第22章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX2014.7

第22章傳播特性及多址技術(shù)22.1無線電波傳播的方式及其特點(diǎn)22.2無線電波的傳播損耗及效應(yīng)22.3傳播路徑損耗模型22.4無線通信中的多址技術(shù)22.5無線抗衰落及抗干擾技術(shù)本章小結(jié)22.1無線電波傳播的方式及其特點(diǎn)

22.1.1無線電波的邊界效應(yīng)

（1）反射。當(dāng)無線電波碰到的障礙物的幾何尺寸大于其波長時，會發(fā)生反射。反射可能發(fā)生在地球表面，也可能發(fā)生在建筑物墻壁或其他大的障礙物表面。多個障礙物的多重反射會形成多條傳播路徑，造成多徑衰落。（2）折射。當(dāng)無線電波穿過一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時，傳播速度不同會造成路徑偏轉(zhuǎn)，即發(fā)生折射。

（3）繞射。當(dāng)無線電波在傳播過程中被障礙物的尖利邊緣阻擋時會發(fā)生繞射(物理中也稱為衍射)。無線電波的波長越長，繞射能力越強(qiáng)，但是當(dāng)障礙物的尺寸遠(yuǎn)大于電波波長時，繞射就會變?nèi)酢＃?）散射。無線電波在傳播過程中遇到尺寸小于其波長的障礙物且障礙物的數(shù)目又很多時，將會發(fā)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體，在實(shí)際環(huán)境中，雨點(diǎn)、樹葉、微塵、街道路標(biāo)、路燈桿等都會引起散射。散射會造成能量的散射，形成電波的損耗。另外，由于能量的擴(kuò)散與媒質(zhì)的吸收，傳輸距離越遠(yuǎn)，信號強(qiáng)度越小。22.1.2無線電波傳播的方式

1.地波傳播方式

地波傳播是指電磁波沿地球表面到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式。電波在地球表面上傳播，地面上有高低不平的山坡和房屋等障礙物，根據(jù)波的衍射特性，只有當(dāng)波長大于或相當(dāng)于障礙物的尺寸時，波才能明顯地繞過障礙物。地面上的障礙物一般不太大，長波、中波和中短波均能繞過，而短波和微波由于波長過短，在地面上不能繞射，只能按直線傳播。地波的傳播比較穩(wěn)定，不受晝夜變化的影響，而且能夠沿著彎曲的地球表面達(dá)到地平線以外的地方。但地球是個良導(dǎo)體，地球表面會因地波的傳播引起感應(yīng)電流，地波在傳播過程中有能量損失，而且頻率越高，損失的能量就越多，因此中波和中短波的傳播距離不長，一般在幾百千米范圍內(nèi)，可用于進(jìn)行無線電廣播。長波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x要遠(yuǎn)很多，但發(fā)射長波的設(shè)備龐大、造價高，因此長波很少用于無線電廣播，多用于超遠(yuǎn)程無線電通信和導(dǎo)航等2.天波傳播方式

天波傳播就是自發(fā)射天線發(fā)出的電磁波進(jìn)入高空被不均勻的電離層反射后到達(dá)接收端的傳播方式，無線電波信號一般要經(jīng)多次反射后才能到達(dá)接收端。

電離層對于不同波長的電磁波表現(xiàn)出不同的特性，實(shí)驗(yàn)證明，波長短于10m的微波能穿過電離層，波長超過3000km的長波幾乎會被電離層全部吸收。對于中波、中短波、短波，波長越短，電離層對它吸收越少而反射越多。因此，短波最適宜以天波的形式傳播，它可以被電離層反射到幾千千米以外。但是，電離層是不穩(wěn)定的，白天受陽光照射時電離程度高，夜晚電離程度低，因此電離層在夜間對中波和中短波的吸收減弱，這時中波和中短波也能以天波的形式傳播。3.空間波傳播方式

當(dāng)發(fā)射天線和接收天線架設(shè)得較高時，在視距范圍內(nèi)，電磁波既可以直接從發(fā)射天線傳播到接收天線，也可以經(jīng)地面反射到達(dá)接收天線，因此，接收天線處的場強(qiáng)是直射波和反射波的合成場強(qiáng)，直射波不受地面影響，而反射波則要受到反射點(diǎn)地質(zhì)、地形的影響?？臻g波在大氣的底層傳播，傳播的距離受地球曲率的影響，收、發(fā)天線之間的最大距離被限制在視距范圍內(nèi)，若將天線架設(shè)在高大建筑物或山頂上，則可以有效地延伸空間波的傳播距離，同時還可以利用微波中繼站來實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信?？臻g波在傳播過程中除了受地形地物影響外，還受低空大氣層（即對流層）的影響。4.對流層傳播方式

距離地面大約10km以內(nèi)的大氣層稱為對流層。由于對流層中大氣溫度、壓力和濕度的變化使得大氣介電常數(shù)隨高度而改變，當(dāng)電波通過這些不均勻的大氣層時就會經(jīng)過反射、折射和散射到達(dá)接收天線。對流層傳播較之電離層傳播的應(yīng)用更為廣泛，超短波和微波均可采用對流層傳播方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播。5.外層空間傳播方式

外層空間傳播是指電磁波在對流層、電離層以外的外層空間進(jìn)行傳播的一種方式，主要用于衛(wèi)星或以星際為對象的通信中，以及用于空間飛行器的搜索、定位、跟蹤等。由于電磁波傳播的距離很遠(yuǎn)，且主要是在大氣以外的宇宙空間內(nèi)進(jìn)行，而宇宙空間又近似于真空狀態(tài)，因此電波在其中傳播時，傳輸性能比較穩(wěn)定。在外層空間傳播的電磁波又稱直達(dá)波，沿直線傳播。22.1.3無線電波傳播的特點(diǎn)

根據(jù)無線電波的波長可將其分為長波、中波、短波、超短波和微波，它們具有以下傳播特點(diǎn)：

(1)長波。長波的波長很長，地面的起伏和其他參數(shù)的變化對長波傳播的影響可以忽略。在通信距離小于300km時，到達(dá)接收點(diǎn)的電波基本上是地波。長波穿入電離層的深度很淺，受電離層變化的影響很小，電離層對長波的吸收也很小，因此長波的傳播比較穩(wěn)定。雖然長波通信在接收端的場強(qiáng)非常穩(wěn)定，但存在著對其他無線電臺干擾嚴(yán)重以及受雷電影響比較嚴(yán)重的兩個缺點(diǎn)。（2）中波。中波能以地波或天波的形式傳播。中波由于頻率較長波高,故需要在比較深入的電離層處才能發(fā)生反射。（3）短波。與長、中波一樣，短波可以靠地波和天波傳播。由于短波頻率較高，地面吸收效強(qiáng)，用地面波傳播時衰減很快。一般情況下，短波的地波傳播距離只有幾十千米，不適用于遠(yuǎn)距離通信和廣播。與地波相反，天波在電離層中的損耗卻隨著頻率的增高而減小，因此可利用電離層對天波的一次或多次反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信。（4）超短波和微波。超短波和微波的頻率很高，地波衰減很大，電波穿入電離層很深，甚至不能反射回來，因此

超短波和微波一般不采用地波和天波的傳播方式，而只能采用空間波、外層空間等傳播方式。超短波和微波由于頻帶很寬，因此應(yīng)用很廣泛。超短波廣泛用于電視、調(diào)頻廣播、雷達(dá)等方面。利用微波通信時，可以同時傳送幾千路電話或幾套電視節(jié)目而互不干擾。22.2無線電波的傳播損耗及效應(yīng)

22.2.1路徑衰耗與慢衰落

無線電波在傳播過程中，無線信號存在路徑衰耗、慢衰落和快衰落三種衰耗。

1.路徑衰耗

路徑衰耗是指電磁波直線傳播的損耗，包括在自由空間中傳播時與距離的冪次方成反比的固有衰耗以及散射和吸收等導(dǎo)致的衰耗等。2.慢衰落

無線電波在傳播路徑上遇到起伏的地形、建筑物和高大的樹木等障礙物時，會在障礙物的后面形成電波的陰影。接收機(jī)在移動過程中通過不同的障礙物和陰影區(qū)時,接收天線接收到的信號強(qiáng)度會發(fā)生變化，造成信號衰落，這種衰落稱為陰影衰落，由陰影引起的衰落是緩慢的，因此又稱為慢衰落。慢衰落反映了百米波長量級內(nèi)接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，一般服從對數(shù)正態(tài)分布。慢衰落的衰落速率與工作頻率無關(guān)，只與周圍地形、地物的分布、高度和物體的移動速度有關(guān)。3.快衰落

快衰落主要是由多徑傳播而產(chǎn)生的衰落。由于移動體周圍有許多散射、反射和折射體，它們引起信號的多徑傳輸，使到達(dá)的信號之間相互疊加，其合成信號幅度表現(xiàn)為快速的起伏變化。

快衰落反映了十米級波長量級接收電平的均值變化而產(chǎn)生的損耗，其變化率比慢衰落快，因此稱為快衰落。

快衰落的幅度一般服從瑞利分布，由于快衰落表示的是接收信號的短期變化，因此又稱為短期衰落?？焖ヂ淇蛇M(jìn)一步劃分為時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和空間選擇性衰落三類。（1）時間選擇性衰落：

快速移動在頻域上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而引起頻率擴(kuò)散，在不同的時間衰落特性也不一樣，因此在相應(yīng)的時域上其波形產(chǎn)生了時間選擇性衰落?？朔r間選擇性衰落最有效的方法是采用信道交織編碼技術(shù)，即將由于時間選擇性衰落帶來的大突發(fā)性差錯信道改造成為近似于獨(dú)立的加性高斯白噪聲(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)信道。（2）頻率選擇性衰落：不同的頻率衰落特性不一樣，從而引起延時擴(kuò)散，它是信道在時域的延時擴(kuò)散而引起的頻

域上的選擇性衰落?？朔l率選擇性衰落最有效的方法有自適應(yīng)均衡、OFDM及CDMA系統(tǒng)中的RAKE接收等技術(shù)。

（3）空間選擇性衰落：不同地點(diǎn)、不同傳輸路徑的衰落特性也不同，它是由開放型的時變信道使天線的波束產(chǎn)生擴(kuò)散而引起的空間上的選擇性衰落?？朔臻g選擇性衰落最有效的方法是空間分集和其他空域處理方法。22.2.2傳輸效應(yīng)

電磁波在無線信道上傳播時，對接收端而言，無線信號將產(chǎn)生以下幾種效應(yīng)：

（1）陰影效應(yīng)。在移動通信中，移動臺運(yùn)動過程中，由于大型建筑物和其他物體對無線電波傳播路徑的阻擋而在傳播接收區(qū)域上形成半盲區(qū)，從而形成電磁場陰影。這種隨移動臺位置的不斷變化而引起的接收端場強(qiáng)的起伏變化稱為陰影效應(yīng)，陰影效應(yīng)是產(chǎn)生慢衰落的主要原因。（2）多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)是指由多條路徑傳播引起的干涉延時效應(yīng)。由于各條傳播路徑會隨時間發(fā)生變化，因此參與干涉的各分量場之間的相互關(guān)系也會隨時間而變化，從而引起合成波場強(qiáng)隨機(jī)變化的現(xiàn)象，最終造成總的接收場強(qiáng)的衰落。因此多徑效應(yīng)是衰落的重要成因，對于數(shù)字通信、雷達(dá)最佳檢測等都有著十分嚴(yán)重的影響。（3）遠(yuǎn)近效應(yīng)。在移動通信中，由于接收用戶的隨機(jī)移動性，移動用戶與基站間的距離也是在隨機(jī)變化。若各用戶發(fā)射功率相同，那么到達(dá)基站的信號強(qiáng)弱不同，離基站近時信號強(qiáng)，離基站遠(yuǎn)時信號弱。通信系統(tǒng)的非線性則進(jìn)一步加重，出現(xiàn)強(qiáng)者更強(qiáng)、弱者更弱和以強(qiáng)壓弱的現(xiàn)象，通常稱這類現(xiàn)象為遠(yuǎn)近效應(yīng)。由于CDMA是一個自干擾系統(tǒng)，所有用戶使用同一頻率，因此遠(yuǎn)近效應(yīng)更加突出。（4）多普勒效應(yīng)。無線電波收、發(fā)終端之間存在沿它們二者徑向的相對運(yùn)動時，會產(chǎn)生接收端收到的信號頻率

相對于發(fā)送端發(fā)生變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率變化量稱為多普勒頻移，如圖22.2.1所示。圖22.2.1多普勒效應(yīng)示意圖多普勒效應(yīng)引起的多普勒頻移可表示為(22.2.1)式中，fd為多普勒頻移，v為移動臺（接收端）的移動速度，λ為電波的波長，θ為入射波的夾角。22.3傳播路徑損耗模型

22.3.1自由空間傳播模型

電磁波在真空中的傳播稱為自由空間傳播，此時的傳輸媒質(zhì)為各向同性均勻的真空，此時產(chǎn)生的傳輸衰耗是由能量擴(kuò)散所引起的。通?？梢园汛髿饪闯蔀榻普婵盏木鶆蚪橘|(zhì)，可以等效為自由空間傳播，它只與波長和距離有關(guān)。

假設(shè)電磁波在發(fā)射端以球面波輻射，則接收點(diǎn)處的功率Pr滿足Friis自由空間傳播公式，即（22.3.1）式中，Pt為發(fā)射端的發(fā)射功率，Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益；λ為無線電波的波長；d為收發(fā)端之間的距離。若用分貝(dB)表示，則傳播損耗為有效發(fā)射功率與接收功率之間的差值，即當(dāng)GtGr=1時，即天線具有單位增益時，則有由于λ=c/f，c為光速（c=3×108m/s），則上式可改寫為(22.3.2)由式(22.3.2)可見，距離增加，則傳輸損耗增大；頻率越高，則損耗越大。實(shí)際中，由于移動通信系統(tǒng)分布于很不規(guī)則的地區(qū)，電磁波的傳播環(huán)境非常復(fù)雜，在估算傳播路徑損耗時，必須對不同的頻段采用不同的電波傳播模型，室內(nèi)和室外電波傳播環(huán)境也有很大的不同，因此選用的模型也有很大的差異。

室外傳播模型主要考慮各種地形、植被、建筑物分布等的影響，主要有Longley-Rice模型、Okumura模型、Hata模型等。室內(nèi)無線信道模型具有不同的特征，會受到天線安裝位置、建筑物的布局和材料、建筑物內(nèi)門窗開關(guān)狀態(tài)等因素的影響。通常，室內(nèi)信道分為視距(LOS)和阻擋(OBS)兩種模型，常用的室內(nèi)模型有對數(shù)距離路徑損耗模型、衰減因子模型等。22.3.2室外傳播模型

1.Longley-Rice模型

Longley-Rice模型為預(yù)測不同種類地形中點(diǎn)對點(diǎn)無線通信信號的模型，適用頻率范圍為400MHz~100GHz?？捎密浖韺?shí)現(xiàn)該模型，用來計(jì)算電波傳播通過不規(guī)則地形、頻率在20MHz~10GHz之間的傳輸損耗。對于給定的傳播路徑，軟件以傳輸頻率、路徑長度、垂直極性或水平極性、天線高度、表面繞射、地球有效半徑、地面導(dǎo)電性和氣候作為參數(shù)，同時也需要天線水平線距離、水平傾斜角、傾斜交叉水平距離、地形不規(guī)則性和其他特定參數(shù)。Longley-Rice模型有兩種方式：一種是點(diǎn)到點(diǎn)預(yù)測方式，若可以獲取詳細(xì)的地形、地貌數(shù)據(jù)，就能很容易地確定特定路徑參數(shù)；另一種是區(qū)域預(yù)測方式，若不能獲取地形、地貌數(shù)據(jù)，則用Longley-Rice方法估計(jì)特定路徑參數(shù)。此外，該模型還有很多改進(jìn)修正方法。2.Okumura（奧村）模型

Okumura（奧村）模型是一個統(tǒng)計(jì)模型，可廣泛應(yīng)用在區(qū)域無線信號的預(yù)測方面，適用的頻率范圍為150~1920MHz，適用距離為1~100km，要求的天線高度為30~1000m，則傳播路徑損耗的中值L50為

L50=LF+Amu（f，d）－G（hte）－G（hre）－GAREA（22.3.3）式中，LF為自由空間的傳播損耗，Amu為相對于自由空間的衰耗，GAREA為環(huán)境增益，G(hte)和G(hre)分別表示基站天線和移動臺天線的高度增益因子，表示為3.Hata模型

將Okumura模型中用曲線表示的數(shù)據(jù)歸納為公式就得到了Hata模型，該模型以市區(qū)傳輸損耗為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，適用的頻率范圍為150~1920MHz。傳播路徑損耗的中值L50為

式中，fc為信號的載波頻率，d為以km為單位的收發(fā)天線間的距離，α(hre)為移動臺天線的校正因子。(22.3.6)22.3.3室內(nèi)傳播模型

1.對數(shù)距離路徑損耗模型

在對數(shù)距離路徑損耗模型中，傳播路徑損耗的公式為

(22.3.7)

式中，d0為參考點(diǎn)，L(d0)為參考點(diǎn)處的自由路徑損耗，n為平均路徑損耗指數(shù)，該指數(shù)與周圍環(huán)境和建筑物類型有關(guān)，Xσ為正態(tài)分布的隨機(jī)變量。2.衰減因子模型

衰減因子模型靈活性強(qiáng)且精度高，理論預(yù)測值與實(shí)際測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4dB，其傳播路徑損耗公式為

式中，nSF表示同一層的路徑損耗因子，F(xiàn)AF為不同層的路徑損耗附加值。22.4無線通信中的多址技術(shù)

在無線通信時，收發(fā)雙方一般采用一個信道進(jìn)行通信，這個信道可以是兩個不同的頻段，也可以是一個頻段。若采用雙工通信方式，則采用兩個不同頻段為收發(fā)雙向傳輸信道;若采用單工通信方式，則可采用一個頻段進(jìn)行收發(fā)雙向通信。由于無線頻譜資源是有限的且需要通信的用戶非常多，當(dāng)所有用戶都單獨(dú)使用一個信道通信時，無線頻譜資源將不能滿足要求，因此，需要采用多個用戶共享一個或多個無線頻譜資源。多個用戶共享無線頻譜資源的方式就是無線通信的多址通信方式，也稱為多址技術(shù)。多址問題可以認(rèn)為是一個濾波問題。許多用戶可以同時使用同一頻譜，然后采用不同的濾波和處理技術(shù)，使不同用戶的無線信號互不干擾地被分別接收和解調(diào)。

多址技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是信號的正交分割原理，即在發(fā)送端對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，使無線通信系統(tǒng)中各用戶的信號有所差別，而接收端則具有信號識別能力，能從混合信號中選擇出自己所需的信號。一個無線電信號可以用若干個參量來表示，最基本的是信號的頻率、信號出現(xiàn)的時間和信號所處的空間，信號之間的差別可集中反映在信號參量上。在無線通信中，信號的分割和識別可利用信號的任一種參量來實(shí)現(xiàn)?？紤]到實(shí)際存在的噪聲和其他因素的影響，最有效的分割和識別方法是設(shè)法利用某些信號所具有的正交性來實(shí)現(xiàn)多址連接。目前，在無線通信中應(yīng)用的多址技術(shù)有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)以及它們的混合應(yīng)用方式等。這幾種多址方式在頻率、時間、空間和碼空間的分布如圖22.4.1所示。圖22.4.1四種多址方式空間分布圖22.4.1頻分多址與時分多址技術(shù)

1.頻分多址（FDMA）

FDMA是以傳輸信號載波頻率的不同來區(qū)分信道建立多址接入的方式。FDMA將通信系統(tǒng)的總頻段劃分為若干個等間隔的頻道分配給不同的用戶使用，這些頻道互不重疊。FDMA以頻率來區(qū)分信道，因此頻道就是信道。模擬信號和數(shù)字信號都可以采用FDMA方式傳輸，早期的模擬蜂窩移動通信采用的就是這種多址方式，現(xiàn)代數(shù)字移動通信一般不單獨(dú)采用這種方式，更多的是將其與其他多址方式結(jié)合在一起使用。2.時分多址(TDMA)

TDMA是以傳輸信號存在的時間不同來區(qū)分信道建立多址接入的方式。TDMA是在一個帶寬的無線載波上將時間分割成周期性的幀，每幀再分割成若干個時隙，每個時隙就是一個通信信道，根據(jù)一定的時隙分配原則使各個用戶在每幀內(nèi)指定的時隙發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，接收端可以分別在各時隙中接收各用戶發(fā)送的信號而互不干擾。22.4.2碼分多址技術(shù)

碼分多址（CDMA）是以傳輸信號的碼型不同來區(qū)分信道建立多址接入的方式。其原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)的，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼與接收的帶寬信號做相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號，即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。CDMA是利用地址碼的正交性來實(shí)現(xiàn)多址通信的，但通?？筛鶕?jù)擴(kuò)頻的不同實(shí)現(xiàn)方法將CDMA分為直接擴(kuò)頻、跳頻、跳時及混合擴(kuò)頻等技術(shù)。1.直接擴(kuò)頻（DS-CDMA）

直接擴(kuò)頻技術(shù)也稱為直接序列碼分多址(DS-CDMA)技術(shù)，是一種應(yīng)用非常廣泛的擴(kuò)頻技術(shù)。它在第二代移動通信(2G)中已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，而且還是第三代移動通信(3G)

的核心技術(shù)，在IMT-2000的眾多標(biāo)準(zhǔn)中，大部分都采用了DS-CDMA。此外，在軍事通信和衛(wèi)星通信中，DS-CDMA

也得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上，DS-CDMA是依據(jù)香農(nóng)定理的理論發(fā)展起來的，即在信號平均功率受限的白噪聲信道中，系統(tǒng)信息傳輸速率的極限C(b/s)與信道帶寬B(Hz)、信噪比S/N間存在如下關(guān)系：(22.4.1)式(22.4.1)表明：在所需最高傳輸速率C不變的情況下，通過碼調(diào)制來展寬帶寬B可以在信噪比很低的情況下實(shí)現(xiàn)可靠通信。2.跳頻碼分多址(FH-CDMA)

FH-CDMA在軍事抗干擾通信中是一種常見的通信方式。其基本原理是優(yōu)選一組正交的地址/擴(kuò)頻跳頻碼，為每個用戶分配一個唯一的跳頻碼，并用該跳頻碼控制信號載頻在一組分布較寬的跳頻集中進(jìn)行跳變。

實(shí)際上，可以簡單地將FH-CDMA看做是一種由跳頻碼控制的多進(jìn)制頻移鍵控(MF-SK)。3.跳時碼分多址(TH-CDMA)

TH-CDMA主要用在軍事通信領(lǐng)域。與FH-CDMA不同，它用一組正交跳時碼控制各個用戶的通信信號在一幀時間內(nèi)的不同位置進(jìn)行偽隨機(jī)跳變，因此，TH-CDMA可以看做是一種由偽隨機(jī)碼控制的多進(jìn)制脈位調(diào)制(MPPM)。4.混合碼分多址(HCDMA)

HCDMA是指CDMA之間或CDMA與其他多址方式之間混合使用的多址方式，以達(dá)到克服單一多址方式使用的弱點(diǎn)，從而獲得優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。組合的具體方式多種多樣。

CDMA各個方式之間的常用組合形式有跳頻與跳時相結(jié)合的FH/TH-CDMA、跳頻與直接序列相結(jié)合的FH/DS-CDMA、跳時與直接序列相結(jié)合的TH/DS-CDMA。CDMA與其他多址方式的組合形式有FDMA與DS-CDMA相結(jié)合的FD/DS-CDMA、TDMA與DS-CDMA相結(jié)合的TD/DS-CDMA以及TDMA與FH-CDMA相結(jié)合的TD/FH-CDMA等。22.4.3空分多址技術(shù)及隨機(jī)接入多址技術(shù)

1.空分多址(SDMA)

SDMA技術(shù)的原理是利用用戶的地理位置不同，在與用戶通信的過程中采用天線的波束成形技術(shù)，使不同的波束方向?qū)?zhǔn)不同的用戶，達(dá)到多用戶共享頻率資源、時間資源和碼資源的目的。

一般來說，SDMA通常都不是獨(dú)立的，而是與其他多址方式結(jié)合使用的，也就是說對于處于同一波束內(nèi)的不同用戶，需要對FDMA、TDMA或CDMA等多址方式加以區(qū)分。2.隨機(jī)接入多址

采用無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交換時，大多采用采用隨機(jī)接入多址技術(shù)，以適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的非實(shí)時性、分組性和突發(fā)性的業(yè)務(wù)特點(diǎn)。在隨機(jī)接入多址方式中，每個用戶可以隨意發(fā)送信息，如果發(fā)生碰撞，則采用相應(yīng)的退避算法重發(fā),直至發(fā)送成功。

隨機(jī)接入多址方式有純ALOHA(P-ALOHA)、時隙ALOHA(S-ALOHA)、預(yù)約ALOHA(R-ALOHA)方式等。1）P-ALOHA

P-ALOHA方式又稱為“經(jīng)典ALOHA”方式，是一種完全隨機(jī)的多址方式，不需要定時和同步，用戶根據(jù)其需要向公用信道發(fā)送信息，若發(fā)生信息碰撞，則退避隨機(jī)時間后再重新發(fā)送。P-ALOHA的信道利用率不是很高，其最大信道利用率為18.4%，并且會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。2）S-ALOHA

S-ALOHA是一種同步的隨機(jī)多址方式，將時間分成許多等間隔的時隙，將各站點(diǎn)對應(yīng)一個時隙，所發(fā)送的信息放在各自的時隙里。時隙的定時由系統(tǒng)時鐘來決定，各站點(diǎn)的發(fā)送控制設(shè)備必須與該時鐘同步。由于S-ALOHA方式不是隨機(jī)發(fā)送信息，因此減小了相互之間的碰撞，提高了信道的利用率，使信道的最大利用率提高到了36.8%。因?yàn)樵摲绞叫枰W(wǎng)定時和同步，所以增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。3）R-ALOHA

R-ALOHA是在S-ALOHA的基礎(chǔ)上考慮到系統(tǒng)內(nèi)各站點(diǎn)業(yè)務(wù)量不均勻現(xiàn)象而提出的，其目的是為了解決長、短報(bào)文的兼容問題。R-ALOHA的基本原理是對于發(fā)送數(shù)據(jù)量較大的站點(diǎn)，在它提出預(yù)約申請后，將用較長的分組在預(yù)約的對隙中進(jìn)行發(fā)送。對于短報(bào)文，則仍然使用非預(yù)約的S-ALOHA方式進(jìn)行傳輸。這樣既解決了長報(bào)文時的延遲問題，又保留了S-ALOHA傳輸短報(bào)文時信道利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

22.5無線抗衰落及抗干擾技術(shù)

22.5.1分集技術(shù)

分集技術(shù)是充分利用多徑信號的能量來改善傳輸性能的技術(shù)。其基本思想是利用多條具有近似相等的平均信號強(qiáng)度和相互獨(dú)立衰落特性的路徑傳輸相同的信號，在接收端對這些信號進(jìn)行處理，以降低多徑衰落引起的接收電平的起伏波動影響，從而提高傳輸?shù)目煽啃浴７旨夹g(shù)分為兩部分內(nèi)容，即分離技術(shù)和接收合并技術(shù)。通過分離與合并來提高接收端的信噪比，從而獲得分集增益。為了在接收端得到相互獨(dú)立的路徑，可以通過空域、時域和頻域等方法來實(shí)現(xiàn)，具體的實(shí)現(xiàn)方法有以下幾種：

（1）空間分集：也稱天線分集，是移動通信中應(yīng)用較多的分集形式。其原理是采用多副接收天線來接收信號，然后進(jìn)行合并。為了保證接收信號的衰落特性不相關(guān)，要求天線之間的距離足夠大，在理想情況下，接收天線之間的距離只要波長的一半即可。（2）時間分集：將同一信號在不同時間區(qū)間多次重發(fā)，只要各次發(fā)送時間間隔足夠大，就可以得到多條衰落特性獨(dú)立的分集支路。時間分集利用位于不同時間區(qū)間的信號經(jīng)過衰落信道后在統(tǒng)計(jì)上的互不相關(guān)特性，來實(shí)現(xiàn)抗時間選擇性衰落的功能。（3）頻率分集：采用兩個或兩個以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時發(fā)送和接收同一信號，然后進(jìn)行合成或選擇。頻率分集利用位于不同頻段的信號經(jīng)衰落信道后在統(tǒng)計(jì)上的不相關(guān)特性，來實(shí)現(xiàn)抗頻率選擇性衰落的功能。

（4）極化分集：在移動環(huán)境下，兩副在同一地點(diǎn)、極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)不相關(guān)的衰落特性，利用這一特點(diǎn)，在發(fā)射端和接收端各安裝兩副天線，即水平極化天線和垂直極化天線，這樣就可以得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號。（5）角度分集：由于地形、地貌、接收環(huán)境的不同，使得到達(dá)接收端的不同路徑的信號可能來自不同的方向，

這樣在接收端可以采用方向性天線，分別指向不同的到達(dá)方向，而每個方向性天線接收到的多徑信號是不相關(guān)的。

任何一種分集方式，接收端都必須對接收到的互不相關(guān)的多條相互獨(dú)立的衰落信號進(jìn)行合并，通過合并技術(shù)得到抵消了衰落的信號，從而獲得分集增益。22.5.2多用戶檢測技術(shù)

CDMA系統(tǒng)中，由于分配給各用戶的擴(kuò)頻碼非嚴(yán)格正交，因此會引起用戶之間的相互干擾，稱為多址干擾(MultipleAccessInterfence,MAI)；同時，由于移動用戶的動態(tài)變化也會使遠(yuǎn)近效應(yīng)問題變得突出，從而嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)不能很好地解決上述問題，需要尋找多用戶通信時性能更好的檢測方法。多用戶檢測(MultipleUserDetection,MUD)技術(shù)是一種以信息論中最佳聯(lián)合檢測理論為基礎(chǔ)的抗多址干擾技術(shù)，其概念是由K.Schneider于1979年提出來的。1986年S.Verdu給出了基于最大似然序列估計(jì)(MaximumLikelihoodSequenceEstimation,MLSE)的最佳多用戶檢測算法。CDMA系統(tǒng)中MUD的定義如下：聯(lián)合考慮同時占用某個信道的所有用戶或某些用戶，消除或減弱其他用戶對任一用戶的影響，并同時檢測出所有這些用戶或某些用戶的信息

的一種信號檢測方法。MUD有時又稱為聯(lián)合檢測(JointDetection)。MUD在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成MAI的所有用戶信息對多用戶進(jìn)行聯(lián)合檢測，以有效地消除MAI和遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。典型的多用戶檢測原理如圖22.5.1所示。圖22.5.1多用戶檢測原理22.5.3多載波傳輸技術(shù)

1.多載波傳輸

多載波傳輸技術(shù)是將數(shù)據(jù)流分解成若干個子比特流，這樣，每個子數(shù)據(jù)流比原先數(shù)據(jù)流的傳輸速率低很多，用不同的子載波來調(diào)制這樣的子數(shù)據(jù)流，從而構(gòu)成了多個低速率信號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)，即多載波傳輸系統(tǒng)。傳統(tǒng)多載波技術(shù)采用頻分復(fù)用方式，將高速數(shù)據(jù)流利用多個獨(dú)立的載波傳輸，這樣可以降低每個載波上的信息傳送量。一般不同載波信號間保留一定的頻率間隔來防止干擾，這樣就降低了全部的頻譜利用率，如圖22.5.2所示。圖22.5.2頻分多路復(fù)用調(diào)制2.頻分正交復(fù)用

頻分正交復(fù)用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技術(shù)是一種特殊的多載波傳輸技術(shù)，適合在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中傳輸高速數(shù)據(jù)。O