碼型時(shí)，無線電信號寫成與多路復(fù)用不同點(diǎn)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)。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態(tài)的用戶地址。6.1概述下面分別給出了個(gè)信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意圖6.1概述2、多址接入與信道（1）物理信道——傳輸信息的通道頻道、時(shí)隙和碼型是多址連接信道的三種主要形式。（2）數(shù)字移動通信的信道

模擬蜂窩：頻分多址數(shù)字蜂窩：如利用頻分和時(shí)分的優(yōu)點(diǎn)形成基于時(shí)分多址的系統(tǒng)；將頻分與碼分相結(jié)合，形成基于碼分多址的系統(tǒng)。6.1概述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。在頻分雙工（FDD：frequencydivisionduplex）系統(tǒng)中，分配給用戶一個(gè)信道，即一對頻道。一個(gè)頻道用作前向（下行）信道，即基站（BS）向移動臺（MS）方向的信道；另一個(gè)則用作反向（上行）信道，即移動臺向基站方向的信道。任意兩個(gè)移動用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，即必須同時(shí)占用2個(gè)信道（1對頻道）才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。6.2FDMA方式FDMA系統(tǒng)的工作示意圖6.2FDMA方式FDMA系統(tǒng)頻譜分隔示意圖6.2FDMA方式2、FDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)①每信道占用一個(gè)載頻，相鄰載頻之間的間隔應(yīng)滿足傳輸信號帶寬的要求。②符號時(shí)間遠(yuǎn)大于平均延遲擴(kuò)展。③基站復(fù)雜龐大，重復(fù)設(shè)置收發(fā)信設(shè)備。④FDMA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通過，濾除其它頻率的信號，從而限制鄰近信道間的相互干擾。

⑤越區(qū)切換較為復(fù)雜和困難。6.2FDMA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。系統(tǒng)根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，使各個(gè)移動臺在每幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)射信號（突發(fā)信號），在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以在各時(shí)隙中接收到各移動臺的信號而互不干擾。同時(shí)，基站發(fā)向各個(gè)移動臺的信號都按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中傳輸，各移動臺只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號（TDM信號）中把發(fā)給它的信號區(qū)分出來。6.3TDMA方式TDMA系統(tǒng)的工作示意圖6.3TDMA方式頻率時(shí)間頻率時(shí)間頻率時(shí)間頻率時(shí)間2、TDMA的幀結(jié)構(gòu)由時(shí)隙組成，在時(shí)隙內(nèi)傳送的信號叫做突發(fā)（burst），各個(gè)用戶的發(fā)射相互連成1個(gè)TDMA幀，是TDMA系統(tǒng)的基本單元。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。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。6.3TDMA方式TDMA幀結(jié)構(gòu)6.3TDMA方式幀幀幀TDMA幀結(jié)構(gòu)6.3TDMA方式3、TDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)①突發(fā)傳輸?shù)乃俾矢?，遠(yuǎn)大于語音編碼速率。②發(fā)射信號速率隨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。③TDMA用不同的時(shí)隙來發(fā)射和接收，因此不需要雙工器。④基站復(fù)雜性減小。⑤抗干擾能力強(qiáng)，頻率利用率高，系統(tǒng)容量較大。⑥越區(qū)切換簡單。6.3TDMA方式例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=33.854kbps(b)傳輸效率：1-10.1/33.854=70%6.3TDMA方式例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。6.3TDMA方式例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)—比特時(shí)長Tb＝1/270.833kbps=3.692μs(b)—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。6.3TDMA方式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，這些地址碼相互正交，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，用來對接收的信號進(jìn)行相關(guān)檢測。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）。

6.4CDMA方式CDMA系統(tǒng)的工作原理示意圖頻率時(shí)間頻率時(shí)間頻率時(shí)間頻率時(shí)間6.4CDMA方式CDMA系統(tǒng)的工作原理示意圖頻率時(shí)間頻率時(shí)間頻率時(shí)間頻率時(shí)間碼字一碼字二碼字三6.4CDMA方式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)是一種非正弦的完備函數(shù)系。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。利用Walsh函數(shù)的正交性，可獲得CDMA的地址碼。若對圖中的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。6.4CDMA方式連續(xù)Walsh函數(shù)的波形6.4CDMA方式如圖所示函數(shù)對應(yīng)的矩陣如下式所示，從中可見，變換行的次序后與下面所述的Walsh函數(shù)矩陣的相同。6.4CDMA方式2、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，特點(diǎn)：任意兩行（列）都是正交的。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。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。6.4CDMA方式哈達(dá)碼矩陣有如下遞推關(guān)系：式中，M取2的冪；是的補(bǔ)。6.4CDMA方式3、m序列偽隨機(jī)碼（1）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。

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)由三級移位寄存器構(gòu)成的m序列發(fā)生器。6.4CDMA方式3級移位寄存器m序列產(chǎn)生電路6.4CDMA方式一般的m序列產(chǎn)生電路D1D2D3Dn…+C0=1C1C2C3Cn=16.4CDMA方式m序列設(shè)計(jì)級數(shù)n周期P反饋系數(shù)Ci（八進(jìn)制）37134152353145,67,75663103,147,1557127203,211,217,235,277,313,325,345,3678255435,453,537,543,545,551,703,74795111021,1055,1131,1157,1167,11751010232011,2033,2157,2443,2745,34711120474005,4445,5023,5263,6211,736312409510123,11417,12515,13505,14127,1505313819120033,23261,24633,30741,32535,37505141638342103,51761,55753,60153,71147,674011532767100003,110013,120265,133663,1423056.4CDMA方式（1）m序列的特性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))。連“1”的游程和“0”的游程各占一半，而且只有一個(gè)包含個(gè)“0”的游程，也只有一個(gè)包含個(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。6.4CDMA方式m序列的自相關(guān)性自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算式中，A為“0”位數(shù)或相同的位數(shù)；D為“l(fā)”位數(shù)或不相同的位數(shù)。顯然P=A+D。6.4CDMA方式m序列的自相關(guān)函數(shù)6.4CDMA方式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{}、{}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)。用m序列作為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MAI。互相關(guān)函數(shù)可由下式計(jì)算：6.4CDMA方式通常在實(shí)際應(yīng)用中，只關(guān)心互相關(guān)特性好的m序列對的特性。對于周期為的m序列組，其最好的m序列對的互相關(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序列對稱為m序列優(yōu)選對，它們可以用于實(shí)際工程。6.4CDMA方式4、CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)①CDMA系統(tǒng)的許多用戶共享同一頻率。②通信容量大。③軟容量特性。④由于信號被擴(kuò)展在一較寬頻譜上，所以可克服窄帶干擾。⑤在CDMA系統(tǒng)中，信道數(shù)據(jù)速率很高。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。⑥軟切換和有效的宏分集。⑦低信號功率譜密度。6.4CDMA方式4、CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)CDMA系統(tǒng)存在著兩個(gè)重要的問題多址干擾（MAI）不同用戶的擴(kuò)頻序列不完全正交、非同步影響等。遠(yuǎn)近效應(yīng)由于移動用戶所在位置處于動態(tài)的變化中，基站接收到的各用戶信號功率可能相差很大，即使各用戶到基站距離相等，深衰落的存在也會使到達(dá)基站的信號各不相同。====》強(qiáng)信號對弱信號有著明顯的抑制作用，會使弱信號的接收性能很差甚至無法通信。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。6.5SDMA方式SDMA系統(tǒng)的工作示意圖

6.5SDMA方式在蜂窩系統(tǒng)中，反向（上行）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。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。6.6OFDM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。特點(diǎn)：OFDM-TDMA方案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)。6.6.2OFDM多址方式2、OFDMA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）方法，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。和間隔擴(kuò)展子載波（CombSpreadSubcarriers），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。(a)分組子載波方式(b)間隔擴(kuò)展子載波方式6.6.2OFDM多址方式6.6.2OFDM多址方式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?？膳c動態(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。6.7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。1．ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHAALOHA和時(shí)隙ALOHA協(xié)議示意圖(a)ALOHA協(xié)議；(b)時(shí)隙ALOHA協(xié)議2．載波偵聽多址（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(沒有檢測到載波)，才可以發(fā)送；若信道忙，則按照設(shè)定的準(zhǔn)則推遲發(fā)送。在CSMA協(xié)議中，當(dāng)檢測到信道忙時(shí)，有幾種處理辦法：一是暫時(shí)放棄檢測信道，并等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)延，在新的時(shí)刻重新檢測信道，直到檢測到空閑信道，該協(xié)議稱為非堅(jiān)持CSMA；二是堅(jiān)持繼續(xù)檢測信道直至信道空閑，一旦信道空閑則以概率1發(fā)送分組，該協(xié)議稱為1-堅(jiān)持CSMA；三是繼續(xù)檢測信道直至信道空閑，此時(shí)以概率p發(fā)送分組，以1-p推遲發(fā)送，該協(xié)議稱為p-堅(jiān)持CSMA。2．載波偵聽多址（CSMA）CSMA協(xié)議示意圖3．預(yù)約隨