《無線通信基礎與應用》課件第10章 多址技術

第十章多址技術引言多址技術是多用戶通信系統(tǒng)的關鍵技術之一，其核心就是讓多個用戶能夠在給定的通信資源下同時通信。多址技術總體上可以分為兩大類，一類是有中心的集中控制，一類是無中心的分布式控制（也稱為隨機多址）。本章主要討論有中心的集中控制多址技術，這種多址方式的主要特點是單點對多點，其中的“單點”通常稱為基站、中心站或者接入點，“多點”是多個通信節(jié)點的集合，其中的每個通信節(jié)點稱為用戶或者移動臺。多點通信必須保證系統(tǒng)的有序性，也就是說，系統(tǒng)的時間、頻率、空間及功率等通信資源在分配給不同的用戶使用時，要按照一定的規(guī)則來進行。多址技術不僅要滿足多用戶都能正常通信的要求，還要盡可能優(yōu)化地分配有限的通信資源，在一定頻譜資源的條件下，使系統(tǒng)能夠容納的用戶數(shù)盡可能多或傳輸速率盡可能高。無線通信基礎與應用210.1概述多址技術的實現(xiàn)方式主要有兩大類，即受控的集中式多址和分布式隨機多址。集中式多址存在一個集中式的協(xié)調機構（即基站或接入點）來管理和分配通信資源，這種方式需要較高的信令成本，但易于保證通信質量，因此特別適用于連續(xù)的、且對實時性要求較高的業(yè)務，移動通信運營商多采用此類多址方式。分布式隨機多址則無需協(xié)調機構來統(tǒng)一管理，每個用戶基于本地知識自主使用通信資源，可能導致相互沖突干擾。產(chǎn)生沖突的各方可以通過某種協(xié)調機制，從而在沖突發(fā)生后自主解決沖突所產(chǎn)生的問題，保證通信的有序進行。隨機多址的典型技術有ALOHA、時隙ALOHA、載波偵聽多址接入（CarrierSensingMultipleAccess，CSMA）等。選用什么樣的多址方式取決于通信系統(tǒng)的應用環(huán)境和要求，無論哪種多址方式，其核心議題都是在通信資源有限的條件下努力容納更多的用戶和業(yè)務，提高通信系統(tǒng)的容量。無線通信基礎與應用310.1.1上行鏈路和下行鏈路根據(jù)多用戶位于接收端還是發(fā)射端，可以將通信鏈路分為下行鏈路和上行鏈路兩種類型下行鏈路實現(xiàn)單點到多點的通信，也稱前向鏈路上行鏈路完成多點到單點的通信，也稱為反向鏈路無線通信基礎與應用410.1.2雙工方式通信系統(tǒng)的雙工方式，一般可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種。單工通信是指通信雙方中，一方只能進行發(fā)送，另一方只能進行接收，也即通信發(fā)生在一個發(fā)射機和一個接收機之間。單工通信的典型例子是尋呼系統(tǒng)。半雙工通信是指通信雙方都可以進行發(fā)射或者接收，但是對任意一方來講，發(fā)射和接收不是同時進行，而是交替進行的。對講機普遍采用了半雙工的通信方式。實現(xiàn)半雙工通信時，既可以采用同頻半雙工方式，也可以采用異頻半雙工方式。全雙工通信是指通信雙方中的任何一方，都可以同時進行發(fā)送和接收。在無線通信環(huán)境下，傳統(tǒng)的全雙工通信方式主要有兩種，即頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）。無線通信基礎與應用510.1.2雙工方式FDD利用不同的頻率范圍（一般稱為頻道）來區(qū)分發(fā)送和接收信道，也就是說發(fā)送和接收分別在不同的頻道上進行。在采用FDD的集中式多址技術中，通常下行頻率高于上行頻率。在FDD中收發(fā)往往共用一副天線,需要在收發(fā)單元和天線之間插入雙工器。雙工器是一種特殊的雙向三端濾波器，既要將天線接收到的微弱信號有效地耦合到接收機，又要將較大功率的發(fā)射信號有效地饋送到天線上去，同時還要求經(jīng)由雙工器泄露到接收機的發(fā)射功率特別低才行，即保證收發(fā)之間足夠的隔離度。無線通信基礎與應用610.1.2雙工方式TDD利用不同的時間來區(qū)分發(fā)送和接收信號。在TDD中收發(fā)信機一般工作在相同的頻道上，但它們在不同的時刻進行發(fā)送和接收。為了降低對通信雙方同步精度的要求，同時避免發(fā)送和接收之間的相互影響，接收和發(fā)送的時間應互不重疊，并應保留一定的時間間隔。這里特別需要注意TDD和半雙工的差別。TDD的優(yōu)點是由于收發(fā)是在相同頻道上進行的，收發(fā)信道的衰落特性具有一致性，也稱為信道互易性。收發(fā)信機在共用天線時，不需要采用雙工器在使用TDD的集中式多址技術中，還可以根據(jù)具體業(yè)務的特點靈活的調整上下行鏈路占用的時間，無線通信基礎與應用710.1.3多址技術分類多址技術將通信資源分配給不同的用戶使用，具體的通信資源不同，對應的多址技術也不同。頻分多址（FDMA）將不同的頻率分配給不同的用戶，各個用戶使用不同的頻率同時通信時分多址（TDMA）將不同的時隙分配給不同的用戶，各個用戶使用同一頻率上的不同時隙順序通信碼分多址（CDMA）將不同的擴頻碼序列分配給不同的用戶，各個用戶同時使用相同的頻率，依靠擴頻碼序列區(qū)分彼此。這三種多址方式既可單獨使用，也可混合使用，而且在無線通信網(wǎng)中通?；旌鲜褂贸陨先N基本的多址技術以外，隨著OFDM及大規(guī)模多天線技術的使用，進一步出現(xiàn)了空分多址（SDMA）、正交頻分多址（OFDMA）以及非正交多址（NOMA）等多種新型多址技術。頻道和信道兩個容易混淆的概念。通常將分配給用戶使用的通信資源稱為信道，而頻道則是特定的一段頻率范圍。無線通信基礎與應用810.1.3多址技術分類

無線通信基礎與應用910.2頻分多址FDMA頻分多址是指將系統(tǒng)的頻譜資源劃分為若干個等間隔的頻道（也稱信道）供不同的用戶使用。每個用戶分配一個頻道，不同用戶占用的頻道不同，同一時刻一個頻道只能供一個用戶使用，頻道之間一般設有保護頻段。由于移動臺的發(fā)射頻率范圍（即上行頻段）與接收頻率范圍（即下行頻段）不同，因此移動臺之間不能直接傳輸信息，需要基站中轉，兩個移動臺相互通信需要占用兩對雙工信道（4個頻道）。無線通信基礎與應用1010.2頻分多址FDMA

無線通信基礎與應用1110.2頻分多址FDMA使用頻分多址的第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的特點通常帶寬較窄（25-30KHz），每個頻道只能傳輸一個用戶的業(yè)務；用戶分配FDMA信道后，即使沒有話音傳輸，信道也不能被其他用戶使用；移動臺和基站在建立通信鏈路后，連續(xù)不斷發(fā)射信號，由于傳輸不間斷，故同步開銷??；傳輸速率低，符號周期通常遠大于多徑時延擴展，碼間干擾不明顯，信號經(jīng)歷平坦衰落，一般不需要采用均衡技術。由于基站同時在多個頻道上發(fā)送多個用戶的信號，因此具有較大的峰均比，當采用非線性放大器時，易產(chǎn)生互調干擾。無線通信基礎與應用1210.3時分多址TDMA

無線通信基礎與應用1310.3時分多址TDMATDMA系統(tǒng)的雙工方式可以采用FDD，也可以采用TDD。在FDD方式中，上行鏈路和下行鏈路的幀分別在不同的頻率上傳輸無線通信基礎與應用1410.3時分多址TDMA在TDD方式中，時間劃分成上行幀（用于移動臺發(fā)送）和下行幀（用于移動臺接收）兩部分，上/下行幀工作在相同的頻率上。上/下行幀再進一步分成若干時隙，其具體的組織方式又有兩種。無線通信基礎與應用1510.3時分多址TDMA

無線通信基礎與應用1610.3時分多址TDMA時分多址系統(tǒng)的特點主要有由于用戶僅在特定時隙發(fā)送信息，因此移動臺的發(fā)送是不連續(xù)的。這個特點能夠有效降低移動臺的電量消耗，因為可以在非工作時隙（大多數(shù)時間）關閉移動臺的發(fā)射機電源。由于用戶僅在特定時隙接收信息，因此移動臺的接收也是不連續(xù)，這個特點在移動通信系統(tǒng)中非常有用。因為移動臺可以在空閑期間監(jiān)測其他相鄰基站的信號質量，利于實現(xiàn)移動臺輔助的過區(qū)切換，從而極大地提升系統(tǒng)用戶容量。下一章專門討論該問題。即使在FDD方式下，只要上下行時隙錯開一段時間，發(fā)射和接收無需同時進行，這樣就可以在收發(fā)共用一副天線時使用單刀雙擲電子開關來代替雙工器，從而減小設備的成本和體積。每個用戶只能在給定的時隙發(fā)送和接收，而且每個時隙采用的是突發(fā)的傳輸方式，因此每個時隙均需進行同步和信道估計，系統(tǒng)開銷較大。由于一個頻道要傳輸多個用戶的信息，因此傳輸速率通常較高，占用帶寬較大，符號周期通常小于多徑時延擴展，更容易受到頻率選擇性衰落的影響，碼間串擾嚴重，接收機需要使用均衡器來消除ISI。可以根據(jù)用戶的業(yè)務不同，為其分配不同數(shù)目的時隙，將多個時隙捆綁在一起為用戶提供按需使用帶寬的服務，從而實現(xiàn)變速率通信。無線通信基礎與應用1710.3.1時隙結構設計設計TDMA時隙結構，需考慮下面幾個主要問題：隨路信令信息的傳輸：在每個時隙中，專門劃出部分比特用于隨路信令信息的傳輸。

多徑傳播的影響：由于一個頻道要傳輸多個用戶的信息，因此傳輸速率通常較高，占用帶寬較大，符號周期通常小于多徑時延擴展，更容易受到頻率選擇性衰落的影響，碼間干擾ISI嚴重，接收機必須使用均衡器消除ISI，為此需要在時隙中插入自適應均衡器所需的訓練序列；由于信道通常是時變的，因此需要周期性插入訓練序列，通常訓練序列的周期要小于信道的相關時間。多用戶間上行同步：上行鏈路的每個時隙中要留出一定的保護間隔（不傳輸任何信號），即每個時隙傳輸信息的時間要小于時隙長度。設置保護間隔是為了避免上行用戶時隙碰撞，實現(xiàn)多用戶之間的上行同步。10.3.2節(jié)將對保護間隔進行詳細的說明。接收機的定時同步：每個時隙中都要傳輸同步序列，以幫助接收機獲得載波同步和位定時同步。同步序列和訓練序列可以分開傳輸，也可以合二為一。無線通信基礎與應用1810.3.1時隙結構設計典型的TDMA時隙結構如圖所示在時隙中設置一定的功率上升和功率下降時間，為發(fā)射機的打開和關閉設置保護時間。前置序列、中置序列以及后置序列都是對接收端已知的冗余數(shù)據(jù)，用作載波同步、位同步及訓練序列等。保護間隔是一段空閑時間，在其中不傳輸任何數(shù)據(jù)，用于保證各個時隙之間的正交性不被破壞（即互不重疊）。數(shù)據(jù)字段為實際傳輸?shù)挠行лd荷，也即業(yè)務數(shù)據(jù)。在時隙結構設計時，需要盡可能增大數(shù)據(jù)部分所占的比重，以提高頻譜效率。無線通信基礎與應用1910.3.2保護間隔與時間提前量

無線通信基礎與應用2010.3.2保護間隔與時間提前量

無線通信基礎與應用2110.3.2保護間隔與時間提前量

無線通信基礎與應用2210.3.2保護間隔與時間提前量

無線通信基礎與應用2310.3.2保護間隔與時間提前量

無線通信基礎與應用2410.3.2保護間隔與時間提前量

無線通信基礎與應用2510.3.2保護間隔與時間提前量

無線通信基礎與應用2610.4碼分多址CDMACDMA技術基于直接序列擴頻調制，所有用戶同時工作在相同的載波頻率上，不同的用戶使用不同的擴頻碼序列分別進行擴頻調制，這些擴頻碼序列相互正交或者準正交。在CDMA通信系統(tǒng)中，不同用戶的傳輸信號不是靠頻率或時間來區(qū)分的，而是用各不相同的擴頻序列來區(qū)分的。如果從頻域或時域來觀察，多個CDMA信號在這兩個維度上是完全重疊的，接收機必須使用相關器從疊加信號中選出其中使用預定擴頻碼序列的信號。在CDMA蜂窩通信系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)雙工通信，下行鏈路和上行鏈路可以使用不同的頻道，即頻分雙工FDD；也可以使用不同的時間，即時分雙工TDD。無線通信基礎與應用2710.4.1擴頻碼序列在CDMA系統(tǒng)中，擴頻序列除了需要具備良好的自相關特性外，還需具備以下兩個條件：序列族中不同序列之間具有良好的互相關特性，即要求接近于零的互相關值；序列族中應該包含足夠數(shù)量的序列分配給用戶使用，從而保證用戶容量。兼具理想的自相關特性和互相關特性且具有大量序列的單一類型的偽隨機序列是不存在的，此時可以考慮采用復合序列。通常采用具有理想互相關特性（即完全正交）的序列族作為CDMA系統(tǒng)的擴頻序列。Walsh序列族就是一種具有理想互相關特性的正交序列族，不同階數(shù)的Walsh序列族可由哈達瑪（Hadamard）矩陣得到。無線通信基礎與應用2810.4.1擴頻碼序列

無線通信基礎與應用2910.4.2多址干擾與遠近效應在CDMA系統(tǒng)中，為了保證足夠的擴頻碼個數(shù)，不同信道采用的擴頻序列是準正交的，這樣不同的信道之間就會產(chǎn)生CDMA特有的多址干擾（MAI）。CDMA系統(tǒng)中所有用戶使用相同的頻率，多個用戶各自發(fā)送的直擴信號疊加在一起進入基站接收機。當基站需要從中解調任意一個用戶的信息時，除了所希望的有用信號外，還收到了其它用戶的信號，且不同用戶使用的擴頻碼序列不是完全正交的，因此解擴時，就不能把它們完全抑制，從而會對該用戶信號造成干擾。這種由于采用碼分多址技術而引入的用戶間干擾，稱為MAI。無線通信基礎與應用3010.4.2多址干擾與遠近效應多址干擾的強弱與擴頻碼的正交性有關，同時還與干擾信號的強度有關。遠近效應假設不同的移動臺發(fā)射功率相等，在整個工作過程中保持不變移動臺在小區(qū)內的位置是隨機變化的，某個移動臺在某一時刻可能處于小區(qū)邊緣，但其他時刻又可能靠近基站。如果移動臺的發(fā)射機功率按照最大通信距離設計，則某個移動臺駛近基站時，它的信號就會變強，對于基站接收機來講，能夠從接收信號中更好地檢出該移動臺的信號，但同時必然會對其它距離基站比較遠的移動臺的信號產(chǎn)生非常嚴重的干擾，不利于基站檢出其他移動臺的信號。“遠近效應”，靠近基站的移動臺的信號很好，但遠離基站的移動臺的信號很差為了解決這個問題，可以采用功率控制技術或者多用戶檢測技術。無線通信基礎與應用3110.4.2多址干擾與遠近效應功率控制是指控制基站或者移動臺的發(fā)射功率，使其信號在到達接收機時剛好滿足通信質量的信干比要求。過大的功率不會顯著提高接收信號的質量，反而會對其他用戶形成不必要的干擾。按照功率控制的目標和方向，功率控制可以分為反向功率控制和正向功率控制。反向功率控制也稱上行鏈路功率控制，其主要目標是使任意位置的移動臺發(fā)出的信號在到達基站接收機時，都具有相同的電平，而且剛好達到滿足通信質量要求的信干比門限.正向功率控制也稱下行鏈路功率控制，其目標是在保證本小區(qū)移動臺的信號質量的前提下，對其它小區(qū)下行鏈路上的多址干擾最小化。無線通信基礎與應用3210.4.2多址干擾與遠近效應功率控制的類型，按移動臺和基站是否同時參與，可將分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制兩大類。開環(huán)功率控制不需要接收機參與反饋，發(fā)射機直接按照某種策略對其發(fā)射功率進行控制。一般采用的方法是，根據(jù)接收到的對方的信號質量，判斷其與對方的距離，從而調整其發(fā)射功率。但是在FDD雙工方式中，上行和下行鏈路的信道衰落情況并不一定相關，此時實施開環(huán)功率控制的精度不會很高，只能起到粗略控制的作用。閉環(huán)功率控制則需要接收機的參與和反饋，它的原理是接收方根據(jù)接收到的信號質量好壞，通過額外的鏈路向發(fā)送方進行反饋，發(fā)送方根據(jù)反饋信息對其發(fā)射功率進行調整。閉環(huán)功率控制的優(yōu)點是控制精確，但需要額外的信令信道來實現(xiàn)信息反饋。在移動通信系統(tǒng)中，一般上行鏈路采用閉環(huán)功率控制，以便移動臺能有最小的功率消耗，而下行鏈路則多采用開環(huán)功率控制，以減小信令的開銷。無線通信基礎與應用3310.4.2多址干擾與遠近效應多用戶檢測每個用戶使用的擴頻碼對于基站來說都是已知的，基站可以利用這一點同時解調所有用戶的信息，即多用戶檢測。多用戶檢測可以在充分考慮多用戶之間相互干擾的基礎上，解出每個用戶發(fā)送的擴頻信號，因而在CDMA移動通信系統(tǒng)的基站側特別有用。無線通信基礎與應用3410.4.3碼分多址的容量

無線通信基礎與應用3510.4.3碼分多址的容量

無線通信基礎與應用3610.4.3碼分多址的容量

無線通信基礎與應用3710.4.3碼分多址的容量畫出了不同用戶數(shù)條件下，CDMA系統(tǒng)中單個用戶的歸一化信道容量曲線，作為對比，還畫出了FDMA和TDMA系統(tǒng)下單個用戶的歸一化信道容量曲線。無線通信基礎與應用3810.4.4碼分多址的特點CDMA的主要特點可以概括如下：多址干擾和遠近效應：CDMA系統(tǒng)中特有的多址干擾很容易產(chǎn)生遠近效應。解決這個問題的的最簡單有效的技術是功率控制技術，功率控制是CDMA系統(tǒng)得以商用的核心關鍵技術之一。軟容量：CDMA系統(tǒng)的全部用戶共享一個無線信道，完全依靠擴頻碼來區(qū)分每一個用戶信號，系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)量主要受限于多址干擾。也就是說碼分多址系統(tǒng)的容量沒有硬限制，可以在一定的范圍內浮動。因此當系統(tǒng)重載運行時，再增加少數(shù)用戶只會引起話音質量的輕微下降（或者說信干比稍微降低），而不會出現(xiàn)沒有可用信道分配的現(xiàn)象。軟切換：CDMA蜂窩系統(tǒng)具有“軟切換”功能。即在越區(qū)切換的起始階段，由原小區(qū)的基站與新小區(qū)的基站同時為越區(qū)的移動臺服務，直到該移動臺與新基站之間建立起可靠的通信鏈路后，原基站才中斷它和該移動臺的聯(lián)系。軟切換功能既可以保證越區(qū)切換成功的概率，又可以利用兩個基站的分集效果提高越區(qū)切換時的通信質量?？顾ヂ洌篊DMA蜂窩系統(tǒng)以擴頻技術為基礎，因而它具有擴頻通信系統(tǒng)所固有的優(yōu)點，如抗干擾、抗多徑衰落等。另外還可以使用RAKE接收機充分利用多徑信號以提高接收信號質量。無線通信基礎與應用3910.5空分多址SDMA空分多址（SpaceDivisionMultipleAccess，SDMA）的基礎是具有尖銳方向性且方向可以靈活變動的定向天線，通過利用這種定向天線的方向性來區(qū)分信道，實現(xiàn)信道在空間上的劃分。若采用自適應陣列天線實現(xiàn)空分多址，可在不同的用戶方向上形成不同的波束，理想情況下，自適應天線具有極窄的波束和快速的跟蹤速度，可為小區(qū)內每個用戶提供不同指向的波束。無線通信基礎與應用4010.5空分多址SDMASDMA可以從多方面改善通信系統(tǒng)的性能，減少干擾和多徑衰落，提高頻譜利用率，其主要特點如下：減小干擾；SDMA技術具有空間濾波器的作用，將信號輻射限制在某個較小的角度內，減少了在其它方向上的干擾。減少時延擴展和多徑衰落；時延擴展是由多徑傳播引起的，使用SDMA后，在期望信號方向上形成定向波束，抑制了其他方向上的多徑信號，從而消除了部分多徑時延分量，降低了小尺度衰落的強度，在某些空曠的傳播環(huán)境中，甚至可以消除多徑衰落。增加用戶容量；可以在有限頻譜內支持更多的用戶，從而成倍提高用戶容量和頻譜效率。無線通信基礎與應用4110.6正交頻分多址接入OFDMA正交頻分復用OFDM能夠很好地對抗無線信道中的頻率選擇性衰落，獲得很高的頻譜利用率，非常適用于無線寬帶信道下的高速數(shù)據(jù)傳輸。這種技術也可以用作多址方式，正交頻分多址接入（