多址接入技術(shù)課件

第6章多址接入技術(shù)現(xiàn)代移動通信BTS總體方案設(shè)計報告AbisA接口MSBSSOMC-R操作維護中心BSC基站控制器MSC移動交換中心BTS基站收發(fā)信機BTS基站收發(fā)信機BTS基站收發(fā)信機MSMSUm第6章多址接入技術(shù)現(xiàn)代移動通信BTS總體方案設(shè)計報告Ab1多址接入技術(shù)

所謂多址技術(shù)就是使多個用戶接入并共享同一個無線通信信道,以提高頻譜利用率的技術(shù)。即把同一個無線信道按照時間、頻率等進行分割,使不同的用戶都能夠在不同的分割段中使用這一信道,而又不會明顯地感覺到他人的存在,就好像自己在專用這一信道一樣。占用不同的分割段就像是擁有了不同的地址,使用同一信道的多個用戶就擁有了多個不同的地址。這就是多址技術(shù),亦稱多址接入技術(shù)。

多址接入技術(shù)所謂多址技術(shù)就是使多個用戶接入并共享同一2多址接入技術(shù)實現(xiàn)多址技術(shù)的主要方式多址方式的基本類型有三種，即頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA及它們的混合應(yīng)用。

多址接入技術(shù)實現(xiàn)多址技術(shù)的主要方式多址方式的基本類型有三種，3頻分多址（FDMA）—以頻率區(qū)分信道FDMA是以不同的頻率信道來實現(xiàn)多址通信

頻分多址技術(shù)按照頻率來分割信道,即給不同的用戶分配不同的載波頻率以共享同一信道。頻分多址技術(shù)是模擬載波通信、微波通信、衛(wèi)星通信的基本技術(shù),也是第一代模擬移動通信的基本技術(shù)。在FDMA系統(tǒng)中,信道總頻帶被分割成若干個間隔相等且互不相交的子頻帶(地址),每個子頻帶分配給一個用戶,每個子頻帶在同一時間只能供給一個用戶使用,相鄰子頻帶之間無明顯的干擾。頻分多址（FDMA）—以頻率區(qū)分信道FDMA是以不同的頻率信4

☆FDMA通信系統(tǒng)的工作示意圖☆FDMA通信系統(tǒng)的工作示意圖5FDMA在移動通信中，最典型的頻分多址方式有北美800MHz的AMPS體制，歐洲與我國900MHz的TACS體制。主要技術(shù)特點每個信道傳送一路電話，帶寬較窄。TACS為25KHz，AMPS為30KHz。當(dāng)系統(tǒng)為移動臺分配了信道，移動臺與基站之間會連續(xù)不斷收、發(fā)信號。由于收發(fā)信機同時工作，為了收發(fā)隔離，必須使用雙工器。公用設(shè)備成本高，F(xiàn)DMA采用每載波（信道）單路方式，一個基站30個信道，則每基站需要30套收發(fā)信機設(shè)備，不能公用。F1F2F1F2Fn…FnfFDMAF1F2F1F2Fn…Fnf6時分多址（TDMA）TDMA是以不同的時隙實現(xiàn)多址通信

時分多址技術(shù)按照時隙來劃分信道,即給不同的用戶分配不同的時間段以共享同一信道。時分多址技術(shù)是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信和第二代移動通信的基本技術(shù)。在TDMA系統(tǒng)中,時間被分割成周期性的幀,每一幀再分割成若干個時隙(地址)。無論幀或時隙都是互不重疊的。然后,根據(jù)一定的時隙分配原則,使各個移動臺在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號,在滿足定時和同步的條件下,基站可以分別在各時隙中接收到各移動臺的信號而互不混擾。同時,基站發(fā)向多個移動臺的信號都按順序安排,在預(yù)定的時隙中傳輸。各移動臺只要在指定的時隙內(nèi)接收,就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分出來。時分多址（TDMA）TDMA是以不同的時隙實現(xiàn)多址通信7

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時分多址（TDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖☆時分多址（TDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖8TDMA在移動通信中，最典型的時分多址方式有北美D-AMPS與歐洲和我國GSM-900，DCS-1800及日本的PDC。主要技術(shù)特點每載波8個時隙信道，每個信道可提供一個數(shù)字語音用戶，因此每個載波最多可提供8個用戶；采用突發(fā)脈沖序列傳輸，每個移動臺發(fā)射是不連續(xù)的，只有在規(guī)定的時隙內(nèi)才發(fā)送脈沖序列；傳輸開銷大，GSM幀結(jié)構(gòu)分為時隙、TDMA幀、復(fù)幀、超幀和超高幀5個層次，每個層次需占用一些非信息位的開銷，總開銷比較大。T1T2T1T2Tn…TntTDMAT1T2T1T2Tn…Tnt9

碼分多址技術(shù)按照碼序列來劃分信道,即給不同的用戶分配一個不同的編碼序列以共享同一信道,即使用不同的信號波形區(qū)分不同的用戶。碼分多址技術(shù)是第二代移動通信的演進技術(shù)和第三代移動通信的基本技術(shù)。在CDMA系統(tǒng)中,每個用戶被分配給一個唯一的偽隨機碼序列(擴頻序列),各個用戶的碼序列相互正交,因而相關(guān)性很小,由此可以區(qū)分出不同的用戶。與FDMA劃分頻帶和TDMA劃分時隙不同,CDMA既不劃分頻帶又不劃分時隙,而是讓每一個用戶使用系統(tǒng)所能提供的全部頻譜,因而CDMA采用擴頻技術(shù)能夠使多個用戶在同一時間、同一載頻以不同碼序列來實現(xiàn)多路通信。CDMA示意圖如圖所示。碼分多址（CDMA）碼分多址技術(shù)按照碼序列來劃分信道,即10碼分多址（CDMA）CDMA以不同的碼序列來實現(xiàn)多址通信碼分多址（CDMA）CDMA以不同的碼序列來實現(xiàn)多址通信1112

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碼分多址（CDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖12☆碼分多址（CDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖12CDMACDMA與FDMA、TDMA劃分的形式不同，F(xiàn)DMA與TDMA屬于一維（頻域或時域）劃分，CDMA屬于二維（時、頻域）劃分。CDMA的地址劃分是基于特征，CDMA中所有用戶可同時占用同一時隙、同一頻段，只要它們具有可分離的各自特征。區(qū)分用戶的特征是用戶地址碼的相關(guān)特性。移動通信中，最典型的碼分多址方式有：2G的窄帶CDMA系統(tǒng)（IS-95體制）；3G的寬帶CDMA系統(tǒng)（cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA體制）CDMA13多址技術(shù)多址技術(shù)14

以上三種多址技術(shù)相比較,CDMA技術(shù)的頻譜利用率最高,所能提供的系統(tǒng)容量最大,它代表了多址技術(shù)的發(fā)展方向;其次是TDMA技術(shù),目前技術(shù)比較成熟,應(yīng)用比較廣泛;FDMA技術(shù)由于頻譜利用率低,將逐漸被TDMA和CDMA所取代,或者與后兩種方式結(jié)合使用,組成TDMA/FDMA、CDMA/FDMA方式。以上三種多址技術(shù)相比較,CDMA技術(shù)的頻譜利用率最15FDMA、TDMA、CDMA三種系統(tǒng)容量比較2）無線小區(qū)容量的m計算

m=B/(N*?f)(單位為：信道/小區(qū))其中B為頻帶寬帶，?f為頻道間隔，N為cluster中小區(qū)數(shù)。a）模擬TACS系統(tǒng)（FDMA）

信道間隔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mFDMA=50/7=7.1（信道/小區(qū)）1)系統(tǒng)容量的定義：指能容納的用戶總數(shù)或系統(tǒng)最大容納的信道數(shù)或系統(tǒng)輸入話務(wù)量（愛爾蘭）。假設(shè)B=1.25MHz,則：FDMA、TDMA、CDMA三種系統(tǒng)容量比較2）無線小區(qū)容量16b）數(shù)字GSM系統(tǒng)，采用TDMA方式信道間隔

200kHz

每載頻時隙數(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mTDMA=50/4=12.5（信道/小區(qū)）c）數(shù)字CDMA系統(tǒng)

CDMA的基礎(chǔ):擴頻通信技術(shù)與CDMA多址技術(shù)FDMA、TDMA、CDMA三種系統(tǒng)容量比較為了進一步說明為什么采用擴頻技術(shù)以支持CDMA，從而贏得系統(tǒng)容量和質(zhì)量，我們先來了解擴頻通信技術(shù)。b）數(shù)字GSM系統(tǒng)，采用TDMA方式c）數(shù)字CDMA系統(tǒng)FD17擴頻通信技術(shù)擴頻通信的基本概念擴頻通信的理論基礎(chǔ)數(shù)字信號擴頻原理擴頻的實現(xiàn)方法擴頻通信技術(shù)18擴頻通信SS:SpreadSpectrum，指擴展頻譜的通信擴頻通信定義擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式；發(fā)端采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的帶寬收端采用與發(fā)端相同的擴頻碼進行相關(guān)解調(diào)和解擴，恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴頻通信的基本概念擴頻通信擴頻通信的基本概念19發(fā)送信息的頻譜被展寬發(fā)送的信息通過擴頻，將信號能量擴展到很寬的頻帶上，使擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達l00~1000，屬于寬帶通信；擴頻方法：擴頻碼序列調(diào)制數(shù)字脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬。如果很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號；該窄脈沖序列稱為擴頻信號，即擴頻碼序列；接收端相關(guān)解調(diào)解擴接收端則用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關(guān)解擴，恢復(fù)所傳信息。擴頻通信定義的三個概念發(fā)送信息的頻譜被展寬擴頻通信定義的三個概念20問題的提出：在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，我們總是想方設(shè)法使信號所占頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資源的利用率。那么為什么還要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信息呢?擴頻通信理論基礎(chǔ)問題的回答：利用擴頻實現(xiàn)碼分多址方式。在傳統(tǒng)的TDMA和FDMA之外又提供了一種新的多址方式。問題的提出：擴頻通信理論基礎(chǔ)問題的回答：21香農(nóng)(Shanon)公式擴頻通信是以香農(nóng)公式的理論發(fā)展起來的一種通信方式；香農(nóng)公式：C=Blog2(1+S/N)=1.44Bln

(1+S/N)C為信道容量，單位為b/s；B為傳輸?shù)男盘栴l帶寬度，單位為Hz；S為信號平均功率，N為噪聲平均功率；香農(nóng)公式反映的重要結(jié)論：頻帶B和信噪比可以互換；采用擴頻信號進行通信的優(yōu)越性在于用擴展頻譜的方法可以換取信噪比上的好處。擴頻通信理論基礎(chǔ)香農(nóng)(Shanon)公式擴頻通信理論基礎(chǔ)22信息傳輸差錯概率的公式Pe

f（Eb/N0）Pe是信號能量Eb與噪聲功率譜密度N0之比的函數(shù)信號的傳輸差錯概率是輸入信號的信噪比和信號帶寬與信息帶寬之比二者乘積的函數(shù)增加信號的頻帶寬度，可在較低的信噪比的條件下以任意小的差錯概率來傳輸信息；再次說明信噪比和帶寬是可以互換的。同樣說明了通過增加帶寬可換取信噪比的好處。擴頻通信理論基礎(chǔ)信息傳輸差錯概率的公式擴頻通信理論基礎(chǔ)23數(shù)字信號的波形與頻譜幅度為+1，持續(xù)時間為Tb的數(shù)字矩形脈沖R(t)經(jīng)Fourier變換后的頻譜為是sinx/x類型的函數(shù)數(shù)字信號擴頻原理第1零點位于1/Tb，表示該信號的能量集中在第1零點內(nèi)。它所占的頻帶寬度與Tb的大小相關(guān)，當(dāng)脈沖越寬，其頻譜帶寬越窄。數(shù)字信號的波形與頻譜數(shù)字信號擴頻原理第1零點位于1/Tb，表24幅度為+1和-1，持續(xù)時間為Tb的周期性脈沖R(t)，其頻譜包絡(luò)的形狀與單矩形脈沖完全一樣;第1零點處的頻率正好為該周期性脈沖的傳輸速率1/Tb數(shù)字信號擴頻原理幅度為+1和-1，持續(xù)時間為Tb的周期性脈沖R(t)，其頻譜25

擴展周期性脈沖的頻譜方法將頻譜的1/Tb第1零點向無限遠推，即增大1/Tb的值；減小數(shù)字脈沖的持續(xù)時間，縮小Tb的值。減小Tb值等價于提高數(shù)字信號的傳輸速率1/Tb，擴展了信號的頻譜。數(shù)字信號擴頻原理擴展周期性脈沖的頻譜方法數(shù)字信號擴頻原理26數(shù)字信號擴頻過程高速數(shù)字碼序列C(t)對用戶低速信息數(shù)據(jù)調(diào)制低速信息數(shù)據(jù)的脈沖持續(xù)時間為Tb，其時間長度是TC的N倍。Tb=N·TC高速碼序列C(t)乘上信息數(shù)據(jù)d(t)，最后得到的信號y(t)頻譜與高速碼序的頻譜相同，起到頻譜擴展的作用。y(t)=di(t)Ci(t)數(shù)字信號擴頻原理數(shù)字信號擴頻過程數(shù)字信號擴頻原理27數(shù)字信號擴頻原理符號+1-1+1-1-1-1-1+1+1+1擴頻解擴頻碼片di（t）Ci（t）yi（t）-1+1yr（t）Ci（t）dr（t）接收的信號為：yr（t）=di（t）·Ci（t）解擴輸出信號dr（t）=yr（t）·Ci（t）=di（t）·Ci（t）·Ci（t）=di（t）數(shù)字信號擴頻原理符號+1-1+1-1-128擴頻抗干擾原理擴頻解調(diào)器利用本地地址碼的相關(guān)性作解擴處理，有用信號頻譜被恢復(fù)為窄帶譜;窄帶干擾信號則在解擴過程中被擴展成為寬帶譜。解調(diào)后有用信號為窄帶譜，無用信號和干擾為寬帶譜，可以借助于解調(diào)后濾波器去除帶外的無用信號，帶內(nèi)的信噪比就可以大大提高，起到了抑制干擾和無用信號的目的。擴頻調(diào)制信道擴頻解調(diào)d(t)d(t)c(t)c(t)-Rb(t)-Rb(t)Rb(t)Rb(t)-Rc(t)Rc(t)干擾-Rc(t)Rc(t)AABBCCDDy(t)yr(t)干擾擴頻抗干擾原理擴頻解調(diào)器利用本地地址碼的相關(guān)性作解擴處理，有29擴頻因子定義：SF=Bw/Bs擴頻系統(tǒng)的處理增益，反映了擴頻系統(tǒng)信噪比的改善程度。擴頻增益與抗干擾容限Bw為擴頻信號帶寬，Bs為信息帶寬。擴頻增益Gp定義為：擴頻因子擴頻增益與抗干擾容限Bw為擴頻信號帶寬，Bs為信息帶30DS-SS：直接序列擴頻發(fā)端直接用高速碼序列去擴展輸入信息的帶寬FH：跳頻用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變；發(fā)端信息碼序列與擴頻碼序列組合構(gòu)造的不同碼字控制頻率合成器，使其輸出頻率根據(jù)碼字的改變而改變，形成了頻率的跳變。TH：跳時用一定碼序列進行選擇的多時片時移鍵控；時間軸分為多個時片，哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列進行控制。由于發(fā)送信號采用的時片很窄，也就展寬了信號的頻譜。擴頻的實現(xiàn)方法DS-SS：直接序列擴頻擴頻的實現(xiàn)方法31隱蔽性和保密性抗干擾和抗多徑衰落能力強實現(xiàn)多址技術(shù)、增加容量、提高頻率復(fù)用率。占用頻帶較寬，系統(tǒng)復(fù)雜性增加。擴頻通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特點隱蔽性和保密性擴頻通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特點32擴頻碼選擇

擴頻通信當(dāng)中，擴頻碼常常采用偽隨機序列。1.偽隨機序列

偽隨機序列（PN：Pseudorandom-Noise）碼具有類似噪聲序列的性質(zhì)，是一種貌似隨機但實際上是有規(guī)律的周期性二進制序列。

擴頻碼選擇33對PN碼的要求PN碼序列的碼片長度決定擴展頻譜的寬度，直接影響擴頻系統(tǒng)的性能。在直接擴頻系統(tǒng)中對PN碼有如下要求：＊PN碼的比特率應(yīng)能滿足擴展帶寬的需要；＊PN碼的自相關(guān)要大，互相關(guān)要小。＊PN碼應(yīng)具有近似噪聲的頻譜性質(zhì)，近似連續(xù)譜，

且均與分布。PN碼有一個很大的家族，如m序列、Gold序列、M序列、R-S碼和復(fù)合碼等，經(jīng)常使用的主要有m序列和Gold序列。CDMA系統(tǒng)中擴頻碼采用m序列。PN碼可通過邏輯電路得到。對PN碼的要求PN碼序列的碼片長度決定擴展頻譜的寬度，34m序列：最長線性反饋移位寄存器序列。m序列組成：n級移位寄存器、適當(dāng)?shù)某轭^反饋和模2加法器；n級移位寄存器產(chǎn)生的最大長度的碼序列：P=2n–1位n級移位寄存器：2n–1個狀態(tài)（除去全零狀態(tài)）生成多項式Gn(x)=C0X0+C1X1+C2X2+…+CnXnm序列m序列：最長線性反饋移位寄存器序列。m序列35碼的平衡性好一個周期內(nèi)“1”和“0”的個數(shù)大體相同（1比0多1個）m序列與其移位后的序列模2加所得的序列仍為m序列，但相位不同舉例：0111001向左移兩位再模2加所得序列仍為m序列，相位移了一位m序列特性碼的平衡性好m序列特性36長度為k的游程占總游程的1/2k（1kn-2）

連續(xù)為1和0的那些元素稱為游程。游程中元素個數(shù)為游程長度。一個m序列的周期為：P=2n–1，在該周期內(nèi)：長度為1的（單個“0”和單個“1”）游程占總游程的1/2長度為2（00和11）的游程占總游程的1/4長度為3（000和111）的游程占總游程的1/8兩個游程例外：（n–1）個連“0”的游程只有一個

n個連“1”的游程只有一個m序列特性長度為k的游程占總游程的1/2k（1kn-2）m37周期為15的m序列的游程分布情況。m序列111101011001000的游程分布情況周期為15的m序列的游程分布情況。m序列11110101138m序列的自相關(guān)性考察某個m序列與其后移位的序列的相似性。m序列與其移位后的序列逐位模2加所得序列中，“0”的位數(shù)為A，“1”的位數(shù)為D：A：0的個數(shù)（對應(yīng)于碼元相同的數(shù)目）；D：1的個數(shù)（對應(yīng)于碼元不同的數(shù)目）；P=A+D（序列周期長度）Ra()Ra()11-1/PP位移比特0m序列特性m序列的自相關(guān)性Ra()Ra()11-1/PP位移比特39m序列特性m序列自相關(guān)特性應(yīng)用m序列特性m序列自相關(guān)特性應(yīng)用40

IS-95CDMA系統(tǒng)給每個基站分配一個PN序列的初始相位，該PN序列周期為2^15-1=32767個碼片的m序列，每64個碼片為一個初始相位，共有512個初始相位，分配給512個基站。由于PN碼序列對互相關(guān)性都不夠好,CDMA系統(tǒng)選用自相關(guān)性好的PN碼作為擴頻碼及基站與用戶地址碼,又另選互相關(guān)性好（處處為0）的Walsh碼作為信道地址碼?；ハ嚓P(guān)性定義為相同周期的不同m序列對之間的一致性；互相關(guān)值不等于0，且呈現(xiàn)多值性m序列對互相關(guān)特性差別很大，不能實際使用

m序列特性IS-95CDMA系統(tǒng)給每個基站分配一個PN41Walsh函數(shù)Walsh函數(shù)是一種非正弦的完備正交函數(shù)系，由于它僅有可能的取值+1和-1（或0，1），比較適合用來表達和處理數(shù)字信號，它可由遞推公式產(chǎn)生，以證明其正交性的數(shù)學(xué)家Walsh命名的。遞推公式：Walsh函數(shù)Walsh函數(shù)是一種非正弦的完備正交函數(shù)系，由42Walsh碼的正交特性Walsh碼的正交特性43碼分多址系統(tǒng)的容量分析理論上CDMA系統(tǒng)不受載頻頻道資源的限制，因為一個載頻可有N個碼分信道。因而CDMA系統(tǒng)的無線容量不再由頻率資源決定而是由總干擾量決定，稱為干擾受限系統(tǒng)，總的干擾量大，容量就小，反之，亦然?？偢蓴_量是基于基站接收機總的接收干擾總量，因而CDMA系統(tǒng)容量的計算亦是基于基站接收機總的接收干擾量，即基于基站接收機的輸出載干比C/I

是每一信道在滿足性能指標(biāo)下所需的輸入載干比，取決于系統(tǒng)對誤碼率或信息傳輸質(zhì)量的要求，并與系統(tǒng)的調(diào)制、編碼方案有關(guān)。（1）碼分多址系統(tǒng)的容量分析理論上CDMA系統(tǒng)不受載頻頻道44

單小區(qū)工作的容量

（2）（3）CDMA系統(tǒng)總要采用功率控制技術(shù)，對于基站來講，不管MS在小區(qū)的任何位置，總會使所有MS發(fā)送功率到達基站接收機輸入端功率相等。

CDMA系統(tǒng)的主要干擾為多址干擾，基站接收機的輸入載干比為：在同一蜂窩小區(qū)內(nèi)，同時工作的用戶數(shù)m越大，多址干擾就越強。無線容量是在保證接收機輸出載干比C/I值大于或等于某一門限值時，小區(qū)內(nèi)同時工作的用戶數(shù)的最大值。由（1）、（2）兩式可得m為：

單小區(qū)工作的容量

（2）（3）CDMA系統(tǒng)總要采用45單小區(qū)工作的容量例：IS-95CDMA系統(tǒng)，W=1.25MHz,Rb=8kb/s,Eb/N0=7dB，（10^0.7=5.01）則代入公式（3）得:m=32.25(信道/小區(qū)）單小區(qū)工作的容量例：IS-95CDMA系統(tǒng)，W=1.2546I）采用話音激活技術(shù)提高了系統(tǒng)容量式中d為話音占空比，通常為0.35II）利用扇形劃分提高系統(tǒng)容量式中G是扇形分區(qū)系數(shù)，通常為2.55III）鄰近蜂窩小區(qū)的干擾對系統(tǒng)容量的影響式中F為信道復(fù)用效率，通常為0.6單小區(qū)工作的容量I）采用話音激活技術(shù)提高了系統(tǒng)容量式中d為話音占空比，通常為47給定系統(tǒng)帶寬2.5MHz，分別計算TACS（N=7）、

GSM（N=4）和IS-95CDMA（Rb=9.6kb/s、Eb/N0=7dB、d=0.35、G=2.55、F=0.6)的系統(tǒng)容量。P152，第15題補充作業(yè)：給定系統(tǒng)帶寬2.5MHz，分別計算TACS（N=7）、補充作48第6章多址接入技術(shù)現(xiàn)代移動通信BTS總體方案設(shè)計報告AbisA接口MSBSSOMC-R操作維護中心BSC基站控制器MSC移動交換中心BTS基站收發(fā)信機BTS基站收發(fā)信機BTS基站收發(fā)信機MSMSUm第6章多址接入技術(shù)現(xiàn)代移動通信BTS總體方案設(shè)計報告Ab49多址接入技術(shù)

所謂多址技術(shù)就是使多個用戶接入并共享同一個無線通信信道,以提高頻譜利用率的技術(shù)。即把同一個無線信道按照時間、頻率等進行分割,使不同的用戶都能夠在不同的分割段中使用這一信道,而又不會明顯地感覺到他人的存在,就好像自己在專用這一信道一樣。占用不同的分割段就像是擁有了不同的地址,使用同一信道的多個用戶就擁有了多個不同的地址。這就是多址技術(shù),亦稱多址接入技術(shù)。

多址接入技術(shù)所謂多址技術(shù)就是使多個用戶接入并共享同一50多址接入技術(shù)實現(xiàn)多址技術(shù)的主要方式多址方式的基本類型有三種，即頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA及它們的混合應(yīng)用。

多址接入技術(shù)實現(xiàn)多址技術(shù)的主要方式多址方式的基本類型有三種，51頻分多址（FDMA）—以頻率區(qū)分信道FDMA是以不同的頻率信道來實現(xiàn)多址通信

頻分多址技術(shù)按照頻率來分割信道,即給不同的用戶分配不同的載波頻率以共享同一信道。頻分多址技術(shù)是模擬載波通信、微波通信、衛(wèi)星通信的基本技術(shù),也是第一代模擬移動通信的基本技術(shù)。在FDMA系統(tǒng)中,信道總頻帶被分割成若干個間隔相等且互不相交的子頻帶(地址),每個子頻帶分配給一個用戶,每個子頻帶在同一時間只能供給一個用戶使用,相鄰子頻帶之間無明顯的干擾。頻分多址（FDMA）—以頻率區(qū)分信道FDMA是以不同的頻率信52

☆FDMA通信系統(tǒng)的工作示意圖☆FDMA通信系統(tǒng)的工作示意圖53FDMA在移動通信中，最典型的頻分多址方式有北美800MHz的AMPS體制，歐洲與我國900MHz的TACS體制。主要技術(shù)特點每個信道傳送一路電話，帶寬較窄。TACS為25KHz，AMPS為30KHz。當(dāng)系統(tǒng)為移動臺分配了信道，移動臺與基站之間會連續(xù)不斷收、發(fā)信號。由于收發(fā)信機同時工作，為了收發(fā)隔離，必須使用雙工器。公用設(shè)備成本高，F(xiàn)DMA采用每載波（信道）單路方式，一個基站30個信道，則每基站需要30套收發(fā)信機設(shè)備，不能公用。F1F2F1F2Fn…FnfFDMAF1F2F1F2Fn…Fnf54時分多址（TDMA）TDMA是以不同的時隙實現(xiàn)多址通信

時分多址技術(shù)按照時隙來劃分信道,即給不同的用戶分配不同的時間段以共享同一信道。時分多址技術(shù)是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信和第二代移動通信的基本技術(shù)。在TDMA系統(tǒng)中,時間被分割成周期性的幀,每一幀再分割成若干個時隙(地址)。無論幀或時隙都是互不重疊的。然后,根據(jù)一定的時隙分配原則,使各個移動臺在每幀內(nèi)只能按指定的時隙向基站發(fā)送信號,在滿足定時和同步的條件下,基站可以分別在各時隙中接收到各移動臺的信號而互不混擾。同時,基站發(fā)向多個移動臺的信號都按順序安排,在預(yù)定的時隙中傳輸。各移動臺只要在指定的時隙內(nèi)接收,就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分出來。時分多址（TDMA）TDMA是以不同的時隙實現(xiàn)多址通信55

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時分多址（TDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖☆時分多址（TDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖56TDMA在移動通信中，最典型的時分多址方式有北美D-AMPS與歐洲和我國GSM-900，DCS-1800及日本的PDC。主要技術(shù)特點每載波8個時隙信道，每個信道可提供一個數(shù)字語音用戶，因此每個載波最多可提供8個用戶；采用突發(fā)脈沖序列傳輸，每個移動臺發(fā)射是不連續(xù)的，只有在規(guī)定的時隙內(nèi)才發(fā)送脈沖序列；傳輸開銷大，GSM幀結(jié)構(gòu)分為時隙、TDMA幀、復(fù)幀、超幀和超高幀5個層次，每個層次需占用一些非信息位的開銷，總開銷比較大。T1T2T1T2Tn…TntTDMAT1T2T1T2Tn…Tnt57

碼分多址技術(shù)按照碼序列來劃分信道,即給不同的用戶分配一個不同的編碼序列以共享同一信道,即使用不同的信號波形區(qū)分不同的用戶。碼分多址技術(shù)是第二代移動通信的演進技術(shù)和第三代移動通信的基本技術(shù)。在CDMA系統(tǒng)中,每個用戶被分配給一個唯一的偽隨機碼序列(擴頻序列),各個用戶的碼序列相互正交,因而相關(guān)性很小,由此可以區(qū)分出不同的用戶。與FDMA劃分頻帶和TDMA劃分時隙不同,CDMA既不劃分頻帶又不劃分時隙,而是讓每一個用戶使用系統(tǒng)所能提供的全部頻譜,因而CDMA采用擴頻技術(shù)能夠使多個用戶在同一時間、同一載頻以不同碼序列來實現(xiàn)多路通信。CDMA示意圖如圖所示。碼分多址（CDMA）碼分多址技術(shù)按照碼序列來劃分信道,即58碼分多址（CDMA）CDMA以不同的碼序列來實現(xiàn)多址通信碼分多址（CDMA）CDMA以不同的碼序列來實現(xiàn)多址通信5960

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碼分多址（CDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖12☆碼分多址（CDMA）通信系統(tǒng)的工作示意圖60CDMACDMA與FDMA、TDMA劃分的形式不同，F(xiàn)DMA與TDMA屬于一維（頻域或時域）劃分，CDMA屬于二維（時、頻域）劃分。CDMA的地址劃分是基于特征，CDMA中所有用戶可同時占用同一時隙、同一頻段，只要它們具有可分離的各自特征。區(qū)分用戶的特征是用戶地址碼的相關(guān)特性。移動通信中，最典型的碼分多址方式有：2G的窄帶CDMA系統(tǒng)（IS-95體制）；3G的寬帶CDMA系統(tǒng)（cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA體制）CDMA61多址技術(shù)多址技術(shù)62

以上三種多址技術(shù)相比較,CDMA技術(shù)的頻譜利用率最高,所能提供的系統(tǒng)容量最大,它代表了多址技術(shù)的發(fā)展方向;其次是TDMA技術(shù),目前技術(shù)比較成熟,應(yīng)用比較廣泛;FDMA技術(shù)由于頻譜利用率低,將逐漸被TDMA和CDMA所取代,或者與后兩種方式結(jié)合使用,組成TDMA/FDMA、CDMA/FDMA方式。以上三種多址技術(shù)相比較,CDMA技術(shù)的頻譜利用率最63FDMA、TDMA、CDMA三種系統(tǒng)容量比較2）無線小區(qū)容量的m計算

m=B/(N*?f)(單位為：信道/小區(qū))其中B為頻帶寬帶，?f為頻道間隔，N為cluster中小區(qū)數(shù)。a）模擬TACS系統(tǒng)（FDMA）

信道間隔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mFDMA=50/7=7.1（信道/小區(qū)）1)系統(tǒng)容量的定義：指能容納的用戶總數(shù)或系統(tǒng)最大容納的信道數(shù)或系統(tǒng)輸入話務(wù)量（愛爾蘭）。假設(shè)B=1.25MHz,則：FDMA、TDMA、CDMA三種系統(tǒng)容量比較2）無線小區(qū)容量64b）數(shù)字GSM系統(tǒng)，采用TDMA方式信道間隔

200kHz

每載頻時隙數(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mTDMA=50/4=12.5（信道/小區(qū)）c）數(shù)字CDMA系統(tǒng)

CDMA的基礎(chǔ):擴頻通信技術(shù)與CDMA多址技術(shù)FDMA、TDMA、CDMA三種系統(tǒng)容量比較為了進一步說明為什么采用擴頻技術(shù)以支持CDMA，從而贏得系統(tǒng)容量和質(zhì)量，我們先來了解擴頻通信技術(shù)。b）數(shù)字GSM系統(tǒng)，采用TDMA方式c）數(shù)字CDMA系統(tǒng)FD65擴頻通信技術(shù)擴頻通信的基本概念擴頻通信的理論基礎(chǔ)數(shù)字信號擴頻原理擴頻的實現(xiàn)方法擴頻通信技術(shù)66擴頻通信SS:SpreadSpectrum，指擴展頻譜的通信擴頻通信定義擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式；發(fā)端采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的帶寬收端采用與發(fā)端相同的擴頻碼進行相關(guān)解調(diào)和解擴，恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴頻通信的基本概念擴頻通信擴頻通信的基本概念67發(fā)送信息的頻譜被展寬發(fā)送的信息通過擴頻，將信號能量擴展到很寬的頻帶上，使擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達l00~1000，屬于寬帶通信；擴頻方法：擴頻碼序列調(diào)制數(shù)字脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬。如果很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號；該窄脈沖序列稱為擴頻信號，即擴頻碼序列；接收端相關(guān)解調(diào)解擴接收端則用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關(guān)解擴，恢復(fù)所傳信息。擴頻通信定義的三個概念發(fā)送信息的頻譜被展寬擴頻通信定義的三個概念68問題的提出：在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，我們總是想方設(shè)法使信號所占頻譜盡量窄，以充分提高十分寶貴的頻率資源的利用率。那么為什么還要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信息呢?擴頻通信理論基礎(chǔ)問題的回答：利用擴頻實現(xiàn)碼分多址方式。在傳統(tǒng)的TDMA和FDMA之外又提供了一種新的多址方式。問題的提出：擴頻通信理論基礎(chǔ)問題的回答：69香農(nóng)(Shanon)公式擴頻通信是以香農(nóng)公式的理論發(fā)展起來的一種通信方式；香農(nóng)公式：C=Blog2(1+S/N)=1.44Bln

(1+S/N)C為信道容量，單位為b/s；B為傳輸?shù)男盘栴l帶寬度，單位為Hz；S為信號平均功率，N為噪聲平均功率；香農(nóng)公式反映的重要結(jié)論：頻帶B和信噪比可以互換；采用擴頻信號進行通信的優(yōu)越性在于用擴展頻譜的方法可以換取信噪比上的好處。擴頻通信理論基礎(chǔ)香農(nóng)(Shanon)公式擴頻通信理論基礎(chǔ)70信息傳輸差錯概率的公式Pe

f（Eb/N0）Pe是信號能量Eb與噪聲功率譜密度N0之比的函數(shù)信號的傳輸差錯概率是輸入信號的信噪比和信號帶寬與信息帶寬之比二者乘積的函數(shù)增加信號的頻帶寬度，可在較低的信噪比的條件下以任意小的差錯概率來傳輸信息；再次說明信噪比和帶寬是可以互換的。同樣說明了通過增加帶寬可換取信噪比的好處。擴頻通信理論基礎(chǔ)信息傳輸差錯概率的公式擴頻通信理論基礎(chǔ)71數(shù)字信號的波形與頻譜幅度為+1，持續(xù)時間為Tb的數(shù)字矩形脈沖R(t)經(jīng)Fourier變換后的頻譜為是sinx/x類型的函數(shù)數(shù)字信號擴頻原理第1零點位于1/Tb，表示該信號的能量集中在第1零點內(nèi)。它所占的頻帶寬度與Tb的大小相關(guān)，當(dāng)脈沖越寬，其頻譜帶寬越窄。數(shù)字信號的波形與頻譜數(shù)字信號擴頻原理第1零點位于1/Tb，表72幅度為+1和-1，持續(xù)時間為Tb的周期性脈沖R(t)，其頻譜包絡(luò)的形狀與單矩形脈沖完全一樣;第1零點處的頻率正好為該周期性脈沖的傳輸速率1/Tb數(shù)字信號擴頻原理幅度為+1和-1，持續(xù)時間為Tb的周期性脈沖R(t)，其頻譜73

擴展周期性脈沖的頻譜方法將頻譜的1/Tb第1零點向無限遠推，即增大1/Tb的值；減小數(shù)字脈沖的持續(xù)時間，縮小Tb的值。減小Tb值等價于提高數(shù)字信號的傳輸速率1/Tb，擴展了信號的頻譜。數(shù)字信號擴頻原理擴展周期性脈沖的頻譜方法數(shù)字信號擴頻原理74數(shù)字信號擴頻過程高速數(shù)字碼序列C(t)對用戶低速信息數(shù)據(jù)調(diào)制低速信息數(shù)據(jù)的脈沖持續(xù)時間為Tb，其時間長度是TC的N倍。Tb=N·TC高速碼序列C(t)乘上信息數(shù)據(jù)d(t)，最后得到的信號y(t)頻譜與高速碼序的頻譜相同，起到頻譜擴展的作用。y(t)=di(t)Ci(t)數(shù)字信號擴頻原理數(shù)字信號擴頻過程數(shù)字信號擴頻原理75數(shù)字信號擴頻原理符號+1-1+1-1-1-1-1+1+1+1擴頻解擴頻碼片di（t）Ci（t）yi（t）-1+1yr（t）Ci（t）dr（t）接收的信號為：yr（t）=di（t）·Ci（t）解擴輸出信號dr（t）=yr（t）·Ci（t）=di（t）·Ci（t）·Ci（t）=di（t）數(shù)字信號擴頻原理符號+1-1+1-1-176擴頻抗干擾原理擴頻解調(diào)器利用本地地址碼的相關(guān)性作解擴處理，有用信號頻譜被恢復(fù)為窄帶譜;窄帶干擾信號則在解擴過程中被擴展成為寬帶譜。解調(diào)后有用信號為窄帶譜，無用信號和干擾為寬帶譜，可以借助于解調(diào)后濾波器去除帶外的無用信號，帶內(nèi)的信噪比就可以大大提高，起到了抑制干擾和無用信號的目的。擴頻調(diào)制信道擴頻解調(diào)d(t)d(t)c(t)c(t)-Rb(t)-Rb(t)Rb(t)Rb(t)-Rc(t)Rc(t)干擾-Rc(t)Rc(t)AABBCCDDy(t)yr(t)干擾擴頻抗干擾原理擴頻解調(diào)器利用本地地址碼的相關(guān)性作解擴處理，有77擴頻因子定義：SF=Bw/Bs擴頻系統(tǒng)的處理增益，反映了擴頻系統(tǒng)信噪比的改善程度。擴頻增益與抗干擾容限Bw為擴頻信號帶寬，Bs為信息帶寬。擴頻增益Gp定義為：擴頻因子擴頻增益與抗干擾容限Bw為擴頻信號帶寬，Bs為信息帶78DS-SS：直接序列擴頻發(fā)端直接用高速碼序列去擴展輸入信息的帶寬FH：跳頻用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變；發(fā)端信息碼序列與擴頻碼序列組合構(gòu)造的不同碼字控制頻率合成器，使其輸出頻率根據(jù)碼字的改變而改變，形成了頻率的跳變。TH：跳時用一定碼序列進行選擇的多時片時移鍵控；時間軸分為多個時片，哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列進行控制。由于發(fā)送信號采用的時片很窄，也就展寬了信號的頻譜。擴頻的實現(xiàn)方法DS-SS：直接序列擴頻擴頻的實現(xiàn)方法79隱蔽性和保密性抗干擾和抗多徑衰落能力強實現(xiàn)多址技術(shù)、增加容量、提高頻率復(fù)用率。占用頻帶較寬，系統(tǒng)復(fù)雜性增加。擴頻通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特點隱蔽性和保密性擴頻通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特點80擴頻碼選擇

擴頻通信當(dāng)中，擴頻碼常常采用偽隨機序列。1.偽隨機序列

偽隨機序列（PN：Pseudorandom-Noise）碼具有類似噪聲序列的性質(zhì)，是一種貌似隨機但實際上是有規(guī)律的周期性二進制序列。

擴頻碼選擇81對PN碼的要求PN碼序列的碼片長度決定擴展頻譜的寬度，直接影響擴頻系統(tǒng)的性能。在直接擴頻系統(tǒng)中對PN碼有如下要求：＊PN碼的比特率應(yīng)能滿足擴展帶寬的需要；＊PN碼的自相關(guān)要大，互相關(guān)要小。＊PN碼應(yīng)具有近似噪聲的頻譜性質(zhì)，近似連續(xù)譜，

且均與分布。PN碼有一個很大的家族，如m序列、Gold序列、M序列、R-S碼和復(fù)合碼等，經(jīng)常使用的主要有m序列和Gold序列。CDMA系統(tǒng)中擴頻碼采用m序列。PN碼可通過邏輯電路得到。對PN碼的要求PN碼序列的碼片長度決定擴展頻譜的寬度，82m序列：最長線性反饋移位寄存器序列。m序列組成：n級移位寄存器、適當(dāng)?shù)某轭^反饋和模2加法器；n級移位寄存器產(chǎn)生的最大長度的碼序列：P=2n–1位n級移位寄存器：2n–1個狀態(tài)（除去全零狀態(tài)）生成多項式Gn(x)=C0X0+C1X1+C2X2+…+CnXnm序列m序列：最長線性反饋移位寄存器序列。m序列83碼的平衡性好一個周期內(nèi)“1”和“0”的個數(shù)大體相同（1比0多1個）m序列與其移位后的序列模2加所得的序列仍為m序列，但相位不同舉例：0111001向左移兩位再模2加所得序列仍為m序列，相位移了一位m序列特性碼的平衡性好m序列特性84長度為k的游程占總游程的1/2k（1kn-2）

連續(xù)為1和0的那些元素稱為游程。游程中元素個數(shù)為游程長度。一個m序列的周期為：P=2n–1，在該周期內(nèi)：長度為1的（單個“0”和單個“1”）游程占總游程的1/2長度為2（00和11）的游程占總游程的1/4長度為3（000和111）的游程占總游程的1/8兩個游程例外：（n–1）個連“0”的游程只有一個

n個連“1”的游程只有一個m序列特性長度為k的游程占總游程的1/2k（1kn-2）m85周期為15的m序列的游程分布情況。m序列1111010