第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)課件

1、移動(dòng)通信原理與應(yīng)用第七章 移動(dòng)通信中的多址接入技術(shù)1第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)主要內(nèi)容概述FDMA方式TDMA方式CDMA方式SDMA方式系統(tǒng)容量習(xí)題2第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)掌握多址接人的基本概念和多址接入方式；掌握FDMA技術(shù)的原理及系統(tǒng)的特點(diǎn)，了解FDMA系統(tǒng)中的干擾問題；掌握TDMA技術(shù)的原理及系統(tǒng)的特點(diǎn)，熟悉TDMA的幀結(jié)構(gòu)，了解TDMA系統(tǒng)的同步與定時(shí)；掌握CDMA技術(shù)的原理及系統(tǒng)的特點(diǎn)，熟悉正交Walsh函數(shù)、m序列、Gold序列；了解空分多址（SDMA）技術(shù)的原理；掌握系統(tǒng)容量的定義，熟悉FDMA, TDMA和CDMA系統(tǒng)容量的分析與比較。 3第七章移動(dòng)通信中多

2、址接入技術(shù) 問題描述： 移動(dòng)通信系統(tǒng)中基站的多路工作和移動(dòng)臺(tái)單路工作形成了移動(dòng)通信的一大特點(diǎn)。 1)基站以怎樣的信號(hào)傳輸方式發(fā)送信號(hào)，使各移動(dòng)臺(tái)能從中識(shí)別發(fā)送給本移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)？（下行） 2)基站如何識(shí)別來自各個(gè)不同移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)？（上行） 3）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同時(shí)建立各自的信道（多址連接） 7.1概述4第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.1概述 多址概念：以信道區(qū)分通信對(duì)象，一個(gè)信道只容納一個(gè)用戶進(jìn)行通話，不同的用戶同時(shí)進(jìn)行通話，互相以信道來區(qū)分。多址接入：如何建立用戶之間的無線信道的連接。 多址方式是移動(dòng)通信網(wǎng)體制范疇，關(guān)系到系統(tǒng)容量，小區(qū)構(gòu)成，頻譜和信道利用效率以及系統(tǒng)

3、復(fù)雜性。5第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.1概述多址接入的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)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碼型函數(shù)6第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.1概述基本概念多址接入與信道分類頻分多址(FDMA),頻道劃分,頻帶獨(dú)享,時(shí)間共享時(shí)分多址(TDMA),時(shí)隙劃分,時(shí)隙獨(dú)享,頻率共享碼分多址(CDMA),碼型劃分，時(shí)隙、頻率共享空分多址(SDMA),空間角度劃分,頻率/時(shí)隙/碼共享7第七章移動(dòng)通信中多址接入技

4、術(shù)SDMAFDMATDMACDMA8第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.1概述頻分雙工(FDD, Frequency Division Duplex)時(shí)分雙工(TDD, Time Division Duplex)9第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)雙工方式收發(fā)如何復(fù)接在一起頻分雙工-FDD：上下行信流在不同的頻段同時(shí)傳送。沒有同步問題；上下行鏈路信道衰落相互獨(dú)立；需用雙工器來分離上下行信號(hào)。時(shí)分雙工-TDD：上下行信流在不同的時(shí)隙交替?zhèn)魉?。雙工裝置簡(jiǎn)單； 一個(gè)方向上的信號(hào)傳輸可用于另一個(gè)方向的信道測(cè)量；上下行鏈路之間的帶寬分配靈活；需要同步，并要考慮收發(fā)無線切換的時(shí)間；需保護(hù)時(shí)隙來防止上下行時(shí)隙混疊；引

5、起額外的延時(shí)和緩沖器的開銷；碼分雙工-CDD：用正交和半正交碼來分離上下行鏈路。半正交碼不能克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”；正交碼的正交性在多徑信道中被惡化；在任何現(xiàn)有系統(tǒng)中沒被采用過。10第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.2 頻分多址方式7.2.1 系統(tǒng)原理頻分多址（Frequency Division Multiple Access- FDMA): 頻道劃分，頻帶獨(dú)享，時(shí)間共享 11第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.2 頻分多址方式12第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.2 頻分多址方式FDMA系統(tǒng)的頻譜管理FDD, Frequency Division Duplex.反向信道 保護(hù)頻帶 前向信道保護(hù)頻隙f1

6、f2 fN f1 f2 fN 13第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.2 頻分多址方式無線通信系統(tǒng)的多址接入方式14第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.2 頻分多址方式7.2.2 FDMA系統(tǒng)中的干擾問題互調(diào)干擾非線性效應(yīng)線性度，頻率規(guī)劃鄰道干擾寄生輻射頻道間隔同頻道干擾同頻小區(qū)蜂窩結(jié)構(gòu)15第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.2 頻分多址方式7.2.3 FDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)1.單路單載波傳輸：每個(gè)頻道只傳送一路業(yè)務(wù)信息。載波間隔必須滿足業(yè)務(wù)信息傳輸帶寬的要求。2.信號(hào)連續(xù)傳輸：在分配好話音信道后，基站和移動(dòng)臺(tái)同時(shí)連續(xù)不斷的發(fā)送和接收。3.需要周密的頻率規(guī)劃，是一個(gè)頻道受限和干擾受限系統(tǒng)。4.實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無需自

7、適應(yīng)均衡。5.基站需要多個(gè)收發(fā)信道設(shè)備,越區(qū)切換復(fù)雜。6.頻率利用率低，容量小。16第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址7.3.1時(shí)分多址系統(tǒng)原理 （Time Division Multiple Access- TDMA): 時(shí)隙劃分，時(shí)隙獨(dú)享，頻率共享 17第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3時(shí)分多址GSM系統(tǒng)的幀長(zhǎng)為4.6ms（每幀8個(gè)時(shí)隙），每一個(gè)時(shí)隙分配給一個(gè)用戶。18第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址時(shí)分復(fù)用各個(gè)移動(dòng)臺(tái)在上行幀內(nèi)只能按指定的時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)。為了保證在不同傳播時(shí)延情況下，各移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站處的信號(hào)不會(huì)重疊，通常上行時(shí)隙內(nèi)必須有保護(hù)間隔，在該間隔內(nèi)不傳送

8、信號(hào)。基站按順序安排在預(yù)定的時(shí)隙中向各移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信息。19第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址7.3.2 TDMA的幀結(jié)構(gòu) 保護(hù)間隙20第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址 TDMA/TDD:一個(gè)幀.反向信道 保護(hù)間隙 前向信道保護(hù)時(shí)隙t1 t2 tN t1 t2 tN 移動(dòng)臺(tái)A 基站基站 移動(dòng)臺(tái)B21第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)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延時(shí)3個(gè)時(shí)隙移動(dòng)臺(tái)A 基站基站 移動(dòng)臺(tái)A 22第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址 GSM手機(jī)是沒有雙工器的： GS

9、M系統(tǒng)上行傳輸所用的幀號(hào)和下行傳輸所用的幀號(hào)相同，但上行幀相對(duì)于下行幀來說，在時(shí)間上推后三個(gè)時(shí)隙，這樣安排，允許移動(dòng)臺(tái)在這3個(gè)時(shí)隙的時(shí)間里，進(jìn)行幀調(diào)整以及對(duì)收發(fā)信機(jī)的調(diào)諧和轉(zhuǎn)換。23第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址7.3.3 TDMA系統(tǒng)的同步與定時(shí)位同步針對(duì)每個(gè)時(shí)隙，接收機(jī)解調(diào)所需方法（1）用專門的信道傳輸 （2）插入業(yè)務(wù)信道中傳輸幀同步針對(duì)每個(gè)幀，進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用所需方法：在每幀的前面設(shè)置一個(gè)同步碼同步碼的要求：傳輸效率高（碼短） 同步可靠性、抗干擾強(qiáng)（碼長(zhǎng)） 建立時(shí)間短、錯(cuò)誤捕獲概率小、同步保持時(shí)間長(zhǎng)、失步概率小矛盾24第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址系統(tǒng)定時(shí)避免

10、因定時(shí)誤差隨時(shí)間積累引起失步全網(wǎng)同步，時(shí)間基準(zhǔn)主從同步（所有設(shè)備，包括手機(jī)）獨(dú)立時(shí)鐘同步（基站或大型設(shè)備）25第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.3 時(shí)分多址7.3.4 TDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)突發(fā)傳輸速率高語音編碼速率，NR bit/s；發(fā)射信號(hào)速率隨N的增大而提高,需要自適應(yīng)均衡；不需雙工器；基站復(fù)雜性減小，只需一部收發(fā)信機(jī)；頻率利用率高，容量大越區(qū)切換簡(jiǎn)單26第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.1 系統(tǒng)原理 碼分多址（Code Division Multiple Access- CDMA):碼形劃分，時(shí)隙、頻率共享 27第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址CDMA系統(tǒng)工作原理2

11、8第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址29第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.2 正交Walsh函數(shù)Walsh函數(shù)波形30第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.2 正交Walsh函數(shù)遞推關(guān)系31第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址H8和H8正交上行鏈路下行鏈路32第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.2 正交Walsh函數(shù)同步時(shí)，Walsh碼是完全正交碼（自相關(guān)函數(shù)為1，互相關(guān)函數(shù)為0）在非同步情形下，Walsh碼的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性很差Walsh碼序列的功率譜分布彼此不均勻;所以不能單獨(dú)承擔(dān)擴(kuò)頻任務(wù)，通常采用Walsh碼與Gold序列的結(jié)

12、合33第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機(jī)碼：生成m序列是最長(zhǎng)線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱；m序列是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)的碼序列。在二進(jìn)制移位寄存器發(fā)生器中，若n為級(jí)數(shù)，則所能產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度的碼序列為2n-1位。34第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機(jī)碼：產(chǎn)生電路35第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機(jī)碼：性質(zhì)在m序列中一個(gè)周期內(nèi)“1”的數(shù)目比“0”的數(shù)目多 l位; 一般說來，m序列中長(zhǎng)為k(1 k n 2)的游程數(shù)占游程總數(shù)的l2km序列和其位移序列模2加后仍為m序列；m序列

13、發(fā)生器中的移位寄存器的各狀態(tài)中，除全0外，其他狀態(tài)在一個(gè)周期中只能出現(xiàn)一次。36第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機(jī)碼：自相關(guān)和互相關(guān)m序列的自相關(guān)函數(shù)由下式計(jì)算(p = 2n 1):m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生m序列?？偨Y(jié)：m序列的自相關(guān)性很好，但互相關(guān)性不好并為多值，好的m序列數(shù)目很少37第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機(jī)碼：自相關(guān)性互相關(guān)計(jì)算ai=1110100與bi=1110010t=0時(shí),ai+ bi=0000110,A=5,D=2,Rc=3/7t=1時(shí),ai+ bi=1001101,A=3,D=4,Rc=-

14、1/738第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.4 Gold序列R.Gold 于1967年提出的一種基于m序列優(yōu)選對(duì)的碼序列;有較優(yōu)良的自相關(guān)和互相關(guān)特性，構(gòu)造簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的序列數(shù)多，因而獲得了廣泛的應(yīng)用;如有兩個(gè)m序列，它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值有界，且滿足以下條件： 稱這一對(duì)m序列為優(yōu)選對(duì)。39第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.4 Gold序列:發(fā)生電路40第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.4 Gold序列:特性相關(guān)特性：優(yōu)良自相關(guān)峰尖銳，互相關(guān)函數(shù)值-t(n)/P數(shù)量：多，2n+1周期P=2n-1平衡性：好一個(gè)周期內(nèi)，“1”碼元個(gè)數(shù)比“0”碼元個(gè)數(shù)

15、僅多一個(gè) = 平衡調(diào)制時(shí)抑制載波峰平比n為奇時(shí),有2n-1+1個(gè);n為偶時(shí),有2n-1+2n-2+1個(gè)41第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.5 CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)共享頻率；通信容量大；容量具有軟特性；CDMA是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)，任何降低干擾的方法將增加容量，同時(shí)降低QoS要求也將增加容量減小多徑衰落；（頻率分集）平滑的軟切換和有效的宏分集低信號(hào)功率譜密度42第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址 擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的干擾抑制的能力，常用擴(kuò)頻增益表示系統(tǒng)的抗干擾能力： Bw為擴(kuò)頻信號(hào)帶寬； Bs為信息帶寬； (C/N)o和(C/N)i為擴(kuò)頻解調(diào)器輸出和輸入載波噪聲功率比。 43

16、第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.4碼分多址7.4.5 CDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)主要問題有多址干擾由不同步用戶的擴(kuò)頻序列間不正交性，導(dǎo)致非零互相關(guān)系數(shù)引起用戶間的相互干擾遠(yuǎn)近效應(yīng)強(qiáng)用戶信號(hào)對(duì)弱用戶信號(hào)的明顯抑制作用解決方法有多用戶接收機(jī)功率控制分布式天線系統(tǒng)44第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.6 系統(tǒng)容量定義在一定的頻段內(nèi)所能提供的最大信道數(shù)，或最大用戶數(shù)，或系統(tǒng)流入話務(wù)量總和與信道的載頻間隔、每載頻的時(shí)隙數(shù)、頻率資源和頻率復(fù)用方式、及基站設(shè)置方式有關(guān)無線容量m是衡量無線系統(tǒng)頻譜效率的參數(shù)載波干擾功率比C/I和帶寬Bc Btm 信道/小區(qū) BcNBt系統(tǒng)總頻譜， Bc信道帶寬，N簇的大小45第七章移動(dòng)

17、通信中多址接入技術(shù)7.6三種多址方式系統(tǒng)容量比較（一） FDMA多址方式的系統(tǒng)容量： 以模擬TACS系統(tǒng)為例， 系統(tǒng)總頻段帶寬：1.25MHz； 頻道間隔：25kHz; 信道總數(shù)：1.25MHz/25kHz=50; 簇內(nèi)小區(qū)數(shù)：N=7; 系統(tǒng)容量：m=50/7=7.1信道/小區(qū)。 46第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.6三種多址方式系統(tǒng)容量比較（二） TDMA多址方式的系統(tǒng)容量： 以數(shù)字GSM系統(tǒng)為例， 系統(tǒng)總頻段帶寬：1.25MHz； 頻道間隔：200kHz; 每載頻時(shí)隙數(shù)：8； 信道總數(shù)：1.25MHz/200kHz*8=50; 簇內(nèi)小區(qū)數(shù)：N=4; 系統(tǒng)容量：m=50/4=12.5信道/小

18、區(qū)。 47第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.6三種多址方式系統(tǒng)容量比較（三） CDMA多址方式的系統(tǒng)容量： 由于CDMA系統(tǒng)是一個(gè)干擾受限的系統(tǒng)，它的頻率復(fù)用因子可以為1，對(duì)其系統(tǒng)容量的分析更為復(fù)雜，我們將簡(jiǎn)單進(jìn)行推導(dǎo)。 CDMA的載波干擾比（C/I）：N0為干擾（包括噪聲）的功率譜密度；Eb為每比特信號(hào)能量； Rb為信息的比特速率；W為總頻段寬度。 歸一化信噪比系統(tǒng)的處理增益48第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.6三種多址方式系統(tǒng)容量比較（四）在單小區(qū)時(shí)，考慮上行鏈路的容量，假設(shè)理想的功率控制（即在上行鏈路對(duì)所有移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率進(jìn)行控制，使到達(dá)基站接收機(jī)的信號(hào)功率均相同），則基站接收機(jī)的載波干擾比： Pr為基站接收到的每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)功率，m 為同時(shí)工作的移動(dòng)臺(tái)數(shù)。 則最大的一個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)為： 49第七章移動(dòng)通信中多址接入技術(shù)7.6三種多址方式系統(tǒng)容量