第10章多用戶通信解析

1、第 10 章 多用戶通信基本內容：多用戶通信近些年來得到了很大發(fā)展，特別是以衛(wèi)星通信、移動無線和基于擴頻的CDMA 等典型多址技術應用， 更具長足發(fā)展的前景。 本章主要介紹多用戶通信基本概念， 并重 點介紹幾種多址技術原理和應用，涉及內容較為廣泛，并直接聯(lián)系到專業(yè)技術。知識點及層次(1) M 多用戶通信概念和分類。(2) 復用 /多址的關系與多址原理。(3) 移動無線、衛(wèi)星通信和局域網等多址特點。(4) 三代移動通信中的多址技術概述。(5) 無線信道特征和多徑衰落環(huán)境下的分集技術10.1 關于多用戶通信多用戶通信近些年來得到了很大發(fā)展， 特別是以衛(wèi)星通信、 移動無線和基于 擴頻的 CDMA 等

2、典型多址技術應用，更具長足發(fā)展的前景。10.1.1 多用戶通信描述1. 通信資源正交分割與信道化( Channelization ) 信道不同域資源正交分割 通信資源從根本上說是傳輸信道可用帶寬，但為共享通信資源，可根據業(yè)務流量、性質和級別，將其從各種資源“域”進行均等或不均等分割，提供多個子信道。這種分割可在頻域、時域、空間)域，以及光傳輸波長，正交編碼，甚至時 -頻、空 -時等進行 “ 域”分割 其中，正交編碼、時 -頻復用基于擴頻技術，屬于攜帶信息的正交碼序列而使信 道同時提供全時、全頻帶的正交通信方式 ;空 -時編碼則并不等同于一般正交傳輸 方式。 由通信資源的正交分割，而提供大量子信

3、道，可實現(xiàn)多用戶通信， 并包括復用與多址模式。2. 多用戶通信（定義） 多個用戶通過一定接入方式和基于通信資源的某種正交分割方式， 同時共享該信道資源。 簡言之，多用戶通信就是一個通信信道被多個用戶同時使 用。 由定義，表明多用戶通信覆蓋廣泛的通信領域，并包括較為傳統(tǒng)的 各種復用和近些年大量發(fā)展的光波分復用， 各種多址模式和隨機接入 （多址） 方 式，以及廣播系統(tǒng)等。10.1.2 復用與多址特點1. 復用特點 在復用系統(tǒng)中，多用戶的接入、分插、交換、分路等操作，大都是 在固定地點集中完成。 各種多址模式， 從傳輸信道的共享角度， 都包含著不同的復用方式。2. “多址”的含義 在相應復用形式的基

4、礎上脫穎而出的多址技術，突出強調了多用戶 的“接入”特點 多用戶（比一般復用系統(tǒng)大得多的用戶數(shù)） 可在地球廣闊 領域（地、空、海域）實施個體分布性、遙遠分散性的靈活與隨機接入。多址模 式就是如此超出已有復用概念的特殊接入方式下的復用。3. 多址類型 類型 FDMA ，TDMA ，CDMA;SDMA ，PDMA;LAN 中多址技術一CSMA , CSMA - CD;ALOHA;光接入系統(tǒng)中的各種多址方式。 CDMA系列CDMA通常指基于擴頻調制技術的直接序列擴頻CDMA（ DS - CDMA ）,它與復用和FDMA、TDMA等多址概念的不同在于：CDMA 多用戶共享信道資源，并非信道本身的 “域

5、”資源正交分割，而是相互正交的 PN 碼（ m 序）系列為極大量多址用戶提供攜帶各自信碼的多址碼（地址）而達 到全時、全帶寬（DS - CDMA是同一個載波）的信道共享。光接入中的 CDMA 是在多用戶進入 ONU 中的運行模式采用 CDMA。4.3 種主要多址方式的示意表示下圖列出了 FDMA、 TDMA 和 CDMA 的多址模式低碼止仝叫zZ-時耐（c）CDMA中附跑逍劃妙（u） 1 DMA中的皿通劃好/時憎】TOMA中的劃分10.2 衛(wèi)星網的多址模式10.2.1 每載波多信道方式（MCPC ）衛(wèi)星系統(tǒng)中的單路單載波（SCPC ）方式的FDMA ; MCPC運行機制是 為多信宿（多個接收用

6、戶）預分配模式：FDM/FM/FDMA。10.2.2 衛(wèi)星系統(tǒng)TDMA的幀結構舉例1.適于歐洲A律PCM的高速TDMA幀結構 基于A律PCM E1基群幀結構的TDMA幀TDMA幀:利用PCM E1中的16個幀構成1個TDMA幀。幀周期:125 卩 s X 16 幀=2ms/TDMA 幀，幀比特數(shù):256 X 16=4096bit , 1 個 4096bit 的TDMA幀在PCM E1系統(tǒng)占2ms. INTELSAT 系統(tǒng)中 TDMA 幀1個TDMA高速數(shù)據幀占時間33.9卩s 衛(wèi)星高速數(shù)據比特率：RM=120.832Mbit/s或幀周期為Tf=33.9卩s2.適于北美洲的高速 TDMA 幀 基

7、于卩律PCM T1基群，同樣取16幀每幀193bit.1 個 TDMA 幀比特數(shù):193 x 16=3088bit 或 1.544 X 10 6 x 2ms=3088bit INTELSAT 系統(tǒng)中 TDMA 幀比特率仍為 RINT3. 匹配速率的壓一擴緩存器由于A律與卩律各16幀比特數(shù)，均以2ms時間映射到INTELSAT 高速TDMA幀結構時，分別占用33.9卩s和25.6卩s,因此各需一對匹配（緩沖） 速率的緩存器。進入緩存的速率分別為 2.048Mbit/s 和 1.544Mbit/s 兩緩存輸出比特率均為衛(wèi)星高速幀的比特率 RINT=120.832Mbit/s 。 接收端從高速幀中分

8、下的各比特流要進入相應的 PCM 解復用系統(tǒng)。 因此各4096和3088比特數(shù)據段仍各以2ms返回到PCM A律E1或卩律T1 基群系統(tǒng)。10.3 無線信道空間傳輸損耗10.3.1 直線傳播和自由空間損耗超高頻和微波波段信號的空間傳播， 會對信號帶來多種傳輸損傷、 很大 衰減和多徑衰落。1. 直線傳播損傷 衰減和失真 ;自由空間損耗;噪聲；大氣吸收；多徑和折射。2. 衰減因素第1章中給出了導向電磁信道的各波段及其波長。這里從雙絞線、電纜 到光纖、波導等傳輸媒體，都是導向媒體，而在自由空間長距離的電磁波傳播， 屬于非導向媒體傳輸；因此衰減是較為復雜的距離函數(shù)，并在地球周圍受到充滿 大氣層的影響。

9、傳播衰減主要影響因素是：傳播頻段f,傳播距離L,電磁波速率 C （近于光速）。1032自由空間傳播損耗1微波段信號遠程傳播如衛(wèi)星到地面約 36000km。信號波束隨傳播距 離而發(fā)散。上行鏈路的發(fā)射信號功率，由大功率速調管可達上千瓦，而衛(wèi)星轉發(fā) 器只能靠太陽能供電，由于衛(wèi)星表面積受限，因此下行鏈路發(fā)射功率很難達到上 百瓦。因此地球站接收信號功率不過微瓦級， 并且還包含了收、發(fā)天線增益幾十 個dB的補償效果。2.空間傳播損耗（dB）10.3.3多徑傳播和多徑衰落1.多徑傳播在第 1 章提到過天線輻射的信號以三種方式傳播 :地波、天波和空間波 后者即稱謂的直線波） ; 當電磁波遇有比其波長要大的障礙

10、物時，則發(fā)生反射 ; 并在該物體邊界進行衍射（繞射） ; 若障礙物尺寸不大于電磁波長，會發(fā)生散射，即散射成幾路弱信號 多徑衰落。2.多徑傳播后果 多徑到達的信號，由于相位不同，強弱相差很大，若無序混迭、相 位抵消，就使接收信號難以檢測與恢復質量良好的信息 ; 產生嚴重的碼間干攏（ ISI） ; 特別是在較高速度的移動臺天線發(fā)出的信號，運動方向、障礙物環(huán)境較快變化，多徑信號中主路徑不穩(wěn)定等因素導致的接收信號更難處理。3. 衰落類型 慢衰落（平坦衰落 flat fading ） 快衰落（ fast fading ） ; 選擇性衰落（ Selective fading ）。4. 衰落信道的 3 種類

11、型 輸媒體。本書各種傳輸系統(tǒng)，均是基于高斯信道進行性能分析。 高斯信道是最簡單的信道模型，同時它更符合于通信恒參傳 瑞利衰落信道 多徑衰落導致多條均很弱的路徑信號，而不存 在一條主路徑。 賴斯衰落信道 是較瑞利衰落利于處理的情況，它具有明顯的 主路徑和多個較弱的間接路徑。5. 多徑衰落環(huán)境下的信號接收 選用適當?shù)姆旨夹g與合并處理 自適應均衡 前向糾錯編碼 高性能傳輸技術 如 TCM ，復合編碼， OFDM 等10.4 隨機接入模式10.4.1 隨機接入模式的適應環(huán)境1.適用環(huán)境 在局域環(huán)境中的通信網，如 LAN （計算機局域網或無線數(shù)據網， WLAN ），由于覆蓋區(qū)域小，以寬帶高速網絡設備投

12、入并非昂貴 ;在網用戶數(shù)也 不算太多。因此傳統(tǒng)操作模式屬于 “面向無連接 ”通信方式，在高速（如帶寬 10M 或 100M ）、數(shù)據量不太大及非實時業(yè)務占多數(shù)情況下，這種隨機接入方式 較“面向連接 ”方式快捷簡便。2.廣播網與媒體接入控制協(xié)議（ MAC ） 通信網兩大類型 : 交換網（電路交換與分組交換、報文交換）和廣播 網。 廣播網之所以簡單，是網中所發(fā)出的所有信息均可被其所有用戶所 接收。因此就不像交換網那樣建立連接或按路由表尋路、尋址，而是直接尋址、 選路，將信息傳給特定用戶。 MAC 協(xié)議就是使多個用戶（站點）共享同一傳輸 媒體，而各能尋址所望接收用戶的接入機制。 多用戶對通信資源或傳

13、輸媒體的共享， 基本方式有兩種 : 第一類是靜 態(tài)而無碰撞的 信道化機制（如各種復用 /多址） ;第二種是基于分組數(shù)據的 媒體動態(tài)共享方式， 以適應突發(fā)業(yè)務。將這類方式稱作 “媒體接入控制 ”（MAC ） 機制。 MAC 協(xié)議的兩種常用形式 隨機接入和預定方式。10.4.2 隨機接入和預訂方式1. ALOHA （屬隨機接入） 純 ALOHA時隙 ALOHA （S - ALOHA ）2.預定 ALOHA （R - ALOHA ）對于P - ALOHA和S - ALOHA均因媒體利用率低，若某用戶業(yè)務 量大將會使分組數(shù)據產生很大延時變化。 采用預定方式，利用率將不受 S max 限 制。一般每個站

14、點均可隨時利用預定子時隙 v（v 一般只占 1個分組長度 L bit 時間的 5%）3.輪詢10.4.3 載波偵聽隨機接入(多址) 由于 ALOHA 系統(tǒng)因碰撞和盡量避免碰撞耗費了帶寬和時間，各種 ALOHA 的效率都很低。載波偵聽多址技術的幾種模式CSMA、CSMA - CD和CSMA - CA，都是通過偵聽信道上有否載波，使各站點據情況來決定能達到成 功發(fā)送信息的時機。1. CSMA 1 堅持CSMA (1 - persistent CSMA )為盡快發(fā)送，各站點一直在偵聽， 一旦空閑便即發(fā)送分組。 多站點均如此做， 則因碰撞而失敗的概率 很大。 非堅持CSMA (non persiste

15、nt CSMA )偵聽的站點，如果檢測到信道有載波， 則即執(zhí)行 “退后”(補償)算法，而重新預定下次偵聽時間。 當然如果信道空閑則即發(fā)送。這樣較 1-堅持等待時間長而減少碰撞。 p 堅持CSMA綜合上述兩種CSMA方式，某欲發(fā)送信息的站點，偵聽遇忙后仍繼續(xù)偵聽，直至遇閑后，貝U以概率 p發(fā)送其分組，以1-p繼 續(xù)等待系統(tǒng)最大傳播延時 tmax 后再行偵聽。2. CSMA - CD10.5 蜂窩無線通信原理蜂窩無線移動通信已有三代技術應用和國際標準，其中 “1G ”系統(tǒng)模擬移動系統(tǒng)，已基本淘汰 ; “2G ”系統(tǒng)為目前主流應用，以 GSM 網為代表主要利用 TDMA 多 址模式 ;同時也推廣了窄

16、帶 CMDA 。 “3G ”系統(tǒng)是目前營造寬帶 CDMA 移動通信環(huán)境的主流技術。相繼 推出三個國際性標準：W CDMA , cdma 2000和TD SCDMA，將在全球以三足 鼎立之勢爭奪“3G ”市場和未來發(fā)展。10.5.1 蜂窩無線網構成特征下圖是圍繞基站子系統(tǒng)（ BSS ）的數(shù)字移動通信系統(tǒng)的基本組成部分STM用戶標熾模塊VLR詢問皆位松欝斥器1移動臺（MS）是移動系統(tǒng)中直接由用戶使用的移動設備，并分為“手機”和車載臺兩種功能執(zhí)行接入無線網、控制與處理主被叫通信；提供人一機接口送、受話器、顯示器與鍵盤；適配器一與計算機、其他設備連接，獨立上網功能注冊與管理具備用戶識別號碼，并由電話局

17、一次性注入相應移動臺。內置包括用戶信息的 SIM卡（Subscriber Identity Module ）。2.基站分系統(tǒng)（BSS）是無線移動網的通信部分的所有地面基礎設施BSS通過無線接口與移動臺連接，通過基站控制器（BSC ）與移動交換中心連接;BSS完成無線發(fā)送、 接收和管理功能，還接受網管系統(tǒng)控制。3. 交換子系統(tǒng)（MSS） MSS包括移動交換中心（MSC）和存儲用戶數(shù)據和移動管理信息庫。MSS 還管理移動網中用戶與其他通信網的通信。4. 操作和維護分系統(tǒng)以電信管理網TMN的概念規(guī)定管理目標，網內所有操作維護設備形成一個完 整的系統(tǒng)，對網內業(yè)務控制設備進行全面管理。10.5.2蜂窩小

18、區(qū)特點1.蜂窩形狀），有效覆蓋率大采用六邊形小區(qū)（hexagohal cellpattern七小區(qū)蜂窩制中心小區(qū)與周邊 6個小區(qū)天線間等距離小區(qū)中心到各頂角距離等于邊長，便于合理的重復使用（reuse ）頻率2. 頻率重用根據總頻率數(shù)與小區(qū)規(guī)模確定小區(qū)簇大小如N=7。這樣若網絡總頻率數(shù) 為395個，則各小區(qū)平均頻率數(shù)目為 395/7=56個。一般小區(qū)分配1050個頻 率。同一重用頻率小區(qū)天線間最小距離 D=4.6R 。3. 小區(qū)容量及其擴展 當小區(qū)移動用戶增多而移動網頻率數(shù)有限， 小區(qū)可能發(fā)生堵塞， 解決辦法如下 :開通未使用的頻道 ;頻率借用動態(tài)調用鄰近頻率不緊張小區(qū)的頻率。 蜂窩小區(qū)分割將

19、小區(qū)再分割為微小區(qū)， 甚至微微小區(qū)， 仍為六角形 結構。如：通常蜂窩小區(qū)為6.513km (半徑)，可分割為最小為1.5km的微小 區(qū)。蜂窩小區(qū)扇形化 ( Cell Sectoring )如在小區(qū)中心向每隔一個頂角 連線分成的 3個扇區(qū)構成 3個平行四邊形 ;若向每個頂角連線則形成 6個楔形(銳 角正三角形)。 微蜂窩小區(qū)( microcells )僅有 1.0km 或幾百米范圍的微小區(qū)，基 站功率將大大降低，體積也更小，甚至掛在電桿上。10.5.4 蜂窩系統(tǒng)中的 CDMA 1. 基于擴頻的 CDMA在第 9 章已經具體討論了基于擴頻碼PN 序列的偽隨機性和擴展帶寬的特點而實現(xiàn)的特殊調制方式。

20、 正交編碼也是 CDMA 常用的擴頻碼， 如 Walsh-Hadarmad （沃爾什 -哈德 瑪）碼，是由n呦方陣的各行構成。如IS-95 （2G）系統(tǒng)窄帶CDMA前向鏈路 64個邏輯信道采用64 04Walsh矩陣的64bit正交碼來區(qū)分信道（號碼）。當 用這種互相關系數(shù)P =0的正交碼作為多址碼時，當各用戶碼片不能保持同步時， 則彼此不再正交，引起很大自干擾。（參見下面例 10-10 與例 10-11 ）。蜂窩系統(tǒng)的CDMA采用直接序列擴頻（DS-SS ），總的系統(tǒng)帶寬中，前 向、反向信道各占一半。前向信道，對于數(shù)據和話音是以 8.55kbit/s 附加檢錯位 后為 9.6kbit，再進行

21、（nO，k0，N） = （2，1，9）卷積編碼，速率為 19.2kbit/s， 并進行一定交織深度的塊交織編碼20ms的24 X16陣列，則速率為19.2kbit/s 。 IS-95系統(tǒng)的DS-SS功能是，將19.2kbit/s的信息流，利用64 W4Walsh矩陣中的1行將 Rb =19.2kbit/s擴展到Rc =64Rb =64 x19.2=1.228Mbit/s 。 發(fā)送信號以 QPSK 調制方式，發(fā)射速率為 1.228Mbit/s 的射頻信號 （到移動站用戶）。2.蜂窩 CDMA 特點與優(yōu)點 任何用戶可全時、全頻帶利用系統(tǒng)具有軟容量特點，可方便地增加用戶數(shù)，但同時也提高了背景噪聲電平

22、， 性能隨之下降。抗多徑衰落，特別是因帶寬大，抗頻率選擇性能強。 PN碼具有極短的碼片寬度Tc,比信道相關時間小得多，因為PN序列有 低自相關性，因此超過一個碼片 Tc 的同步延時被認為是噪聲，可利用 Rake 機 進行分集接收。移動用戶越過小區(qū)邊界采用軟切換方式。3. 蜂窩 CDMA 缺點 自干擾 N 個用戶在一個小區(qū)內， 對于接收者來說若各個 PN 碼不能 完全相干，而會對其產生 N-1 倍于接收信號功率的干擾量。因此擴頻處理增益 Gp必須以它提供的干擾容限Jm來“吃掉”這一自干擾，并做到Jm/(N-1 )尚有 余量來抗外來干擾。遠-近效應( near-far effect )這是 DS-

23、SS CDMA 多用戶共用同一 頻道所特有的問題。 如基站接收各移動站信號， 距其近的站較距其遠的站接收信 號強度大，因此強接收信號就提高了弱信號在基站解調器的背景噪聲電平。功率控制針對遠 -近效應，蜂窩移動系統(tǒng)采用了功率控制，如基站 向小區(qū)內各移動站不斷發(fā)出 800Hz 導頻，各移動站憑收到導頻電平大小，向相 反大小調整發(fā)射信號電平，以達到基站收到遠近不同移動站的電平趨于相等。4. 軟切換( soft handoff )（1）軟切換 :是 CDMA 系統(tǒng)特有的越區(qū)切換功能，移動用戶在越過小區(qū)邊界 時，未放棄舊小區(qū)通道之前便獲得新進小區(qū)的通道。（2）軟切換過程 :DS/CDMA 系統(tǒng)中沒有頻率

24、重用問題，鄰區(qū)干擾不大，因此 軟切換機制將通話中的移動臺臨時連接到鄰近多個基站。 在通話且行走的移動用 戶若正在走近小區(qū)的邊界， 則就進入了一個能比較來自兩個基站的傳輸 （在某一 相互的門限值中）的區(qū)域中，這時該移動機就進入了連接兩基站的軟切換狀態(tài)， 直到被一個基站明確地控制， 于是移動用戶以及對話雙方均無所察覺地完成了越 區(qū)切換。（ 3）MSC 主導軟切換在軟切換狀態(tài)中， 從上述移動臺到兩個基站的比較傳輸 狀態(tài)均被送至 MSC ，由 MSC 進行比較來擇其。在軟切換中的移動臺對話及 數(shù)據信息， MSC 均發(fā)給兩基站轉發(fā)給移動臺，移動臺由同時接收的兩路信息來 恢復收取信號。10.5.5 跳頻模

25、式的 CDMA（FHMA）跳頻方式同樣可提供多用戶共享同一寬帶資源的多址應用， 并且能體現(xiàn) 更多優(yōu)勢。通常，將基于擴頻的 CDMA 稱為擴頻多址（ SSMA ），又將基于直接 序列的擴頻多址稱為 CDMA ，而基于跳頻的 CDMA 稱為跳頻多址（ FHMA ）。1. FHMA機理跳載頻的控制源為PN序列以k個碼片的碼組去控制頻率合成器，隨機產生 N=2k 個跳載頻，并且該載頻數(shù)等于該 FHMA 系 統(tǒng)的跳頻處理增益，即Gp=2k無論是慢跳頻（SFH）或快跳頻（FFH ），碼元符號轉換時刻總是 與跳頻同步;由 PN序列的k碼片提供的2k個跳載頻，即2k個跳頻信道，收發(fā) 端在PN發(fā)生器與頻率合成器間均有相同的“信道表”，如下圖所示。每次跳頻所對應的信道表中2k個信道號的一個號碼，收、發(fā)雙方通過同步系統(tǒng)總是準確 對應的，因此任何隨機跳頻，當解擴時總能恢復出原MFSK符號的頻率（解擴）2. FHMA特點和優(yōu)勢可以不像TDMA那樣要求嚴格的網同步，屬于系統(tǒng)的異步傳輸方式。 PN序列所提供的跳頻數(shù)取決于 PN碼周期和碼片