《通信系統(tǒng)原理》課件第11章

11.1通信資源的分配

11.2頻分復(fù)用和頻分多址

11.3時(shí)分復(fù)用和時(shí)分多址

11.4碼分多址

11.5空分多址和極分多址

11.6多址通信系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

11.7局域網(wǎng)的多址接入技術(shù)

思考題

習(xí)題

第11章多路復(fù)用和多址接入11.1通信資源的分配多路復(fù)用和多址接入都是指通信資源的共享，但是兩者有所不同。就多路復(fù)用而言，用戶對資源共享的需求是固定的或者緩慢變化的，資源已經(jīng)預(yù)先分配，共享通常發(fā)生在局部端點(diǎn)，例如一塊電路板上。而多址接入則通常包括資源的遠(yuǎn)程共享，例如蜂窩移動通信中不同用戶對系統(tǒng)的接入需求。對于動態(tài)變化的多址接入系統(tǒng)，控制中心還必須知道每個(gè)用戶對通信資源的需求。信息傳輸所需的時(shí)間也是系統(tǒng)開銷的一部分，它決定了通信資源利用率的上限。提高通信資源的吞吐量(即總數(shù)據(jù)速率)的基本方法有三種。第一種是提高發(fā)信機(jī)的有效各向同性輻射功率(EIRP，EffectiveIsotropicRadiatedPower)或者降低系統(tǒng)損耗，從而提高接收端的信噪比。第二種方法是提供更多的信道帶寬等通信資源。第三種方法是更高效地分配通信資源，這是多址接入技術(shù)的主要研究領(lǐng)域。例如對于衛(wèi)星通信而言，大量用戶之間以各種比特速率和占空比相互傳遞數(shù)字信息，如何有效地將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的固定的通信資源分配給這些用戶，是多路復(fù)用和多址接入需要解決的問題。多路復(fù)用和多址接入所采用的通信資源的基本分配方法主要有以下幾種：

(1)頻分多路復(fù)用/頻分多址(FDMA，F(xiàn)requencyDivisionMultipleAccess)：對通信資源中的頻率的特定子頻帶進(jìn)行分配。

(2)時(shí)分多路復(fù)用/時(shí)分多址(TDMA，TimeDivisionMultipleAccess)：系統(tǒng)對周期循環(huán)的時(shí)隙進(jìn)行分配，有些系統(tǒng)為用戶分配固定的時(shí)隙，有些系統(tǒng)則讓用戶采用隨機(jī)訪問的方式共享時(shí)間資源。

(3)碼分多路復(fù)用(CDM，CodeDivisionMultiplexing)/碼分多址(CDMA，CodeDivisionMultipleAccess)：利用各路信號碼型結(jié)構(gòu)的正交性而實(shí)現(xiàn)的通信資源分配。系統(tǒng)為用戶分配一個(gè)正交或者接近正交的擴(kuò)頻碼本集合中的一個(gè)碼本，每個(gè)用戶都使用全部信道帶寬。

(4)多波束頻率復(fù)用/空分多址(SDMA，SpaceDivisionMultipleAccess)：采用點(diǎn)波束天線通過指向不同的方向來實(shí)現(xiàn)信號的復(fù)用，允許同一頻帶的再利用。

(5)極化復(fù)用(PDM，PoarizationDivisionMultiplexing)/極分多址(PDMA，PoarizationDivisionMultipleAccess)：采用正交極化天線來分離信號，允許同一頻帶的再使用。所有多路復(fù)用和多址接入方案的關(guān)鍵是，各種信號在共享通信資源時(shí)，不會在檢測過程中產(chǎn)生難以處理的相互干擾，即一個(gè)信道上傳輸?shù)男盘柌荒茱@著地增加另一個(gè)信道中傳輸?shù)男盘柕恼`碼率，這就要求信號應(yīng)當(dāng)是正交的或者是接近正交的。信號波形xi(t)(i=1，2，…)如果在時(shí)域中滿足

(11.1)則它們是正交的，其中K是一個(gè)非零常量。如果信號在頻域中滿足

(11.2)

則它們也是正交的，其中函數(shù)Xi(f)是xi(t)的傅里葉變換。用式(11.1)表示的正交波形的信道化就稱為時(shí)分復(fù)用或者時(shí)分多址；同樣，用式(11.2)表示的正交頻譜的信道化就稱為頻分復(fù)用或者頻分多址。多址接入的基本思想可以用圖11.1描述。圖中通信資源用一個(gè)頻率-時(shí)間平面描述，不同的頻率-時(shí)間分配方案給出了不同的接入方式。圖11.1多址技術(shù)的基本思想11.2頻分復(fù)用和頻分多址11.2.1頻分復(fù)用原理頻分復(fù)用是指將所給的信道帶寬分割成互不重疊的許多小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間能順利通過一路信號?？梢岳脤φ也ㄕ{(diào)制的方法，先將各路信號分別調(diào)制在不同的副載波上，即將各路信號的頻譜分別搬到相應(yīng)的小區(qū)間里，然后把它們一起發(fā)送出去。在接收端用中心頻率調(diào)在各個(gè)副載波上的帶通濾波器將各路已調(diào)信號分離開來，再進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，取出各路信號。頻分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用很多，例如載波電話、調(diào)頻立體聲、電視廣播、空間遙測裝置等。一個(gè)3路帶限調(diào)制信號的多路頻分復(fù)用原理如圖11.2所示。從圖中可以看出，3路調(diào)制信號分別通過低通濾波器(LPF)，形成帶限調(diào)制信號，以避免調(diào)制后對鄰路信號的干擾(頻譜重疊)。帶限信號對副載波fC1、fC2、fC3進(jìn)行SSB調(diào)制，產(chǎn)生xC1(t)、xC2(t)、xC3(t)，然后將它們相加得到x(t)，稱為頻分復(fù)用信號。只要適當(dāng)選擇副載波，并且調(diào)制信號又是帶限的，就不會產(chǎn)生各路信號頻譜重疊的現(xiàn)象。頻分復(fù)用信號可以直接通過信道傳輸，稱為一次調(diào)制；也可以將頻分復(fù)用信號再對某個(gè)載波fC調(diào)制后傳輸，稱為二次調(diào)制。在二次調(diào)制中，為了節(jié)約復(fù)用信號的頻譜寬度，第一次調(diào)制通常采用SSB調(diào)制，而第二次調(diào)制為了提高抗干擾性能，通常采用FM調(diào)制。在接收端將二次調(diào)制后的信號xC(t)解調(diào)成頻分復(fù)用信號x(t)，然后分路濾波并經(jīng)SSB解調(diào)，恢復(fù)出各路信號x1(t)、x2(t)、x3(t)。圖11.2頻分多路復(fù)用系統(tǒng)圖11.3描述了電話信道中FDM多路復(fù)用體系的最低二級。第1級由1組12個(gè)被調(diào)制到副載波的信道組成，頻率范圍為60~108kHz。第2級由5組共60個(gè)副載波調(diào)制的信道組成，頻率范圍為312~552kHz，這5組信道也稱為超群。多路復(fù)用信號可以看做一個(gè)合成信號，它可以通過電纜傳輸，也可以調(diào)制到載波進(jìn)行無線傳輸。圖11.3典型的頻分復(fù)用系統(tǒng)的調(diào)制方案頻分多路復(fù)用中有一個(gè)重要的指標(biāo)是路際串話，這是各路信號不希望有的交叉耦合，即某一路在通話的同時(shí)又聽到另外一路之間的通話。產(chǎn)生路際串話的主要原因是系統(tǒng)中的非線性傳輸，這在設(shè)計(jì)過程中要特別注意；其次的原因是各濾波器的濾波特性不良和副載波頻率漂移等。為了減少頻分復(fù)用信號頻譜的重疊，各路信號頻譜之間應(yīng)當(dāng)保留一定的頻率間隔，這個(gè)頻率間隔稱為防護(hù)頻帶。防護(hù)頻帶的大小主要和濾波器的過渡范圍有關(guān)。若濾波器的濾波特性不好，過渡范圍寬，則相應(yīng)的防護(hù)頻帶也要增加。頻分多路復(fù)用信號的帶寬和各路調(diào)制信號的帶寬、相鄰話路間的防護(hù)頻帶以及調(diào)制方式有關(guān)。假設(shè)信號x1(t)的頻譜為X1(f)，x2(t)與x3(t)的頻譜分別為X2(f)和X3(f)，采用SSB調(diào)制方式，則復(fù)用信號x(t)的頻譜X(f)如圖11.4所示。從圖中可以看出，在單邊帶調(diào)制時(shí)，復(fù)用信號的帶寬為

B=fX1+fX2+fX3+Bg1+Bg2 (11.3)

其中Bg1、Bg2為防護(hù)頻帶。圖11.4多路復(fù)用信號的頻譜如果采用其他調(diào)制方式，則頻分多路復(fù)用信號的帶寬要增加。例如振幅調(diào)制時(shí)滿足

B=2(fX1+fX2+fX3)+Bg1+Bg2

(11.4)從上面的討論可知，復(fù)用信號的最小帶寬是各調(diào)制信號的頻帶之和。如果不采用單邊帶調(diào)制，則B要增加。如果濾波特性不佳，副載波頻率漂移嚴(yán)重，則應(yīng)增加防護(hù)帶寬，B也同樣要增加。為了能在給定的信道內(nèi)同時(shí)傳輸更多路數(shù)的信號，要求邊帶濾波器的頻率特性比較陡峭。另外，收、發(fā)兩端都采用了很多的載波，為了保證收端相干解調(diào)的質(zhì)量，要求收、發(fā)兩端的載波保持同步，因此常用一個(gè)頻率穩(wěn)定度很高的主振源，并采用頻率合成技術(shù)來產(chǎn)生所需的各種頻率。采用頻分復(fù)用技術(shù)可以在給定的信道內(nèi)同時(shí)傳輸許多路信號，傳輸?shù)穆窋?shù)越多，則信號傳輸?shù)挠行栽礁?。頻分復(fù)用技術(shù)在有線通信、無線電報(bào)通信、微波通信中都得到廣泛的應(yīng)用。11.2.2衛(wèi)星系統(tǒng)的頻分多址方式商用衛(wèi)星通信中最常用的頻帶稱為C波段，上行鏈路為6GHz的載波，下行鏈路為4GHz的載波。對于C波段衛(wèi)星系統(tǒng)，國際上規(guī)定每個(gè)衛(wèi)星可以使用500MHz的帶寬。一般每個(gè)衛(wèi)星有12個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器占用36MHz帶寬。通常，36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器采用FDM/FM/FDMA的多宿多模式進(jìn)行工作。例如對于電話信號，每個(gè)信號的頻譜為4kHz的單邊帶(包括防護(hù)帶)，并組成多信道復(fù)合信號。然后，復(fù)合信號通過調(diào)頻方式調(diào)制到載波上，并發(fā)送給衛(wèi)星。頻分多址方案對36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬進(jìn)行再分割并分配給不同的用戶。只要用戶接入轉(zhuǎn)發(fā)器，就會得到一定的帶寬分配。這樣，復(fù)合FDM信號經(jīng)過FM調(diào)制后，在FDMA分配的帶寬內(nèi)發(fā)射給衛(wèi)星。FDMA的主要優(yōu)點(diǎn)是它的簡單性。FDMA信號不需要進(jìn)行同步或者中心定時(shí)；每個(gè)信道基本上獨(dú)立于其他信道。11.3時(shí)分復(fù)用和時(shí)分多址11.3.1時(shí)分復(fù)用的原理

1．時(shí)分復(fù)用的基本工作原理抽樣定理告訴我們，一個(gè)頻帶限制在fX以內(nèi)的時(shí)間上連續(xù)的模擬信號x(t)，可以用時(shí)間上離散了的抽樣值來傳輸，抽樣值中包含有x(t)的全部信息；當(dāng)抽樣頻率fS≥2fX時(shí)，可以從已抽樣的輸出信號xS(t)中，用一個(gè)帶寬B為fX≤B≤(fS-fX)的理想低通濾波器不失真地恢復(fù)x(t)，如圖11.5(a)所示，圖11.5(b)畫出了x(t)和xS(t)的波形。圖11.5抽樣定理的描述如果信道對信號傳輸不產(chǎn)生失真并且不引入噪聲，那么x′(t)的波形與x(t)的波形完全相同，只是大小和x(t)不同，或者產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲。如果像圖11.5那樣的傳輸系統(tǒng)只傳輸一路信號，那是非常不經(jīng)濟(jì)的，而且也沒有必要，因?yàn)橐宦沸盘柌恍枰闃?，直接傳輸就可以了。如果利用圖11.5(b)所示的xS(t)在時(shí)間上離散的相鄰脈沖間有很大空隙的特點(diǎn)，在空隙中再插入若干路也是抽樣后的信號，只要各路抽樣信號在時(shí)間上能區(qū)分開(即不重疊)，那么一個(gè)信道就有可能同時(shí)傳輸多路信號，達(dá)到多路復(fù)用的目的。這種多路復(fù)用稱為時(shí)分多路復(fù)用。

2．時(shí)分復(fù)用的原理框圖和各點(diǎn)波形圖11.6是一個(gè)時(shí)分復(fù)用的原理框圖，為作圖方便只畫出了三路。在發(fā)端，旋轉(zhuǎn)開關(guān)按照產(chǎn)生抽樣脈沖的定時(shí)電路給出的順序完成各路信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期TS=1/fS。轉(zhuǎn)換開關(guān)按一定順序(例如圖中按1、2、3的順序)將各路信號接入并取樣，圖11.7畫出了各路信號取樣后的波形和合成以后的波形。各路信號脈沖間隔為TS，合路信號脈沖的間隔為TS/N，其中N為路數(shù)，在圖11.7(d)中，合路信號脈沖間隔為TS/3。在接收端，用一個(gè)和發(fā)送端同步的定時(shí)電路控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，區(qū)分不同路的信號，把各路信號的抽樣脈沖序列分離出來，再用低通濾波器恢復(fù)各路所需要的信號。

圖11.6三路時(shí)分復(fù)用的原理框圖

圖11.7時(shí)分復(fù)用的波形

3．時(shí)分復(fù)用中幾個(gè)問題的討論

(1)抽樣速率、抽樣脈沖寬度和復(fù)用路數(shù)的關(guān)系。傳輸一路信號時(shí)，抽樣頻率fS≥2fX，以傳輸話音x(t)為例，fS通常為8kHz，抽樣周期TS=125μs，抽樣脈沖的寬度τ要比125μs小。傳輸N路信號，即N路復(fù)用時(shí)，在原先一路信號的抽樣周期TS內(nèi)要順序地插入N路抽樣脈沖，而且各個(gè)脈沖間還要留出一些空隙即保護(hù)時(shí)間。假設(shè)保護(hù)時(shí)間tg和取樣脈沖寬度τ相等，這樣取樣脈沖的寬度τ=TS/2N=t0，N比較大時(shí)，τ很小。而τ不能做得很小，因此復(fù)用的路數(shù)N也不能太多。

(2)信號帶寬與路數(shù)的關(guān)系。時(shí)分復(fù)用信號的帶寬有不同的含義。一種是信號本身具有的帶寬，從理論上講，時(shí)分復(fù)用信號是一個(gè)窄脈沖序列，它具有無窮大的帶寬，但是其頻譜的主要能量集中在0~1/τ以內(nèi)，因此從傳輸主要能量的觀點(diǎn)考慮，帶寬B在(1/τ，2/τ)之間，也就是落在(2NfS，4NfS)范圍內(nèi)。但是從另一個(gè)方面考慮，如果不是傳輸復(fù)用信號的主要能量，也不要求脈沖序列的波形不失真，而只要求傳輸抽樣脈沖序列的包絡(luò)即各脈沖的高度，此時(shí)帶寬只需NfS/2即可，即N路信號時(shí)分復(fù)用時(shí)，每秒NfS個(gè)脈沖中的信息可以在NfS/2的帶寬內(nèi)傳輸，因此B=NfS/2?？偟膩碚f，帶寬與NfS成正比，fS一般為8kHz，因此路數(shù)越多，帶寬越大。

(3)時(shí)分復(fù)用信號仍然是基帶信號。時(shí)分復(fù)用得到的信號仍然是基帶信號，不過這個(gè)時(shí)候是N路信號合在一起的基帶信號，這個(gè)基帶信號可以通過基帶傳輸系統(tǒng)直接傳輸，也可以經(jīng)載頻調(diào)制后通過頻帶傳輸系統(tǒng)傳輸。例如，像圖11.5所示的時(shí)分復(fù)用的PAM信號，經(jīng)過單邊帶調(diào)制以后可以在無線電信道傳輸，這種傳輸系統(tǒng)可以用TDM-PAM/SSB表示?，F(xiàn)在通常不采用如圖11.5所示的PAM信號，代之以PCM和ΔM信號，PCM和ΔM信號也都可以復(fù)用，例如TDM-PCM/SSB表示多路復(fù)用的PCM信號經(jīng)過單邊帶調(diào)制以后的頻帶傳輸系統(tǒng)。下面介紹多路PCM信號的時(shí)分復(fù)用。11.3.2時(shí)分復(fù)用的PCM系統(tǒng)(TDM-PCM)

1．TDM-PCM的原理

PCM和PAM的區(qū)別在于PCM要在PAM信號基礎(chǔ)上經(jīng)過量化和編碼，把PAM中的一個(gè)抽樣脈沖量化后編為k位二進(jìn)制代碼。圖11.8表示一個(gè)只有3路PCM復(fù)用的系統(tǒng)。圖11.8(a)畫出了發(fā)端的原理框圖，話音信號經(jīng)過放大和低通濾波后得到x1(t)、x2(t)、x3(t)；然后經(jīng)過抽樣得到3路PAM信號xS1(t)、xS2(t)、xS3(t)，它們在時(shí)間上是分開的，由各路的發(fā)定時(shí)取樣脈沖控制。3路PAM信號一起進(jìn)入量化和編碼器進(jìn)行編碼，每個(gè)PAM信號的抽樣脈沖經(jīng)量化后編為k位二進(jìn)制代碼。編碼后的PCM代碼經(jīng)過碼型變換，變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)拇a型，然后經(jīng)過信道傳輸?shù)浇邮斩?。圖11.8TDM-PCM方框圖圖11.8(b)為接收端的原理框圖。收端收到信碼后，首先經(jīng)過碼型反變換，然后加到譯碼器進(jìn)行譯碼，譯碼后是3路合在一起的PAM信號，再經(jīng)過分離電路把各路PAM信號區(qū)分出來，最后經(jīng)過放大和低通濾波還原為話音信號。

2．碼元速率與信號帶寬

TDM-PCM的信號代碼在每一個(gè)抽樣周期內(nèi)有Nk個(gè)，其中N為路數(shù)，k為每個(gè)抽樣值編碼時(shí)編的碼位數(shù)。因此，碼元速率為NkfS波特，即fb=NkfS。實(shí)際上碼元速率要比NkfS大一些，因?yàn)槌诵盘柎a以外，還要加入同步碼元、振鈴用的振鈴碼和監(jiān)視測試等使用的監(jiān)測碼等。例如24路PCM中，如果只計(jì)信碼，則當(dāng)fS=8kHz，k=7時(shí)，碼元速率fb=24×7×8000=1344000=1.344×106波特。但是，當(dāng)計(jì)及振鈴碼和同步碼后，fb=1.544×106波特。從不產(chǎn)生碼間串?dāng)_出發(fā)，要求的最小信道帶寬為B=fb/2=NkfS/2。實(shí)際應(yīng)用中一般B=NkfS。11.3.3時(shí)分復(fù)用/時(shí)分多址和頻分復(fù)用/頻分多址的比較

1.時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用的比較

1)復(fù)用的原理

FDM用頻率來區(qū)分同一信道上同時(shí)傳輸?shù)母髀沸盘?，各路信號在頻譜上互相分開，但是在時(shí)間上重疊在一起。

TDM是在時(shí)間上區(qū)分同一信道上輪流傳輸?shù)母髀沸盘?，各路信號在時(shí)間上互相分開，但是在頻譜上重疊在一起。圖11.1(a)、(b)分別畫出了FDM和TDM各路信號在頻譜上和時(shí)間上的特點(diǎn)。

2)設(shè)備復(fù)雜性

FDM復(fù)用部分的設(shè)備簡單，TDM因?yàn)橐猛较到y(tǒng)，比較復(fù)雜。TDM分路部分的設(shè)備簡單，所有的濾波器都是相同的低通濾波器，而FDM因?yàn)橐貌煌妮d頻和不同的帶通濾波器等，相對復(fù)雜。但是總的來說，TDM的設(shè)備要簡單些。除了路數(shù)很少時(shí)用FDM以外，路數(shù)較多時(shí)用TDM比較好。但當(dāng)路數(shù)很多時(shí)，TDM由于取樣脈沖寬度τ不能太小而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)困難，F(xiàn)DM沒有這種限制，因此復(fù)用路數(shù)很多時(shí)要用FDM。

3)抗各路信號之間的干擾各路信號間的干擾導(dǎo)致各路互相串話。在FDM系統(tǒng)中，由于各路信號在時(shí)間上同時(shí)存在，因此在復(fù)用部分的放大器中只要有非線性特性，就會引起各路頻譜間的組合干擾，從而引起互相干擾即串話，所以FDM系統(tǒng)中對于線性的要求比單路通信時(shí)要嚴(yán)格得多。在TDM系統(tǒng)中，各路信號在時(shí)間上是分開的，因此在TDM系統(tǒng)中對線性的要求同單路通信時(shí)一樣，沒有FDM系統(tǒng)中要求得那樣嚴(yán)格，產(chǎn)生的路間串話也要比FDM系統(tǒng)的小。

4)需要的傳輸帶寬由前面關(guān)于TDM和FDM對信道傳輸帶寬的計(jì)算可以看到，兩者是一樣的，N路復(fù)用時(shí)對信道帶寬的要求都是單路的N倍。

2.頻分多址和時(shí)分多址的性能比較

1)比特率等價(jià)性假設(shè)FDMA和TDMA系統(tǒng)能夠支持的全部速率都為R。FDMA系統(tǒng)的帶寬被分成M個(gè)正交頻帶，因此M個(gè)信息源的每一個(gè)Sm(1≤m≤M)都能以R/M的比特率進(jìn)行同步傳輸。而TDMA系統(tǒng)的每個(gè)幀被分成M個(gè)正交時(shí)隙，因此M個(gè)信息源的每一個(gè)Sm都以速率R傳輸，時(shí)間是同等FDMA用戶的M倍。在這兩種情形下，信息源都以平均速率R/M傳輸信息。假設(shè)每個(gè)信息源產(chǎn)生的信息組成b比特每群，稱為包或者數(shù)據(jù)分組。在FDMA的情況下，在M個(gè)不相交的信道中，b比特的分組都可以在T秒內(nèi)傳輸完，因此需要的全部的比特率是

(11.5)

在TDMA情況下，從每個(gè)信息源發(fā)出的b個(gè)比特可以在T/M秒內(nèi)傳輸完。因此需要的比特率是

(11.6)比較式(11.5)和式(11.6)可以得到

(11.7)

2)消息延遲上述分析似乎說明FDMA和TDMA之間的對應(yīng)性導(dǎo)致了同樣的性能，但是當(dāng)比較的標(biāo)準(zhǔn)是平均包延遲時(shí)，情況就不是這樣了。TDMA的包延遲小于FDMA包延遲，在這一方面TDMA的性能優(yōu)于FDMA。如前所述，假定FDMA情況下系統(tǒng)帶寬分成M個(gè)正交頻帶，在TDMA情況下幀被分成M個(gè)正交時(shí)隙。以傳輸確定的信息源為例，假定通信資源100％的被使用，所以在FDMA情況下所有的頻帶都填充滿了數(shù)據(jù)包，在TDMA情況下所有的時(shí)隙也都填滿了數(shù)據(jù)包。為了簡化，假定無需防護(hù)頻帶和防護(hù)時(shí)間間隔。消息延遲定義為

D=w+τ

(11.8)其中，w是包的平均等待時(shí)間(傳輸前)，τ是包的傳輸時(shí)間。在FDMA情況下，每個(gè)包在T秒間隔上發(fā)送，所以FDMA包的傳輸時(shí)間為τFD=T

(11.9)在TDMA情況下，每個(gè)包在T/M的時(shí)隙內(nèi)傳輸完。根據(jù)式(11.7)，得到TDMA包的傳輸時(shí)間為

(11.10)

FDMA信道是連續(xù)可用的，包一旦生成就馬上被傳輸，因此FDMA的等待時(shí)間是wFD=0

(11.11)圖11.9比較了FDMA和TDMA的比特流。對于TDMA而言，圖11.9(a)描述了每個(gè)用戶時(shí)隙在幀中的開始時(shí)間不同，即包Smk在幀產(chǎn)生的瞬間開始計(jì)時(shí)后的(m-1)T/M秒才開始(其中1≤m≤M)，因此TDMA包在開始傳輸前的平均等待時(shí)間是

(11.12)圖11.9TDMA和FDMA的比特流比較包傳輸之前最大的等待時(shí)間是(M-1)T/M，每個(gè)包平均等待(M-1)(T/M)/2=(T/2)(1-1/M)秒，如式(11.12)所示。為比較FDMA和TDMA的平均延遲時(shí)間DFD和DTD，將式(11.9)和式(11.11)代入(11.8)中，并將式(11.10)和式(11.12)帶入式(11.8)中，得到

DFD=T

(11.13)(11.14)由式(11.7)和式(11.14)可以得到

(11.15)

以上結(jié)果表明，從消息延遲的角度看，TDMA的性能優(yōu)于FDMA。盡管式(11.15)是在假定數(shù)據(jù)源是確定性的條件下得到的結(jié)果，但是適用于對任何到達(dá)時(shí)間獨(dú)立的消息過程。11.4碼分多址在圖11.1(a)中，通信資源是通過水平分割FDMA頻帶來共享的。在圖11.1(b)中，通信資源則是通過垂直分割TDMA時(shí)隙來共享的，這兩種技術(shù)是多址接入中應(yīng)用最普遍的技術(shù)。而在圖11.1(c)中，通信資源被FDMA和TDMA的兩種組合所分割，稱為碼分多址(CDMA)，它是擴(kuò)頻技術(shù)的一種應(yīng)用。圖11.1(c)形象化地描述了跳頻CDMA，頻帶被臨時(shí)分配給不同的信號源，在每個(gè)連續(xù)時(shí)隙里(持續(xù)時(shí)間通常很短)，頻帶會被重新分配。例如，在時(shí)隙1里，信號1占用了頻帶1，信號2占用了頻帶2，信號3占用了頻帶3；而在時(shí)隙2里，信號1跳到了頻帶3，信號2跳到了頻帶1，信號3跳到了頻帶2，等等。每個(gè)用戶使用的偽隨機(jī)序列跟其他所有用戶的PN序列正交或者接近正交，這其中包含了跳頻頻帶的分配。相對于TDMA，跳頻CDMA的優(yōu)點(diǎn)是用戶組之間不需要同步(僅僅在同一個(gè)組的發(fā)射器和接收器之間需要同步)。圖11.10描述了跳頻調(diào)制過程。在每個(gè)跳頻時(shí)間里，PN碼生成器發(fā)送一個(gè)碼序列給跳頻器，跳頻器生成了一個(gè)許用的跳頻序列。假定數(shù)據(jù)調(diào)制使用M進(jìn)制FSK(M-aryFSK)，在傳統(tǒng)的MFSK系統(tǒng)中，數(shù)字信號在固定頻率的載波上調(diào)制，而在跳頻MFSK系統(tǒng)中，數(shù)字信號調(diào)制所用的載波頻率擴(kuò)展到整個(gè)通信資源占用的頻帶上。圖11.10CDMA跳頻調(diào)制過程與FDMA和TDMA相比，CDMA具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)保密性。屬于特殊用戶組的代碼僅允許在授權(quán)用戶之間收發(fā)，傳輸?shù)男盘柌灰妆环鞘跈?quán)用戶截獲，所以CDMA提供了通信的保密性。

(2)抗衰落。如果頻譜的某一部分有嚴(yán)重的衰落，則落在這段頻譜范圍內(nèi)的信號就會遭受衰落的影響。在FDMA系統(tǒng)里，一個(gè)用戶很可能會被分配到有嚴(yán)重衰落特性的某個(gè)頻段上，只要衰落存在，該用戶將始終經(jīng)歷嚴(yán)重衰落的通信過程。但是在跳頻CDMA方案里，僅當(dāng)用戶跳到這個(gè)受影響的頻譜部分，用戶的通信才會被影響。因此對CDMA來說，這種衰落的影響是所有用戶共同承擔(dān)的。

(3)抗阻塞。在一個(gè)給定的CDMA跳頻上，信號帶寬與傳統(tǒng)的MFSK帶寬(等于傳輸MFSK信號所需的最小帶寬)相等。但是經(jīng)過許多時(shí)隙后，系統(tǒng)會在一個(gè)比數(shù)據(jù)頻帶寬得多的頻帶上跳變，稱為擴(kuò)頻，而擴(kuò)頻具有良好的抗阻塞性。

(4)靈活性。CDMA方案相比于TDMA方案的最大優(yōu)點(diǎn)，是在各個(gè)同步收發(fā)器之間不需要精確的時(shí)間同步，基于不同編碼的用戶傳輸之間的正交性不受傳輸時(shí)間變化的影響。11.5空分多址和極分多址空分多址(SDMA)也稱多波束頻帶復(fù)用，它將空間分割成不同的信道。例如，在一顆衛(wèi)星上使用多個(gè)天線，各個(gè)天線的波束射向地球表面的不同區(qū)域。地面上不同地區(qū)的地球站，它們在同一時(shí)間即使使用相同的頻率進(jìn)行工作，也不會形成相互干擾。圖11.11給出了用時(shí)間-頻率-空間三維表示的通信資源分配關(guān)系。由圖中可見，F(xiàn)DMA是對頻帶的分割，TDMA是對時(shí)間的分割，而SDMA則是對空間的分割。SDMA是一種新的多址技術(shù)，它已在中國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中得到應(yīng)用，此外，在衛(wèi)星通信中也應(yīng)用了SDMA。圖11.11通信資源的時(shí)間-頻率-空間分割

SDMA實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)是智能天線的應(yīng)用，理想情況下，它要求天線給每個(gè)用戶分配一個(gè)點(diǎn)波束，這樣根據(jù)用戶的空間位置就可以區(qū)分每個(gè)用戶的無線信號。換句話說，處于不同位置的用戶可以在同一時(shí)間使用同一頻率和同一碼型而不會相互干擾。實(shí)際上，SDMA通常都不是獨(dú)立使用的，而是與其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等結(jié)合使用，也就是說，對處于同一波束內(nèi)的不同用戶再用這些多址方式加以區(qū)分。應(yīng)用SDMA具有明顯的優(yōu)勢，它可以提高天線增益，使得功率控制更加合理有效，顯著提升系統(tǒng)容量；此外，一方面可以削弱來自外界的干擾，另一方面還可以降低對其他系統(tǒng)的干擾。如前所述，SDMA實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是智能天線技術(shù)，這也正是當(dāng)前應(yīng)用SDMA的難點(diǎn)。特別是對于移動用戶，由于移動無線信道的復(fù)雜性，使得智能天線中關(guān)于多用戶信號的動態(tài)捕獲、識別與跟蹤以及信道的辨識等算法極為復(fù)雜，從而對數(shù)字信號處理(DSP，DigitalSignalProcessing)提出了很高的要求。極化波復(fù)用是在衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中采用的另一種復(fù)用技術(shù)，它利用一個(gè)天線饋源來同時(shí)接收兩種極化方式的波束，例如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化，以此實(shí)現(xiàn)復(fù)用。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中通常采用兩種辦法來實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用：一種是同一頻帶采用不同極化方式，如垂直極化和水平極化，左旋圓極化和右旋圓極化等；另一種是不同波束內(nèi)重復(fù)使用同一頻帶，此辦法廣泛使用于多波束系統(tǒng)中。11.6多址通信系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)多址協(xié)議或者多址算法(MAA，MultipleAccessAlgorithm)是一種規(guī)則，它指導(dǎo)用戶怎樣使用時(shí)間、頻率、編碼函數(shù)等與其他用戶進(jìn)行通信。多址接入系統(tǒng)是硬件與支持MAA軟件的結(jié)合。多址接入系統(tǒng)的目標(biāo)是及時(shí)、有序、有效地提供通信服務(wù)。圖11.12描述了衛(wèi)星接入系統(tǒng)的一些基本選擇方案，圖中不同的圖例符號表示地面站是否有MAA控制器，以及衛(wèi)星是否有MAA控制器。在圖11.12(a)中，將某個(gè)地面站設(shè)置成控制器，這個(gè)地面站擁有一臺MAA計(jì)算機(jī)，響應(yīng)所有其他用戶的請求服務(wù)。在這種情況下，用戶的請求必須經(jīng)過衛(wèi)星返回到控制器，控制器的響應(yīng)必須通過衛(wèi)星傳輸，因此，對于每個(gè)服務(wù)必須要有兩個(gè)上行和下行傳輸鏈路。在圖11.12(b)中，把MAA控制器分給所有地面站，每個(gè)地面站采用同樣的多址接入算法，知道關(guān)于接入請求和任務(wù)的相同信息，因此，每個(gè)服務(wù)僅需要一個(gè)往返行程。圖11.12(c)描述了MAA控制器在衛(wèi)星中的情況，服務(wù)請求是從用戶到衛(wèi)星，衛(wèi)星立刻做出響應(yīng)并返回；每個(gè)服務(wù)任務(wù)也只需要一個(gè)往返行程。圖11.12衛(wèi)星多址接入結(jié)構(gòu)11.6.1多址接入信息流圖11.13描述了多址接入算法或控制器與地面站之間的基本信息流。如前所述，控制器可以放置在衛(wèi)星、主站或者分布在所有的地面站上。圖11.13多址接入信息流多址接入的信息流程由如下幾個(gè)部分組成：

(1)信道化?？刂菩畔⒌男诺阑o出了最基本的信息分配方案。例如，信道1~N可能分給了陸軍，信道N＋1～M可能分給了海軍，等等，這種分配信息很少改變。

(2)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)描述了系統(tǒng)中通信資源的狀態(tài)，基站會被告知關(guān)于通信資源的可利用性以及傳輸服務(wù)請求需要的資源位置(例如時(shí)間、頻帶、碼的位置)。

(3)服務(wù)請求。在這一階段由站點(diǎn)安排服務(wù)請求，例如進(jìn)行m個(gè)信息時(shí)隙的分配。

(4)進(jìn)程表。控制器或MAA接收到服務(wù)請求時(shí)，會發(fā)送給站點(diǎn)一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)在通信資源中的時(shí)間和地點(diǎn)定位的進(jìn)程表。

(5)數(shù)據(jù)。站點(diǎn)根據(jù)分配的進(jìn)程表傳輸數(shù)據(jù)。11.6.2按需分配多址接入如果站點(diǎn)不管它的實(shí)際需求是否需要而周期性地接入信道，則這種多址接入方案就是固定分配的多址接入方案。與此相應(yīng)的是動態(tài)接入方案，有時(shí)稱為按需分配多址接入(DAMA,DemandAssignmentMultipleAccess)，當(dāng)需要接入的時(shí)候才讓站點(diǎn)接入信道。如果從站點(diǎn)發(fā)出的通信信息是突發(fā)性的或者是斷續(xù)的，則DAMA方式會比固定分配方式更有效，它利用了實(shí)際需求負(fù)荷很少等于最高負(fù)荷這一特性。如果系統(tǒng)容量等于其最高負(fù)荷并且傳輸是突發(fā)性的，則系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)處于空閑狀態(tài)。但是，通過使用緩沖區(qū)和DAMA，用容量為平均負(fù)荷的系統(tǒng)就可以處理此類突發(fā)性傳輸，其代價(jià)是一些序列的延時(shí)發(fā)送。圖11.14描述了系統(tǒng)容量等于用戶需求總數(shù)的固定分配方案和系統(tǒng)容量等于用戶需求平均數(shù)的DAMA系統(tǒng)之間的區(qū)別。從圖中可以看出，系統(tǒng)使用動態(tài)信道分配，可以減小占用的系統(tǒng)帶寬。圖11.14固定分配多址方案與DAMA方案的帶寬比較11.7局域網(wǎng)的多址接入技術(shù)局域網(wǎng)(LAN，LocalAreaNetwork)用于互連同一幢樓或幾幢樓內(nèi)的計(jì)算機(jī)、終端、打印機(jī)等。遠(yuǎn)程網(wǎng)為了降低成本通常使用公用電話網(wǎng)，而局域網(wǎng)通常鋪設(shè)自己的寬帶電纜，由于帶寬比較充裕，局域網(wǎng)可以使用簡單的接入算法。11.7.1載波偵聽多址接入網(wǎng)以太網(wǎng)是Xerox公司提出的一種局域網(wǎng)接入技術(shù)，它基于這樣一個(gè)假設(shè)，即每個(gè)本地設(shè)備在使用信道之前，能夠檢測共用廣播信道的狀態(tài)，將這種技術(shù)稱為載波偵聽多址接入/沖突檢測(CSMA/CD，Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionDection)，其中“載波”指電纜上的任何電運(yùn)動。圖11.15(a)描述了以太網(wǎng)規(guī)范的比特域格式，包長度為72~1526字節(jié)，由8字節(jié)的前同步域、14字節(jié)報(bào)頭域、4字節(jié)監(jiān)督校驗(yàn)域以及46~1500字節(jié)的數(shù)據(jù)域組成，每字節(jié)8比特。報(bào)頭中的源地址是發(fā)送設(shè)備的唯一地址，類型域決定了怎樣解釋數(shù)據(jù)域，目的地址域是接收端用于決定是否接收某個(gè)特定包的依據(jù)。圖11.15以太網(wǎng)的比特域和PCM格式以太網(wǎng)的多址接入算法定義了如下的用戶操作或響應(yīng)：

(1)延遲：表示用戶不能在載波出現(xiàn)時(shí)或者最小包間隔內(nèi)傳輸信息。

(2)傳輸：如果沒有延遲，則用戶可以進(jìn)行傳輸，直到包結(jié)束或者檢測到?jīng)_突。

(3)中斷：如果檢測到?jīng)_突，則用戶必須中斷包的傳輸，并傳輸一個(gè)短阻塞信號，以確保所有沖突用戶知道沖突的發(fā)生。

(4)重傳：用戶必須等待一個(gè)隨機(jī)延遲時(shí)間再進(jìn)行重傳。

(5)后退：第n次重傳之前的延遲是0~2n-1之間均勻分布的一個(gè)隨機(jī)數(shù)(0≤n≤10)，即后退時(shí)間。圖11.15(b)顯示了遵循以太網(wǎng)規(guī)范的10Mb/s曼徹斯特PCM格式的數(shù)據(jù)流。在這種格式下，每個(gè)比特單元都有一個(gè)躍變的過程。二進(jìn)制“1”用由低到高的躍變表示，二進(jìn)制“0”用由高到低的躍變表示，因此,數(shù)據(jù)躍變表明載波存在。如果一個(gè)躍變之后，在0.75比特和1.25比特時(shí)間內(nèi)沒有躍變，則表明載波消失，即包傳輸結(jié)束。11.7.2令牌環(huán)網(wǎng)在載波偵聽網(wǎng)絡(luò)中，所有的站點(diǎn)都被動地連接在局域網(wǎng)的電纜上。與此不同，環(huán)網(wǎng)由站點(diǎn)以及相繼站點(diǎn)之間的一系列點(diǎn)到點(diǎn)的線纜組成，環(huán)路和站點(diǎn)之間的接口是主動的而不是被動的，如圖11.16所示。圖11.16(a)描述了監(jiān)聽模式和傳輸模式的接口狀態(tài)。在監(jiān)聽模式中，輸入比特以1比特延遲時(shí)間復(fù)制到輸出端；在傳輸模式中，斷開連接，站點(diǎn)可以將自己的數(shù)據(jù)送入環(huán)中。將令牌定義為一種特殊的模式，例如8個(gè)連續(xù)的“1”比特流“11111111”，只要站點(diǎn)空閑時(shí)，這個(gè)令牌就在環(huán)上繞行。那么如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和令牌，以保證消息數(shù)據(jù)中不包含令牌序列呢？系統(tǒng)采用比特填充的方式來防止數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)令牌序列。例如，對于上述的8比特令牌序列，當(dāng)數(shù)據(jù)流序列中出現(xiàn)7個(gè)連續(xù)的“1”時(shí)，比特填充算法會將一個(gè)“0”插入到7個(gè)連續(xù)“1”數(shù)據(jù)序列的后面。接收端采用相應(yīng)的算法識別并處理7個(gè)連續(xù)“1”之后的“0”比特。圖11.16令牌環(huán)網(wǎng)令牌環(huán)接入方式的工作過程如下：

(1)準(zhǔn)備發(fā)送信息的站點(diǎn)監(jiān)聽接口處的令牌是否出現(xiàn)。當(dāng)令牌的最后一比特出現(xiàn)時(shí)，站點(diǎn)對其取反，例如11111110，然后斷開接口連接，將自己的數(shù)據(jù)送入環(huán)中。

(2)當(dāng)數(shù)據(jù)流沿著環(huán)路返回站點(diǎn)時(shí)，會被發(fā)送者刪除。令牌環(huán)網(wǎng)對數(shù)據(jù)包的大小沒有限制，因?yàn)檎麄€(gè)包不會同一瞬間出現(xiàn)在環(huán)中。

(3)傳輸信息的最后一個(gè)比特后，發(fā)送站點(diǎn)會重新產(chǎn)生令牌。當(dāng)最后一比特?cái)?shù)據(jù)繞環(huán)循環(huán)一周并被刪除后，接口就會轉(zhuǎn)向監(jiān)聽模式。

(4)在令牌環(huán)系統(tǒng)中，不存在競爭。在傳輸忙期，一旦令牌再產(chǎn)生，請求服務(wù)的下一個(gè)下游站就會立即發(fā)現(xiàn)，并且刪除令牌。因此，環(huán)中的發(fā)送轉(zhuǎn)換是平穩(wěn)的。由于只有一個(gè)令牌，因此不會產(chǎn)生競爭。當(dāng)所有的站點(diǎn)空閑時(shí)，環(huán)本身必須有足夠的延時(shí)以使得令牌能夠完整地進(jìn)行一次循環(huán)。環(huán)網(wǎng)中的重要問題之一是比特傳播距離。如果數(shù)據(jù)速率是RMb/s，則每1/Rμs發(fā)送1比特。因?yàn)榈湫偷耐S電纜傳播速率是200m/μs，所以每個(gè)比特在環(huán)中占有200/Rm(米)的距離。

例如果一個(gè)8比特令牌被用在某個(gè)5Mb/s的令牌環(huán)網(wǎng)上，計(jì)算最小傳播距離dmin，即環(huán)的最小尺寸。假設(shè)傳播速度v=200m/μs。

解

R=5Mb/s；傳播1比特所需的時(shí)間tb=1/(5×106)s；發(fā)送8比特令牌所需的時(shí)間tT=8/(5×106)s；

8比特令牌的傳播距離dmin=tT×v=(8/5)μs×200m/μs=320m?！拘〗Y(jié)】本章在介紹通信資源共享概念的基礎(chǔ)上，分析了多路復(fù)用和多址接入的幾種主要方案，包括頻分多路復(fù)用/頻分多址、時(shí)分多路復(fù)用/時(shí)分多址、碼分多路復(fù)用/碼分多址、空分多路復(fù)用/空分多址以及極化復(fù)用和極化多址;接著闡述了多址通信系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)；最后介紹了用于局域網(wǎng)的兩個(gè)常用