無線通信多址技術(shù)課件

無線通信系統(tǒng)第七章無線通信多址技術(shù)7.1概述7.2頻分多址（FDMA）7.3時分多址（TDMA）

7.4擴(kuò)頻多址（SSMA）7.5空分多址（SDMA）7.6分組無線電（PR）

7.7蜂窩系統(tǒng)的容量第七章無線通信多址技術(shù)多用戶通信系統(tǒng)有幾種典型的方式：多址接入系統(tǒng)：許多用戶共享有限的無線頻譜。廣播網(wǎng)：一個發(fā)射機(jī)發(fā)送信號給許多用戶。為了能使多用戶正常地進(jìn)行通信，需要采用有效的多址技術(shù)。多址方式的基本類型有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。還有兩種多址模式用于無線通信：分組無線電（PR）和空分多址（SDMA）。選擇什么樣的多址方式取決于通信系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和要求?！?.1概述頻分雙工（FDD）：為一個用戶提供兩個確定的頻段。前向頻段提供從基站到移動臺的傳輸，而反向頻段提供從移動臺到基站的傳輸。在FDD中，前向和反向頻段的頻率分配在整個系統(tǒng)中是固定的。時分雙工（TDD）：用時間而不是頻率來提供前向鏈路和反向鏈路。前向時隙和反向時隙之間的時間分隔很小時，用戶聽起來就是同時的。§7.1概述FDD和TDD的比較：FDD收發(fā)信機(jī)同時地發(fā)送和接收相差大于100dB的無線信號，必須謹(jǐn)慎地分配頻率，使其與共用這兩個頻段地其它用戶保持協(xié)調(diào)。頻率分隔必須使用于不太昂貴的RF設(shè)備。TDD消除了單獨(dú)的兩個頻段的需要。接收和發(fā)射之間存在時間間隔。應(yīng)用限制在無繩和短距離無線接入?！?.1概述§7.2頻分多址（FDMA）特點(diǎn)：連續(xù)發(fā)射、通常用于窄帶系統(tǒng)、簡單、但基站成本高（使用雙工器、帶通濾波器和精確的射頻濾波器）。許多信道在一個基站中共享同一個天線，可能導(dǎo)致非線性效應(yīng)，產(chǎn)生交調(diào)頻率?！?.3時分多址（TDMA）TDMA的效率：發(fā)射的數(shù)據(jù)中信息所占的百分比，不包括為接入模式而提供的系統(tǒng)開銷?！?.3時分多址（TDMA）TDMA系統(tǒng)的信道數(shù)：把每一個信道的TDMA時隙與有效信道相乘，得到TDMA系統(tǒng)中所提供的TDMA信道時隙數(shù)。例7.3TDMA/FDDGSM系統(tǒng)采用25MHz帶寬用于前向鏈路，并被分成200kHz的無線信道，如果一個無線信道支持8語音用戶，并假設(shè)沒有保護(hù)時隙，求此GSM系統(tǒng)包含的同時用戶數(shù)?！?.3時分多址（TDMA）例7.4如果GSM使用每幀包含8個時隙的幀結(jié)構(gòu)，并且每一幀包含156.25比特，在信道中數(shù)據(jù)速率為270.833kbps，求（1）比特周期，（2）時隙長，（3）幀長，（4）占用一個時隙的用戶在兩次發(fā)射之間必須等待的時間。§7.3時分多址（TDMA）例7.5如果一個標(biāo)準(zhǔn)GSM時隙由6個尾比特，8.25個保護(hù)比特，26個訓(xùn)練比特和2組業(yè)務(wù)碼組組成，其中每一個業(yè)務(wù)碼組由58比特組成，求幀效率？§7.4擴(kuò)頻多址（SSMA）把一個窄帶信號在發(fā)射前轉(zhuǎn)換成寬帶信號。有以下兩種類型：§7.4.1跳頻多址（FHMA）§7.4.2碼分多址（CDMA）§7.4.3混合擴(kuò)頻技術(shù)（HSST）§7.4.4矢量量化§7.4.1跳頻多址（FHMA）把一個寬頻段分成若干個頻率間隔，稱為頻道。單個用戶的載波頻率在寬帶頻道范圍內(nèi)按偽隨機(jī)方式變化，用戶數(shù)據(jù)就在不同的載波上發(fā)射出去。在某一時刻，跳頻信號是一個窄帶信號。FHMA和FDMA地區(qū)別在于FHMA跳頻信號快速地變換頻道。一個快跳頻系統(tǒng)可被認(rèn)為是使用頻率分集的FDMA系統(tǒng)。FHMA系統(tǒng)通常采用功率效率高的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)。一個跳頻系統(tǒng)具有一定的安全保證。§7.4.2碼分多址（CDMA）CDMA特點(diǎn)：－抗干擾，抗噪聲能力強(qiáng)；－抗多徑干擾，分離并收集所需要信號中不同時延的信號能量，增加接收信噪比；－能在低功率譜密度情況下工作，而低的發(fā)射功率有利于移動通信使用者的健康；－有一定的保密性能；－由于采用相關(guān)接收方式，CDMA通信可以在信噪比很低的情況下工作，其信號具有很強(qiáng)的隱蔽性；－與TDMA和FDMA不同，CDMA是干擾受限系統(tǒng)，減小干擾可以直接增加系統(tǒng)容量，因此，可以利用話音激活、前向糾錯和扇型分區(qū)等技術(shù)提高頻帶利用率；－在CDMA蜂窩系統(tǒng)中，相鄰小區(qū)使用相同的頻率，所以它可以實(shí)現(xiàn)宏分集和進(jìn)行軟切換?！?.4.3混合擴(kuò)頻技術(shù)（HSST）7.4.3.1混合FDMA/CDMA（FCDMA）與原來的CDMA系統(tǒng)相比，其處理增益低一些。優(yōu)點(diǎn)是帶寬不需要連續(xù)。系統(tǒng)容量是各子帶容量之和。7.4.3.2混合直擴(kuò)/跳頻多址（DS/FHMA）直接序列擴(kuò)展頻譜信號的中心頻率以偽隨機(jī)方式變化。優(yōu)點(diǎn)是避免了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，但不適合軟切換?！?.4.3混合擴(kuò)頻技術(shù)（HSST）7.4.3.4時分跳頻（TDFH）用戶可以在一個新的TDMA幀開始時跳到一個新的頻率，因此避免了在一個特定信道上的嚴(yán)重衰落或碰撞事件。如果使兩個互相干擾的基站發(fā)射機(jī)在不同頻率和不同時間發(fā)射，就避免了鄰近小區(qū)的同信道干擾問題。成倍增加GSM的容量。

§7.5空分多址（SDMA）通過控制用戶的空間輻射能量來提供多址接入能力。扇形天線可被看作是SDMA的一個基本方式。§7.6分組無線電（PR）

§7.6.1分組無線電協(xié)議§7.6.2載波檢測多址〔CSMA〕協(xié)議§7.6.3預(yù)留協(xié)議§7.6.4分組無線電的截獲效應(yīng)§7.6.1分組無線電協(xié)議規(guī)一化吞吐量:§7.6.1分組無線電協(xié)議7.6.1.1純ALOHAALOHA協(xié)議是用于數(shù)據(jù)發(fā)射的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議;消息易損階段是分組的兩倍,則其吞吐量：T=Re-R7.6.1.2時隙ALOHA時間被分成相同長度的時隙,它比分組時間長；每個用戶僅在時隙開始處發(fā)送，避免部分碰撞；時延增大，吞吐量為：T=Re-2R§7.6.1分組無線電協(xié)議§7.6.2載波檢測多址〔CSMA〕協(xié)議§7.6.3預(yù)留協(xié)議7.6.3.1預(yù)留ALOHA以時分多址技術(shù)為基礎(chǔ)的一個分組接入模式。某個分組時隙被賦予優(yōu)先級，并且有可能為用戶預(yù)留發(fā)射分組的時隙。在大業(yè)務(wù)量時，提供好的吞吐量。7.6.3.2分組預(yù)留多址（PRMA〕PRMA使用一類似于預(yù)留ALOHA的離散分組時間技術(shù)，以每一TDMA時隙傳輸語音和數(shù)據(jù)，且優(yōu)先傳輸語音，同時利用了TDMA的周期幀結(jié)構(gòu)。PRMA被建議為綜合傳輸分組數(shù)據(jù)和語音的一種方法?！?.7蜂窩系統(tǒng)的容量§7.7.1蜂窩CDMA容量§7.7.2多小區(qū)CDMA的容量§7.7.3SDMA容量§7.7.4矢量量化§7.7蜂窩系統(tǒng)的容量無線通信系統(tǒng)的容量定義為一定頻段內(nèi)所能提供的信道或用戶的最大數(shù)目。無線信道容量是一個衡量無線系統(tǒng)頻譜效率的參數(shù)。

這一參數(shù)取決于于所需的波載干擾比（C/I）和信道帶寬Bc。

反向信道干擾：來自周圍小區(qū)的用戶產(chǎn)生的干擾。前向信道干擾：本小區(qū)周圍小區(qū)中的同信道基站產(chǎn)生地干擾。同信道復(fù)用率：Q=D/R，D：同信道小區(qū)之間的距離，R：小區(qū)半徑。蜂窩系統(tǒng)的無線容量可定為：m=Bt/BcN（無線信道/小區(qū)），Bt是分配給系統(tǒng)的總的頻譜，Bc是信道寬帶，N是頻率重用的小區(qū)數(shù)，§7.7蜂窩系統(tǒng)的容量§7.7蜂窩系統(tǒng)的容量采用上圖所示的蜂窩結(jié)構(gòu)時，在小區(qū)邊緣處，即d0=R時產(chǎn)生最大干擾。(C/I)min是接收機(jī)正常工作所需要的最小C/I。§7.7蜂窩系統(tǒng)的容量§7.7蜂窩系統(tǒng)的容量例7.7。評估四種不同的蜂窩無線標(biāo)準(zhǔn)，選擇容量最大的系統(tǒng)，假設(shè)n=4?！?.7蜂窩系統(tǒng)的容量系統(tǒng)，TDMA系統(tǒng)把容量提高了3到6倍。

(C/I)min在窄帶數(shù)字系統(tǒng)中為12dB，模擬FM系統(tǒng)中為18dB。在一數(shù)字式蜂窩系統(tǒng)中，C/I可以表示為：在FDMA系統(tǒng)中，Bt被分成M個帶寬為Bc的信道，C=EbRb，I=I0Bc，因此，F(xiàn)DMA的無線容量為：在TDMA系統(tǒng)中,C’=EbR’b，I’=I0B’c，I0表示每赫茲的干擾功率。

相對于模擬蜂窩無線，TDMA系統(tǒng)把容量提高了3到6倍。

§7.7蜂窩系統(tǒng)的容量§7.7.1蜂窩CDMA容量CDMA系統(tǒng)的容量是干擾受限的，而在FDMA和TDMA中是帶寬受限的。干擾的減少將導(dǎo)致CDMA容量的直接增加。在CDMA系統(tǒng)中，當(dāng)用戶數(shù)減少時每一用戶的鏈路性能就會增加。TDMA和FDMA的頻率復(fù)用取決于由路徑損耗產(chǎn)生的小區(qū)間的隔離，而CDMA小區(qū)可以復(fù)用所有頻率，因而容量有了較大增加。

單小區(qū)CDMA系統(tǒng)中，設(shè)用戶數(shù)為N，那么，在當(dāng)前小區(qū)中的基站接收到一個用戶的有用信號功率P和（N-1）個干擾用戶的功率，其中每一干擾用戶的功率為P。因此，信噪比為：

§7.7.1蜂窩CDMA容量基站接收機(jī)處的SNR可用Eb/N0表示：能夠接入此系統(tǒng)的用戶數(shù)可表示為：當(dāng)用戶數(shù)目龐大且系統(tǒng)是干擾受限而不是噪聲受限時，每一扇區(qū)中用戶數(shù)用戶數(shù)可表示為：

§7.7.2多小區(qū)CDMA的容量相鄰干擾小區(qū)的數(shù)目決定了CDMA蜂窩系統(tǒng)的頻率復(fù)用因子f。CDMA反向鏈路的f：各相鄰小區(qū)有不同的用戶數(shù)，每個干擾用戶產(chǎn)生的干擾取決于它與通信基站的距離以及它們的發(fā)射功率。一個特定小區(qū)中的變量Nai可用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計技術(shù)計算。使用同心圓幾何法求CDMA容量：用遞歸幾何法來確定小區(qū)內(nèi)和小區(qū)外用戶的傳播路徑損耗是怎樣影響CDMA系統(tǒng)的頻率復(fù)用的?！?.7.2多小區(qū)CDMA的容量§7.7.2多小區(qū)CDMA的容量§7.7.2多小區(qū)CDMA的容量中心小區(qū)的面積：假設(shè)第一層面積為A1，有M1個干擾小區(qū)，每個干擾小區(qū)的面積相同A，則第i層的面積可以表示為：相鄰干擾小區(qū)與目的小區(qū)的面積相同。同一層內(nèi)每個小區(qū)到目的小區(qū)的半徑相同。同一層內(nèi)只考慮一個小區(qū)的干擾作用，再簡單地乘以同一層內(nèi)小區(qū)數(shù)即可?！?.7.2多小區(qū)CDMA的容量考慮相鄰小區(qū)內(nèi)用戶的不同分布對干擾的影響，經(jīng)常是有用的，可以確定最壞情況下的頻率復(fù)用。干擾層分為兩個部分，使用加權(quán)因子在相鄰小區(qū)的內(nèi)層和外層中心分配用戶。假設(shè)用戶密度為K，對于要處理U=KA個用戶的第一層中的每一個小區(qū)，有特定幾何形狀不會嚴(yán)重影響預(yù)測（用戶數(shù)和覆蓋面積）?！?.7.2多小區(qū)CDMA的容量UsingconcentriccirclegeometrytofindCDMAcapactiy§7.7.2多小區(qū)CDMA的容量小區(qū)內(nèi)的干擾為：干擾小區(qū)內(nèi)用戶與本小區(qū)基站之間的距離為d’，