數(shù)字通訊原理第6章.ppt

1、第 6 章 多 址 通 信,6.1 多址方式 6.2 擴(kuò)頻通信 6.3 蜂窩技術(shù) 6.4 抗多址干擾技術(shù)概述 6.5 功率控制技術(shù) 6.6 智能天線 習(xí)題,6.1 多 址 方 式,6.1.1 信道分割原理 信道復(fù)用是在兩點(diǎn)之間的信道中同時傳送互不干擾的多個相互獨(dú)立的用戶信號，而多址通信則是在多點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)互不干擾的多方通信。 多址通信也稱為多址接入或多址連接。,信道復(fù)用與多址通信都是為了充分利用信道資源，提高傳輸?shù)挠行浴Ｋ鼈兊臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)都是信號正交分割原理，即信道分割理論：先賦予各個信號不同的特征，然后根據(jù)每個信號特征之間的差別來區(qū)分信號，從而實(shí)現(xiàn)互不干擾的通信。例如在頻分復(fù)用（FDM）點(diǎn)對點(diǎn)通

2、信過程中，傳輸頻帶按頻率劃分成互不重疊的多路信道， 每一路信道可傳送不同的信號，從而實(shí)現(xiàn)多路信號的傳送。在多點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)多址通信與點(diǎn)到點(diǎn)之間的信號復(fù)用通信在技術(shù)上有所不同，信號復(fù)用的目的在于區(qū)分多路， 而多址通信的目的在于區(qū)分多個動態(tài)地址(例如用戶號碼等)； 復(fù)用技術(shù)通常在中頻或基帶上實(shí)現(xiàn)，而多址技術(shù)通常在射頻上實(shí)現(xiàn)，它利用射頻輻射的電磁波來尋找識別動態(tài)地址；多址通信存在多址干擾問題，多址干擾是由于多個用戶要求同時通信， 而系統(tǒng)不能完全將它們彼此隔離開而引起的干擾； 復(fù)用技術(shù)是一個點(diǎn)對點(diǎn)傳輸問題，而多址技術(shù)則是一個點(diǎn)對多點(diǎn)的通信問題。,信號正交分割的原理是使分割域內(nèi)的各個信號相互正交， 即若信號

3、集合s1(t), s2(t), , sN(t)中任意兩個信號滿足,i=j,ij,(6.1-1),則稱 s1(t), s2(t), , sN(t)為正交信號族，其中的任意兩個信號si(t)、sj(t)在區(qū)間(t1, t2)內(nèi)稱為正交信號。,復(fù)用技術(shù)和多址通信的關(guān)鍵是如何設(shè)計具有正交特性的信號集合，使各信號之間互不干擾。正交信號的正交劃分和設(shè)計是通過信號的正交分量i(i=1, 2, ,N)的劃分來實(shí)現(xiàn)的， 即,(6.1-2),式中，si(t)為第i個用戶信號；i為第i個用戶信號si(t)的正交參量。正交參量應(yīng)滿足,接收時，采用一個正交識別器(如圖6-1所示)就可以分離出信號， 即,(6.1-3),

4、圖 6-1 正交信號識別器原理框圖,在實(shí)際應(yīng)用中，要做到信號完全正交是比較困難的。 通常可采用準(zhǔn)正交信號，允許各信號之間存在一定的干擾， 但要設(shè)法將干擾控制在允許的范圍內(nèi)。 目前，常用的多址接入方式有頻分多址(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。這些多址方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)， 分別適用于不同的應(yīng)用場合。 多址接入方式與信道分配方式、基帶復(fù)用方式和調(diào)制方式共同決定了系統(tǒng)的通信體制，例如TDM/PSK/FDMA/PA代表時分復(fù)用(TDM)/相移鍵控(PSK)/頻分多址(FDMA)/預(yù)分配(PA)方式的通信體制。,6.1.2 頻分多址(F

5、DMA)方式 FDMA是一種最基本的多址接入方式，即i=Fi的情況， 如圖62所示。FDMA的基本原理是：對給定的頻譜資源按頻率劃分，將傳輸頻率劃分為若干個較窄的、互不重疊的子頻帶Fi (信道或頻道)，為每個用戶分配一個特定信道，按頻帶區(qū)分用戶； 這些信道按要求分配給請求服務(wù)的用戶，用戶信號調(diào)制到該信道上，各用戶信號同時傳送；接收時按信道提取用戶信號， 從而實(shí)現(xiàn)多址通信。,圖 6-2 頻分多址(FDMA)原理圖,在實(shí)際應(yīng)用中，由于濾波器并非理想帶通濾波器，且各信號也并非完全正交，同時系統(tǒng)頻率漂移會造成子頻帶間的重疊， 因此總是存在一定的干擾。常用的解決辦法是在各子頻帶之間留有一定的保護(hù)間隔，以

6、減少各子頻帶間的串?dāng)_。 FDMA系統(tǒng)基于頻率劃分信道，其多址干擾主要有：互調(diào)干擾、鄰道干擾和同頻道干擾。,1) 互調(diào)干擾 所謂互調(diào)干擾，是指系統(tǒng)內(nèi)由于非線性器件(例如放大器等)產(chǎn)生的各種組合頻率成份落入本頻道(信道)接收通帶內(nèi)， 造成對有用信號的干擾。當(dāng)互調(diào)干擾信號的強(qiáng)度(功率)足夠大時，將會對有用信號造成損害，產(chǎn)生波形失真(畸變)。 例如在衛(wèi)星通信中，當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的行波管放大器同時放大多個不同頻率的信號時，輸入輸出特性的非線性和調(diào)幅調(diào)相變化都會引起互調(diào)干擾。 互調(diào)干擾是頻分多址方式中的一個嚴(yán)重問題。目前，常用的減少互調(diào)干擾的主要方法有：,(1) 合理規(guī)劃載波中心頻率，控制各載波中心頻率的間隔

7、， 合理配置各載波頻率的位置。在互調(diào)干擾中， 影響最大的是(f1+f2f3)形式和(2f1f2)形式的三階互調(diào)干擾。另外，在各載波等間隔配置時，隨著載波數(shù)的增加， (f1+f2f3)形式的干擾要比(2f1f2)形式大得多。因此，在載波很多時， 應(yīng)認(rèn)真選擇各載波中心頻率的間隔，而不能簡單等間隔地配置載波。 (2) 盡可能提高系統(tǒng)的線性程度，減少發(fā)射機(jī)的互調(diào)和接收機(jī)的互調(diào)。例如在衛(wèi)星通信中，對上行線路的載波進(jìn)行功率控制， 合理選擇行波管放大器的工作點(diǎn)等。,2) 鄰道干擾 所謂鄰道干擾，是指相鄰頻道中存在的寄生輻射落入本頻道接收通帶內(nèi)造成對有用信號的干擾。當(dāng)鄰道干擾強(qiáng)度足夠大時， 將會對有用信號造成

8、損害。減小鄰道干擾的主要方法有： 加大頻道間的保護(hù)間隔； 合理進(jìn)行頻率規(guī)劃； 嚴(yán)格規(guī)定收發(fā)信機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，例如發(fā)射機(jī)寄生輻射強(qiáng)度， 接收機(jī)中頻選擇性要求等。,3) 同頻道干擾 所謂同頻道干擾，一般是指相同頻率信道之間的干擾。 在蜂窩系統(tǒng)中，同頻道干擾是指相鄰區(qū)群中同頻率信道之間的相互干擾，它與頻率規(guī)劃和蜂窩結(jié)構(gòu)有關(guān)。 對蜂窩通信系統(tǒng)，減少同頻道干擾的主要方法有： 合理規(guī)劃頻率； 選擇合適的蜂窩結(jié)構(gòu)； 采用功率控制技術(shù)等。,圖 6-3 FDMA模擬蜂窩系統(tǒng)原理框圖 (a) 原理圖； (b) 頻譜分割,圖 6-3 FDMA模擬蜂窩系統(tǒng)原理框圖 (a) 原理圖； (b) 頻譜分割,FDMA系統(tǒng)既可傳

9、送模擬信號，也可傳送數(shù)字信號。在模擬蜂窩通信系統(tǒng)中，采用FDMA 方式是惟一的選擇，例如北美800 MHz的AMPS體制和歐洲的TACS體制，如圖6-3(a)所示。 通常信道帶寬為傳輸一路模擬話音所需的帶寬(例如25 kHz)， 采用頻分雙工(FDD)方式來實(shí)現(xiàn)雙工通信，即發(fā)送頻率與接收頻率不同。 分配給用戶的信道是一對頻率。其中一個頻率用于基站(BS)至移動臺(MS)的前向信道；另一個頻率則用于移動臺至基站的反向信道?；灸芡瑫r發(fā)射和接收多個不同頻率的信號，信道資源由移動交換中心(MSC)進(jìn)行分配和管理。 圖6-3(b)給出了FDMA模擬蜂窩系統(tǒng)的頻譜分割，其中，前向信道占用較高的頻段， 反

10、向信道占用較低的頻段，中間為保護(hù)頻段， 用戶頻道之間留有保護(hù)間隔Fg。在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中， 很少單獨(dú)采用FDMA方式， 通常是與其他多址技術(shù)相結(jié)合。,6.1.3 時分多址(TDMA)方式 TDMA是在給定傳輸頻帶的條件下，把傳遞時間劃分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙Ti，每個時隙就是一個通信信道， 分配給一個用戶， 即i=Ti 的情況。用戶收發(fā)各使用一個指定的時隙。 在發(fā)送端， 各個用戶在指定的時隙發(fā)射信號(突發(fā)信號)。 TDMA 原理如圖 6-4 所示。,圖 6-4 TDMA原理圖,在接收端, 各用戶分別在指定的時隙內(nèi)接收和提取相應(yīng)時隙的信息， 即按時間區(qū)分用戶， 從而實(shí)現(xiàn)多址通信。 在

11、TDMA系統(tǒng)中，每幀中的時隙結(jié)構(gòu)(突發(fā)結(jié)構(gòu))的設(shè)計通常要考慮： 傳送控制和信令信息； 信道多徑效應(yīng)的影響； 系統(tǒng)同步。 通常采取的措施有： (1) 在時隙結(jié)構(gòu)1中， 專門留有傳送控制和信令信息的比特。,(2) 為了克服多徑等因素引起的碼間干擾，在時隙結(jié)構(gòu)2中留有用于自適應(yīng)調(diào)整均衡器參數(shù)的訓(xùn)練序列。其基本原理是：接收端均衡器根據(jù)確知的訓(xùn)練序列來估計信道的沖激響應(yīng)，根據(jù)該沖激響應(yīng)來調(diào)整均衡器的抽頭系數(shù)，以適應(yīng)信道的變化， 從而消除或減少碼間干擾。 (3) 在時隙結(jié)構(gòu)中都留有一定的保護(hù)時間間隔(稱為保護(hù)時間)， 以減小碼間串?dāng)_的影響，保證相鄰?fù)话l(fā)脈沖之間互不重疊。,(4) 同步和定時是TDMA系統(tǒng)正

12、常工作的前提。因?yàn)橥ㄐ烹p方只能在規(guī)定的時隙中發(fā)送和接收信號， 因此整個系統(tǒng)必須有精確的同步。 通常要由基準(zhǔn)站統(tǒng)一系統(tǒng)中各站的時鐘，以確保嚴(yán)格的幀同步、時隙同步和位同步。如果接收端采用相干解調(diào)，則接收機(jī)還必須獲取載波同步。,TDMA系統(tǒng)只能傳送數(shù)字信號。例如在GSM數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中， 應(yīng)用FDMA和TDMA 混合技術(shù)。其中，F(xiàn)DMA在GSM 900 MHz頻段的上行(移動臺到基站)890915 MHz 或下行（基站到移動臺）935960 MHz頻帶內(nèi)分配了124個載波頻率(簡稱載頻)， 各個載頻之間的間隔為200 kHz。 上行載頻與下行載頻是成對的(雙工通信)。雙工收發(fā)載波對的頻率間隔(雙工保護(hù)

13、頻帶)為45 MHz。TDMA工作在GSM 900 MHz的每個載頻上，把時間分成由八個時隙(信道)組成的TDMA幀， 幀長為4.6 ms，F(xiàn)1f1=45 MHz，如圖 6-5 所示。,圖 6-5 TDMA系統(tǒng)(GSM)原理框圖 (a) 原理圖； (b) 頻率規(guī)劃,圖 6-5 TDMA系統(tǒng)(GSM)原理框圖 (a) 原理圖； (b) 頻率規(guī)劃,6.1.4 碼分多址(CDMA)方式 在CDMA系統(tǒng)中，各用戶使用相同的載波頻率，占用相同的頻帶，信號發(fā)射時間是任意的，是i=Ci的情況。即在頻率、 時間和空間上可相互重疊，用戶的劃分是利用不同地址碼序列來實(shí)現(xiàn)的。CDMA與FDMA、TDMA劃分形式不同

14、，F(xiàn)DMA、TDMA均屬于一維頻率或時間多址劃分，而CDMA屬于時頻、二維域上的劃分。所有用戶均占用同一頻段F和同一時隙T，劃分不同地址的正交參量是相互正交的地址碼序列。CDMA有兩種主要形式：直接序列擴(kuò)頻碼分多址(DS-CDMA)和跳頻碼分多址(FH-CDMA)，如圖 6-6 所示，前者多用于民用，后者多用于軍事。,圖 6-6 CDMA原理圖 (a) DS-CDMA; (b) FH-CDMA,與FDMA、TDMA相比，CDMA具有容量大、低功率、軟切換、 抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是，在CDMA系統(tǒng)中，由于所有用戶都使用相同的頻段和相同的時隙，用戶僅靠地址碼序列的不同(互相關(guān)特性)加以區(qū)分

15、。由于信道噪聲干擾的影響， 可能會使用戶地址碼序列之間的互相關(guān)不為零，則用戶間就存在著干擾，稱為多址干擾。多址干擾是CDMA通信中最主要的干擾。 干擾的大小將直接影響CDMA系統(tǒng)容量。因此，如何有效地克服和抑制多址干擾是CDMA系統(tǒng)中最主要、最關(guān)鍵的問題，解決的方法有： 擴(kuò)頻碼設(shè)計、 多用戶檢測、 功率控制等。,6.1.5 空分多址(SDMA)方式 SDMA就是利用不同的用戶空間特征(即通過空間的分割)來區(qū)分不同的用戶，從而實(shí)現(xiàn)多址通信的方式。目前利用最多也是最明顯的用戶空間特征是用戶的方位。例如： (1) 配合電磁波傳 播特性可以使不同地域的用戶在同一時間使用相同頻率來實(shí)現(xiàn)互不干擾的通信。典

16、型的應(yīng)用是利用定向天線或窄波束天線，使電磁波按確定的指向輻射或局限在波束范圍內(nèi)，不同的指向或波束范圍內(nèi)可以使用相同的頻率。,(2) 控制發(fā)射信號的功率，使電磁波僅作用在有限的距離范圍內(nèi)，而在電磁波作用范圍以外的區(qū)域仍可使用相同的頻率。 (3) 采用自適應(yīng)陣列天線（即智能天線），在不同方向上產(chǎn)生不同的波束，這樣在每個波束覆蓋范圍內(nèi)可采用FDMA、 TDMA、CDMA等多址接入方式。 在蜂窩移動通信中，充分利用了SDMA方式的特性，將服務(wù)區(qū)域劃分為若干蜂窩小區(qū)(或微小區(qū)，或微微小區(qū))，實(shí)現(xiàn)頻譜復(fù)用，從而使有限的頻譜能構(gòu)成大容量的通信系統(tǒng)，這是蜂窩通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。,6.1.6 隨機(jī)接入方式 1.

17、 ALOHA 1) 工作原理 ALOHA系統(tǒng)是一個無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，也稱為純ALOHA系統(tǒng)。 它于1971年誕生于美國夏威夷大學(xué)，采用分組方式傳輸，其工作原理是： (1) 任一站需要發(fā)送數(shù)據(jù)時可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)分組， 不管信道是否忙碌。 (2) 發(fā)送站接收來自接收站的“確認(rèn)(ACK)”消息。若同時有多個站發(fā)送信號， 則信號間的重疊會造成接收數(shù)據(jù)中出現(xiàn)錯碼，這種現(xiàn)象稱之為碰撞。這時發(fā)送站將接收到接收站的“否認(rèn)(NAK)”消息。,(3) 發(fā)送站獨(dú)立地延遲一個隨機(jī)時間后重新發(fā)送該數(shù)據(jù)分組。若再次發(fā)生碰撞， 則重復(fù)上述過程直到數(shù)據(jù)分組發(fā)送成功。 (4) 若數(shù)據(jù)分組發(fā)送后，在規(guī)定時間內(nèi)既沒有收到ACK，也

18、沒有收到NAK， 則重發(fā)該數(shù)據(jù)分組。,2) 性能分析 假設(shè)每個數(shù)據(jù)分組(幀)的長度為m比特，各站送入系統(tǒng)的總業(yè)務(wù)到達(dá)率為每秒個分組，其中成功發(fā)送(接收)率為每秒1個分組， 發(fā)生碰撞(拒收)率為每秒2個分組， 即,=1+2,(6.1-4),系統(tǒng)的成功發(fā)送量即系統(tǒng)吞吐(通過)量， 定義為,y=m1 b/s,(6.1-5),系統(tǒng)的總業(yè)務(wù)量定義為,Y=m b/s,(6.1-6),假定系統(tǒng)容量(最大傳輸速率)為R(b/s)，則一個分組的(最小)傳送時間為,(6.1-7),顯然，成功發(fā)送一個分組的條件是在相鄰兩個的時間間隔內(nèi)沒有其他分組到達(dá)，如圖6-7所示。,圖 6-7 ALOHA原理圖 (a) 避免幀沖

19、突的最小時間間隔； (b) 前后兩幀發(fā)生碰撞,歸一化吞吐量定義為,(6.1-8),歸一化總業(yè)務(wù)量定義為,(6.1-9),當(dāng)有多個站向系統(tǒng)發(fā)送分組時，分組到達(dá)系統(tǒng)的統(tǒng)計特性通?？梢杂貌此煞植紒砻枋?，即在秒時間間隔內(nèi)有n個分組到達(dá)的概率為,(n0),(6.1-10),在一個的時間間隔內(nèi)沒有分組到達(dá)的概率為,(6.1-11),在相鄰兩個內(nèi)都沒有分組到達(dá)(即成功發(fā)送一個分組)的概率為,(6.1-12),由式(6.1-4)知，總業(yè)務(wù)到達(dá)率等于成功率發(fā)送率1和碰撞率2之和。由概率和定義可知， 成功發(fā)送的概率等于成功發(fā)送率1與總業(yè)務(wù)到達(dá)率之比，即,(6.1-13),由式(6.1-12)和式(6.1-13)，

20、 可得,(6.1-14),即,由式(6.1-8)和式(6.1-9)，可得到歸一化吞吐量y和歸一化總業(yè)務(wù)量Y之間的關(guān)系， 如圖6-8 所示。,(6.1-15),圖 6-8 ALOHA與S-ALOHA系統(tǒng)性能比較,2. 時隙ALOHA 時隙ALOHA(S-ALOHA)系統(tǒng)是對ALOHA系統(tǒng)的改進(jìn)，其基本思想是： 限制各站發(fā)送分組的時刻，即只能在確定的時刻才能發(fā)送分組。在S-ALOHA系統(tǒng)中，向所有站發(fā)送一個同步脈沖序列，將信道傳輸時間劃分為等于分組長度的時隙為單位的一個一個時間段，并把每個分組的發(fā)送時刻限制在每個時間段的起始時刻。 稱長度為的時間段叫做一個時隙(slot)，如圖6-所示。顯然，S-

21、ALOHA系統(tǒng)對分組到達(dá)時間間隔的要求從ALOHA系統(tǒng)的2減少為，使分組碰撞率減少了一半。此時，歸一化吞吐量y與歸一化總業(yè)務(wù)量Y之間的關(guān)系變?yōu)?y=Ye-Y,(6.1-16),圖 6-8 給出了S-ALOHA系統(tǒng)的性能。當(dāng)Y=1時，y達(dá)到最大值1/e=0.37，即 S-ALOHA系統(tǒng)的信道容量的利用率是ALOHA系統(tǒng)的兩倍。,圖6-9 時隙ALOHA原理,3. CSMA 載波監(jiān)聽多址接入(CSMA)是對ALOHA的進(jìn)一步改進(jìn)。 由于CSMA算法簡單， 性能比ALOHA大大提高，因此在計算機(jī)局域網(wǎng)(以太網(wǎng))等中得到了廣泛的應(yīng)用。 S-ALOHA通過將信道分為時隙進(jìn)行傳輸可降低分組碰撞概率，但是當(dāng)

22、一個時隙內(nèi)有兩個以上分組到達(dá)時，仍然會發(fā)生碰撞。顯然這些碰撞是由于隨機(jī)盲目發(fā)送引起的，即各站在某個時隙時刻發(fā)送時并沒考慮信道中是否已經(jīng)有分組發(fā)送。 如果每個站在發(fā)送前先檢測一下信道是否有分組發(fā)送(忙碌或空閑)，根據(jù)信道狀態(tài)來決定是否發(fā)送，則可有效地減少分組發(fā)送的隨機(jī)性和盲目性。 這就是CSMA的基本思想。,對廣播信道而言，若信道上有分組發(fā)送， 則每個站都可監(jiān)測到發(fā)送數(shù)據(jù)的載波，從而可知道信道的忙閑狀態(tài)。 需要注意的是這里“載波監(jiān)測”的含義有： 若系統(tǒng)采用數(shù)字基帶傳輸方式，則載波監(jiān)測是指對數(shù)字基帶信號的檢測； 若采用窄帶調(diào)制傳輸方式，則載波監(jiān)測是指對調(diào)制載波的監(jiān)測； 若采用擴(kuò)頻傳輸方式，則載波監(jiān)

23、測是指對偽隨機(jī)碼的監(jiān)測。 在CSMA中，仍然會發(fā)生碰撞，這是因?yàn)樾盘杺鬏敃r延使得各站不能及時監(jiān)測出信道的忙閑狀態(tài)； 同時，也存在當(dāng)監(jiān)測到信道空閑時如何安排發(fā)送時機(jī)問題，這些因素影響了CSMA的吞吐特性。,在CSMA中,可采用沖突檢測來進(jìn)一步減少沖突持續(xù)的時間， 提高系統(tǒng)的吞吐量。例如當(dāng)檢測到?jīng)_突發(fā)生時各發(fā)送站都停止發(fā)送分組， 但向信道發(fā)送一個非常短的“干擾”信號， 告知有站信道已發(fā)生一次沖突。顯然，因沖突而浪費(fèi)的時間等于“時隙+發(fā)送干擾信號所需的時間”， 這種方法稱為沖突檢測(CD)。 通常沖突檢測與載波監(jiān)聽多址接入相結(jié)合，形成帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多址接入方式(CSMA/CD)。,CSMA/C

24、D是以太網(wǎng)(Ethernet)使用的媒體接入控制(MAC)協(xié)議。 在以太網(wǎng)中，各種設(shè)備接在同一條電纜(有線信道)上， 設(shè)備在接入訪問(發(fā)送分組)前需要監(jiān)聽電纜的忙閑狀態(tài)。 只有監(jiān)聽到電纜上沒有其他信號傳輸時，才能向電纜發(fā)送信號， 同一時間只允許有一個設(shè)備通過電纜向其他設(shè)備發(fā)送信號(數(shù)據(jù)分組)， 如圖6-10 所示。,圖 6-10 以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu),對實(shí)際應(yīng)用而言，若傳輸媒體(例如電纜)和媒體最大傳輸距離(例如以太網(wǎng)中電纜的傳輸距離小于等于90 m)確定， 則信號的最大傳輸時延也就確定了，信號傳輸延時對 CSMA 性能的影響也確定了。剩下的問題是： 若監(jiān)測到信道空閑， 如何安排各站的發(fā)送時機(jī)； 若監(jiān)

25、測到信道忙碌， 是持續(xù)監(jiān)測信道還是先退避一段時間后再監(jiān)測。顯然，上述問題對CSMA系統(tǒng)性能(碰撞率或吞吐量)有重要影響。為此，CSMA可分為持續(xù)型 CSMA 和非持續(xù)性CSMA。,1) 非持續(xù)CSMA 非持續(xù)CSMA的工作過程為： (1) 數(shù)據(jù)分組到達(dá)發(fā)送緩沖存儲器， 等待發(fā)送。 (2) 監(jiān)測信道， 若信道空閑， 則發(fā)送分組； 若信道忙碌， 則隨機(jī)延時一段時間后發(fā)送。,2) 持續(xù)型CSMA 若信道忙，持續(xù)型CSMA將持續(xù)地監(jiān)測信道， 直到信道空閑。根據(jù)檢測到信道空閑時是立即發(fā)送，還是以概率P發(fā)送， 持續(xù)型CSMA可分為1 持續(xù)CSMA和P 持續(xù)CSMA。,1 持續(xù)CSMA的工作過程為： (1)

26、 數(shù)據(jù)分組到達(dá)發(fā)送緩沖存儲器， 等待發(fā)送。 (2) 監(jiān)測信道，若信道空閑，則發(fā)送分組；若信道忙， 則重新監(jiān)測信道。由于同時可能有兩個以上的站監(jiān)測到信道空閑而發(fā)送分組，因此可能會發(fā)生碰撞。P 持續(xù)型CSMA能有效地減小這種碰撞的概率。,P 持續(xù)型CSMA的工作過程為： (1) 數(shù)據(jù)分組到達(dá)發(fā)送緩沖存儲器， 等待發(fā)送。 (2) 監(jiān)測信道，若信道忙，則繼續(xù)監(jiān)測信道；若信道空閑， 則在0，1范圍內(nèi)選擇一個隨機(jī)數(shù)，若P，則發(fā)送分組，否則，暫停監(jiān)測信道，延時后繼續(xù)監(jiān)測信道。,3) 性能比較 通常，非持續(xù)型CSMA更適合于大業(yè)務(wù)量的情況；在業(yè)務(wù)量較小時，P 持續(xù)型CSMA 性能要優(yōu)于1 持續(xù)型CSMA。 ,

27、6.2 擴(kuò) 頻 通 信,6.2.1 擴(kuò)頻通信概述 1. 擴(kuò)頻通信的基本原理 擴(kuò)頻通信也就是擴(kuò)展頻譜通信。 擴(kuò)頻通信是指系統(tǒng)占用的頻譜帶寬(W)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要傳輸?shù)脑加脩艋鶐盘栴l譜帶寬(B)的通信方式。即把要發(fā)送的信號擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上， 然后再發(fā)送出去，系統(tǒng)的射頻帶寬比原始基帶信號的帶寬要寬得多， 如圖611 所示。在發(fā)送端， 信源輸出的基帶信號先經(jīng)過信息調(diào)制形成窄帶數(shù)字信號，然后經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制(用擴(kuò)頻碼去調(diào)制數(shù)字信號)來擴(kuò)展信號的頻譜，擴(kuò)頻信號再送至信道。在接收端，采用與發(fā)送端完全相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)(擴(kuò)頻解調(diào))來恢復(fù)窄帶數(shù)字信號，再經(jīng)信息解調(diào)恢復(fù)出原始基帶信號。,圖 6-11 擴(kuò)頻通信

28、的原理框圖,與一般通信相比，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制(發(fā)送端)和擴(kuò)頻解調(diào)(接收端)。通常認(rèn)為，通信系統(tǒng)帶寬W與基帶信號帶寬B的比值W/B為12時，稱窄帶通信系統(tǒng)；W/B為50以上時，稱為寬帶通信系統(tǒng)； 而W/B為100以上時， 稱為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。,擴(kuò)頻通信是一種寬帶通信系統(tǒng)，其主要特征是：擴(kuò)頻前的信息碼元帶寬遠(yuǎn)小于擴(kuò)頻后的擴(kuò)頻碼序列的帶寬。擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)信道容量公式： 在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的極限傳輸速率（或信道容量）為C=Wlb(1+S/N) （b/s）。其中，C為信道容量； W為信道帶寬； S/N為信噪比， S為信號平均功率，N為噪聲平均功率。該公式表明，在信道容量C的

29、要求一定時，信道帶寬W與信噪比S/N之間具有互換關(guān)系。 也就是說， 可以用擴(kuò)展信號的頻譜為代價，換取用較小的信號功率(較低的信噪比S/N)來傳送信號，同樣可獲得較低的系統(tǒng)誤碼率。,這表明擴(kuò)頻通信具有較好的抗干擾能力。圖6-12 給出了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾的基本原理： (1) 假設(shè)數(shù)字基帶信號a(t)的傳輸速率為Rb(b/s)，其功率譜密度如圖6-12(a)所示， 經(jīng)過信息調(diào)制后輸出的窄帶數(shù)字信號為b(t)。 (2) 假設(shè)擴(kuò)頻碼的功率譜密度如圖6-12(b)所示，經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)后輸出的擴(kuò)頻信號為s(t)，其傳輸速率變?yōu)镽c(b/s)，頻譜被擴(kuò)展，RcRb，s(t)的功率譜密度如圖6-12(c)所示。,

30、圖 6-12 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析 (a) 信息調(diào)制輸出信號b(t)功率譜密度； (b) 擴(kuò)頻碼c(t)功率譜密度； (c) 擴(kuò)頻信號s(t)功率譜密度； (d) 接收信號s(t)功率譜密度； (e) 解擴(kuò)后的信號b(t)功率譜密度；(f) 窄帶濾波后輸出信號的功率譜密度,圖 6-12 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能分析 (a) 信息調(diào)制輸出信號b(t)功率譜密度； (b) 擴(kuò)頻碼c(t)功率譜密度； (c) 擴(kuò)頻信號s(t)功率譜密度； (d) 接收信號s(t)功率譜密度； (e) 解擴(kuò)后的信號b(t)功率譜密度；(f) 窄帶濾波后輸出信號的功率譜密度,(3) 由于信道噪聲干擾的影響， 因

31、此接收信號s(t)中加入了干擾信號， 接收信號的功率譜密度如圖6-12(d)所示。 (4) 接收信號s(t)經(jīng)擴(kuò)頻解調(diào)后，有用信號被還原成窄帶數(shù)字信號b(t)， 而干擾信號變成了寬帶信號， 其功率譜密度如圖6-12(e)所示。,(5) 窄帶數(shù)字信號b(t)再經(jīng)過信息解調(diào)，其中窄帶濾波濾掉有用信號帶外的干擾信號， 圖5-12(f)給出了窄帶濾波后輸出信號的功率譜密度。顯然，大大降低了干擾信號的強(qiáng)度，從而改善了信噪比S/N。 (6) 有用信號經(jīng)過解調(diào)和抽樣判決后還原為原始數(shù)字基帶信號。 圖中fs為信息調(diào)制載波頻率，fc為發(fā)射信號的載波頻率。,2. 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn) 擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)有： (1)

32、 抗干擾能力強(qiáng)。抗白噪聲、抗單頻窄帶干擾、抗人為干擾、 抗跟蹤干擾、抗多徑干擾等的能力都很強(qiáng)。 (2) 保密性能好。由于擴(kuò)頻后信號頻譜類似白噪聲，且信號功率譜密度很低，因此有利于防止竊聽，具有良好的保密性能。 (3) 易于實(shí)現(xiàn)大容量多址通信。在一個頻帶很寬的干擾受限系統(tǒng)中，可以容納更多的用戶通信。 (4) 易于實(shí)現(xiàn)精確定時與測距。 廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、 導(dǎo)航、 測控和通信等系統(tǒng)。,3. 擴(kuò)頻方式 根據(jù)擴(kuò)展頻譜方式的不同，擴(kuò)頻通信的工作方式有： 直接序列(DS)擴(kuò)頻、 跳變頻率(FH)擴(kuò)頻、 跳變時間(TH)擴(kuò)頻和混合式擴(kuò)頻等。,4. 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 表征擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾性能的主要指標(biāo)是處理

33、增益和干擾容限。 1) 處理增益 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益定義為接收端擴(kuò)頻解調(diào)輸出信號噪聲功率比(So/No)與輸入信號噪聲功率比(Si/Ni)的比值，即,(6.2-1),一般用分貝表示，即,式中，Gp表示擴(kuò)頻前后信噪比的改善程度，它體現(xiàn)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抑制干擾信號，增強(qiáng)有用信號的能力。顯然，Gp越大，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力就越強(qiáng)。,在一定條件下，式(6.2-1)給出的Gp可以表示為擴(kuò)頻信號帶寬(W)與數(shù)字基帶信號帶寬(B)的比值。 假設(shè)信號經(jīng)過擴(kuò)頻解調(diào)后沒有損耗(So=Si)，擴(kuò)頻解調(diào)前后噪聲的功率譜密度均保持相同的均勻分布(近似)， 則,(6.2-2),式中，n0為噪聲單邊功率譜密度；W為擴(kuò)

34、頻信號帶寬； B為數(shù)字基帶信號帶寬。 例如，某擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的數(shù)字基帶信號帶寬為B=10kHz，系統(tǒng)帶寬為W=20MHz， 則，這表明該擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收端擴(kuò)頻解調(diào)輸出信噪比與輸入信噪比之間有33 dB的改善。,2) 干擾容限 干擾容限定義為在保證擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正常工作(保證輸出信噪比So/No不低于某一給定值)的條件下，接收機(jī)輸入端能夠允許的干擾信號功率高于有用信號功率的分貝數(shù)， 即,(6.2-3),式中，Mj為干擾容限；Gp為處理增益；Ls為系統(tǒng)損耗；So/No為接收機(jī)輸出信噪比。干擾容限直接反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收機(jī)所能承受的極限干擾強(qiáng)度，它準(zhǔn)確地表征了系統(tǒng)的抗干擾能力，反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在干擾

35、環(huán)境中正常工作的極限能力。 例如,若假定某擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益為Gp=33dB，系統(tǒng)損耗為Ls=3dB，為確保系統(tǒng)誤碼率小于所給定的要求值時，接收機(jī)輸出信噪比必須保證So/No10dB，則該系統(tǒng)的干擾容限Mj=33(3+10)=20dB(100倍)，即只要加到接收機(jī)輸入端的干擾信號功率不超過有用信號功率20 dB，該系統(tǒng)就能正常工作。,6.2.2 直接序列擴(kuò)頻碼分多址(DS-CDMA) 1. 直接序列擴(kuò)頻(DS) 直接序列擴(kuò)頻(DS)又簡稱為直擴(kuò)。在DS系統(tǒng)中，發(fā)送端用一高速偽隨機(jī)序列與信息數(shù)據(jù)相乘(模2加)。由于偽隨機(jī)序列的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要發(fā)送信息數(shù)據(jù)的帶寬，從而擴(kuò)展了信號頻譜； 在接收端用

36、相同的偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)， 把展寬的信號頻譜還原成原始信息數(shù)據(jù)。在圖6-10中，信息調(diào)制常用相移鍵控方式， 如2PSK，4PSK等；擴(kuò)頻碼為偽隨機(jī)序列，由偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生。,2. DS-CDMA 直接序列擴(kuò)頻(DS)與碼分多址(CDMA)相結(jié)合構(gòu)成了直接序列擴(kuò)頻碼分多址通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有兩種方式： (1) 在發(fā)送端， 用戶信息數(shù)據(jù)首先與對應(yīng)的用戶地址碼調(diào)制(模2加)，然后再與高速偽隨機(jī)序列(PN碼)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制(模2加)。 在接收端，進(jìn)行與發(fā)送端對應(yīng)的反變換(進(jìn)行相關(guān)檢測)， 可得到原始用戶信息數(shù)據(jù)， 如圖6-13(a)所示。,(2) 在發(fā)送端，用戶信息數(shù)據(jù)直接與相對應(yīng)的高速偽隨機(jī)序列(P

37、N碼)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制(模2加)，如圖6-13(b)所示， 圖中的地址碼調(diào)制與擴(kuò)頻調(diào)制合二為一。 在接收端， 只需要進(jìn)行與發(fā)送端完全相同的偽隨機(jī)碼解擴(kuò)，經(jīng)過相關(guān)檢測就能得到原始用戶信息數(shù)據(jù)。,圖 6-13 DS-CDMA原理框圖 (a) DS-CDMA方式一； (b) DS-CDMA方式二,3. 擴(kuò)頻通信的偽隨機(jī)碼 從圖6-13 可以看出， 需要用偽隨機(jī)碼(PN碼)去調(diào)制數(shù)字信號才能達(dá)到擴(kuò)展頻譜的目的。偽隨機(jī)碼是一種類似隨機(jī)噪聲特性的二進(jìn)制確定序列，便于產(chǎn)生、加工、復(fù)制和控制。 正確地選用偽隨機(jī)碼的碼型， 對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能非常重要。,擴(kuò)頻通信中使用的偽隨機(jī)碼有如下要求： (1) 具有良好的相關(guān)

38、特性，要求具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)曲線， 而互相關(guān)函數(shù)接近于零； (2) 具有足夠長的碼周期， 以滿足防竊聽、 抗偵破、 通信保密和抗干擾的要求； (3) 具有足夠多的獨(dú)立碼序列數(shù)目， 以滿足大容量碼分多址通信的需求； (4) 易于產(chǎn)生、加工、復(fù)制和控制。常用的偽隨機(jī)碼有： m序列、Gold序列和M序列等。,1) m序列 作為擴(kuò)頻通信用的偽隨機(jī)碼，m序列的主要優(yōu)點(diǎn)是易于產(chǎn)生， 并具有良好的自相關(guān)特性。 缺點(diǎn)是序列自相關(guān)函數(shù)差別較大，不能保持很小的常數(shù)，獨(dú)立序列數(shù)目不夠多， 不便于在CDMA系統(tǒng)中應(yīng)用。 所謂獨(dú)立序列，是指在兩個周期序列中， 其中一個序列不是另一個序列移位若干位后得到的。,2) Go

39、ld序列 Gold序列是m序列的組合碼，由優(yōu)選對的兩個m序列逐位模2加得到，當(dāng)改變其中一個序列的相位(向后移位)時，就可得到一個新的Gold序列，如圖6-14(a)所示。所謂m序列優(yōu)選對， 是指在m序列集中，其互相關(guān)函數(shù)的絕對值最接近或達(dá)到下限的一對m序列。Gold序列的特點(diǎn)是： 具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性； 結(jié)構(gòu)簡單， 易于產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)； 生成的獨(dú)立序列數(shù)較m序列多， 因而獲得了廣泛的應(yīng)用。,圖 6-14 Gold序列和M序列發(fā)生器 (a) Gold序列發(fā)生器； (b) M序列發(fā)生器,3) M序列 m序列是由帶線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的序列， 周期為2n1。而M序列則是由非線性反饋移

40、位寄存器產(chǎn)生的周期最長的序列，周期為2n，圖6-14(b)是一個M序列發(fā)生器。 與m序列相比， M序列的主要特點(diǎn)有： 對于同樣級數(shù)n的移位寄存器M序列能產(chǎn)生較m序列多得多的獨(dú)立M序列； M序列的相關(guān)特性不如m序列； 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 M序列比較適合于生成跳頻序列圖案。,4. DS-CDMA的地址碼 在DS-CDMA系統(tǒng)中，每個用戶都分配有各自特定的地址碼。 通?？刹捎梦譅柺?Walsh)碼作為DS-CDMA的地址碼。沃爾什碼是一組正交碼， 它具有良好的自相關(guān)特性和處處為零的互相關(guān)特性。 但由于沃爾什碼所占頻譜不寬等原因， 不能作為擴(kuò)頻碼。 下面我們來介紹如何生成沃爾什碼。,例如，有四個碼長為4的

41、沃爾什碼(地址碼)W1=(1，1，1，1)，W2=(1，1，1，1)，W3=(1，1，1，1)，W4=(1，1，1，1)。 顯然，在這四個地址碼中，任意兩個地址碼相乘疊加后的值為0， 即互相關(guān)值為零； 每個地址碼本身相乘疊加后歸一化值為1，即具有尖銳的自相關(guān)特性。 將該沃爾什碼寫成矩陣形式為,（6.2-3）,(6.2-4),M1=,式(6.2-3)式(6.2-5)說明了生成沃爾什碼的遞推方法， 即碼長為4的沃爾什碼可由碼長為2的沃爾什碼產(chǎn)生；碼長為2的沃爾什碼可由碼長為1的沃爾什碼產(chǎn)生；依此類推，碼長為8的沃爾什碼可由碼長為4的沃爾什碼產(chǎn)生； 進(jìn)一步，碼長為2n的沃爾什碼可由碼長為n(n=1,

42、 2， 4， 8， 2k，k為正整數(shù))的沃爾什碼產(chǎn)生， 即,(6.2-6),6.2.3 跳變頻率擴(kuò)頻 1. 跳頻原理 跳變頻率(FH)擴(kuò)頻(簡稱跳頻)系統(tǒng)組成框圖如圖6-15 所示。 跳頻系統(tǒng)與直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的相同之處是： 在發(fā)送端都是用偽隨機(jī)碼進(jìn)行擴(kuò)展頻譜處理； 在接收端進(jìn)行解擴(kuò)處理。 不同之處在于它們擴(kuò)頻頻譜的方法不一樣，跳頻系統(tǒng)用偽隨機(jī)碼構(gòu)成跳頻指令(又稱跳頻圖案)來控制頻率綜合器(產(chǎn)生載波頻率)隨機(jī)地選擇發(fā)端頻率，使輸出載波頻率在跳頻頻帶內(nèi)隨機(jī)地跳躍變化。 圖 6-16 所示的是六個時隙七個載波的跳頻系統(tǒng)。,圖 6-15 跳頻系統(tǒng)組成框圖,圖 6-16 跳頻圖案舉例,跳頻可分為快跳頻

43、和慢跳頻。若跳頻速率大于或等于信息速率，則為快跳頻；反之，則為慢跳頻。跳頻圖案是指載波頻率依賴于時間偽隨機(jī)跳變的函數(shù)關(guān)系。跳頻圖案設(shè)計是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接關(guān)系到系統(tǒng)的抗干擾能力。 通常，跳頻圖案的隨機(jī)性越大，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)； 跳頻圖案頻率范圍和時間的乘積越大，可構(gòu)成的跳頻圖案就越多，抗干擾能力也就越強(qiáng)。顯然，跳頻圖案的隨機(jī)性取決于偽隨機(jī)碼，跳頻系統(tǒng)常用的偽隨機(jī)碼有m序列、M序列和RS序列。,2. 抗干擾性能 跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能表現(xiàn)在跳頻載波頻率在頻域中不斷躍變，干擾信號的頻譜只有落在跳頻信號的瞬時頻譜范圍內(nèi)， 即兩者同在一個時隙和同在一個頻隙中，且干擾信號功率大于或等于有用

44、信號功率時，才能對有用信號的正確接收造成影響。 跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能可用處理增益來表征，由式(6.2-2)可得,(6.2-7),式中，N為跳頻信道數(shù); Bs為跳頻信道帶寬; B為數(shù)字基帶信號帶寬，W=NBs。,跳頻系統(tǒng)不僅具有較強(qiáng)的抗單頻或窄帶干擾的能力，而且也具有抗多徑干擾的能力，這是因?yàn)樘l具有頻率分集的作用。 同時， 若跳頻圖案足夠復(fù)雜，跳頻速率足夠快，則跳頻系統(tǒng)也能抗跟蹤式干擾、阻塞式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等。但跳頻系統(tǒng)對白噪聲無抑制能力。,6.2.4 跳變時間擴(kuò)頻 跳變時間(TH)擴(kuò)頻(簡稱跳時)是指發(fā)射信號在時間軸上跳躍變化。通常將時間軸分成幀，每一幀又分為若干時隙。在一幀內(nèi)哪一個時隙發(fā)

45、射信號由偽隨機(jī)碼序列來控制，如圖617 所示。信息數(shù)據(jù)在很窄的時隙中高速突發(fā)發(fā)射，因此發(fā)射信號的頻譜大大擴(kuò)展了。,圖 6-17 跳時原理圖,跳時系統(tǒng)的特點(diǎn)是：通過時間的合理分配來避開有強(qiáng)干擾的時段， 達(dá)到抗干擾的目的。通常，跳時系統(tǒng)要與其他擴(kuò)頻方式混合使用。 常用的混合擴(kuò)頻方式有：直擴(kuò)/跳頻(DS/FH)、 直擴(kuò)/跳時(DS/TH)、 跳頻/跳時(FH/TH)和直擴(kuò)/跳頻/跳時(DS/FH/TH)等。,6.3 蜂 窩 技 術(shù),6.3.1 蜂窩技術(shù)概述,1. 大區(qū)制移動通信系統(tǒng) 按服務(wù)區(qū)電磁波的覆蓋方式劃分，移動通信系統(tǒng)可分為兩類： 小容量的大區(qū)制； 大容量的小區(qū)(蜂窩)制(簡稱蜂窩移動通信系統(tǒng)

46、)。大區(qū)制是指一個基站覆蓋整個服務(wù)區(qū)， 基站負(fù)責(zé)通信聯(lián)絡(luò)、控制和管理。為了增大服務(wù)區(qū)域和保證移動臺能接收到基站的信號，通常基站天線架設(shè)要較高(如30米以上)， 基站發(fā)射功率較大(如50200瓦)。 由于移動臺的電池容量所限，移動臺發(fā)射功率較小，因此基站可能接收不到移動臺的信號而無法保障通信。通常解決的辦法是：在服務(wù)區(qū)內(nèi)設(shè)置若干個分集接收點(diǎn)與基站相連，利用分集接收來保證移動臺和基站之間的正常通信。 如圖6-18 所示。,圖 6-18 大區(qū)制移動通信系統(tǒng)組成,大區(qū)制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有： 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、 覆蓋半徑大、 控制方式簡便、 設(shè)備成本低、建設(shè)速度快、 非常適合于小容量的移動通信系統(tǒng)， 例如中小

47、城市、 專業(yè)部門和工礦企業(yè)等專用移動通信網(wǎng)絡(luò)。 大區(qū)制的主要缺點(diǎn)有：頻率利用率低、 通信容量小、 擴(kuò)容困難、 不能漫游、 發(fā)射功率大、不能適應(yīng)公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展， 一般用于集群通信中。,2. 小區(qū)制移動通信系統(tǒng) 小區(qū)制移動通信系統(tǒng)的基本思想是：用許多小功率的發(fā)射機(jī)(小覆蓋區(qū))來代替單個的大功率發(fā)射機(jī)(大覆蓋區(qū))， 每一個小覆蓋區(qū)(小區(qū))只提供服務(wù)范圍內(nèi)的一小部分覆蓋。 將所要覆蓋的范圍劃分成許多小區(qū)， 稱為蜂窩小區(qū)，多個小區(qū)彼此相連， 從而覆蓋整個服務(wù)區(qū)域， 如圖 6-19 所示。,圖 6-19 小區(qū)制移動通信系統(tǒng),基本的小區(qū)類型主要有： 超小區(qū)（小區(qū)半徑20 km）， 適合于人口稀少的農(nóng)

48、村地區(qū)； 宏小區(qū)（小區(qū)半徑為120 km）， 適合于高速公路和人口稠密地區(qū)； 微小區(qū)（小區(qū)半徑為0.11 km）， 適合于城市繁華區(qū)段； 微微小區(qū)（小區(qū)半徑0.1 km）， 適合于辦公室、 家庭等移動應(yīng)用環(huán)境； 當(dāng)蜂窩小區(qū)用戶數(shù)量增大到一定程度而使準(zhǔn)用頻道數(shù)不夠用時， 可將原小區(qū)分裂為更小的蜂窩小區(qū)。,在每個小區(qū)中，分別設(shè)置一個基站，負(fù)責(zé)本小區(qū)的通信聯(lián)絡(luò)控制。 每個基站占用整個系統(tǒng)可用信道的一小部分，為一定數(shù)量的用戶服務(wù)。相鄰基站則分配不同的信道，相距足夠遠(yuǎn)(即相互間的干擾電平在可接收的范圍內(nèi))的基站可使用相同的信道， 這樣就可以實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用(即頻率復(fù)用)?；具x擇和信道分配稱為頻率規(guī)劃(或

49、頻率復(fù)用)。從圖 6-19 中可以看出，為了避免同頻干擾，小區(qū)制通信相鄰基站(例如該圖中BS1與BS2)的頻率組(信道組)配置不能相同。圖中使用了三對頻率， 其中小區(qū)1與小區(qū)3復(fù)用f1、f2；小區(qū)2與小區(qū)4復(fù)用f3、f4。由此可見，小區(qū)越多，覆蓋面就越大，用戶就越多，頻率的復(fù)用度就越高。,3. 蜂窩移動通信系統(tǒng)組成 圖 6-20 給出了陸地蜂窩移動通信系統(tǒng)的組成， 通常它由移動臺(MS)、基站(BS)和移動交換中心(MSC)等組成， 移動交換中心通過中繼線與基站和市話網(wǎng)(PSTN)連接。,圖 6-20 蜂窩移動通信系統(tǒng)組成,移動臺(例如手機(jī))由收發(fā)信機(jī)和天線等組成。它是蜂窩移動通信的主體部分，

50、移動性主要體現(xiàn)在移動臺相對基站運(yùn)動。 基站由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線和控制器等組成，基站覆蓋區(qū)的大小主要由基站天線的高度和發(fā)射功率決定。 移動交換中心的主要功能有： 信息交換、 信息處理、 網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)。 蜂窩移動通信方式包括： 移動臺通過基站與另一個移動臺通信； 移動臺與市話網(wǎng)固定電話之間通話； 移動臺與基站、 基站與移動交換中心的聯(lián)絡(luò)通信。,6.3.2 小區(qū)劃分與頻率復(fù)用 1. 小區(qū)的形狀 由于全向天線輻射的覆蓋區(qū)形狀為圓形，為了無空隙地覆蓋整個服務(wù)區(qū)，小區(qū)幾何形狀有三種可能的選擇：正方形、等邊三角形和正六邊形，如圖6-21 所示。究竟選取什么樣的小區(qū)形狀好呢? 通常要考慮以下幾點(diǎn)： (1)

51、 鄰接小區(qū)中心間距D越大越好，間距越大干擾越小， 以正六邊形為優(yōu)。 (2) 單位小區(qū)的有效面積越大越好，面積越大，區(qū)域內(nèi)的小區(qū)數(shù)越少， 使用的頻率數(shù)越少。 以正六邊形面積為最大。,(3) 交疊區(qū)域面積要小， 以減小同頻干擾， 以正六邊形為優(yōu)。 (4) 交疊距離要小， 以使移動通信便于跟蹤交接， 以正六邊形為優(yōu)。 (5) 所需頻率個數(shù)(信道數(shù))越少越好， 以正六邊形為優(yōu)。 在圖6-22 中，等邊三角形小區(qū)所需頻率數(shù)為五個， 正方形為四個， 正六邊形為三個。,圖 6-21 小區(qū)的幾何形狀 (a) 等邊三角形； (b) 正方形； (c) 正六邊形,圖 6-22 小區(qū)形狀與所需頻率個數(shù) (a) 等邊三

52、角形； (b) 正方形； (c) 正六邊形,由圖 6-21 和圖6-22 可以得到：在服務(wù)區(qū)面積一定的情況下，正六邊形小區(qū)的形狀最接近理想的圓形，用它可實(shí)現(xiàn)整個服務(wù)區(qū)的無空隙、 無重疊的覆蓋，所需的基站數(shù)最少。 由于正六邊形構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形狀很像蜂窩， 故稱為蜂窩網(wǎng)。,2. 小區(qū)劃分 根據(jù)小區(qū)制移動通信系統(tǒng)的頻率復(fù)用和覆蓋方式，小區(qū)制一般可分為帶狀服務(wù)覆蓋區(qū)和面狀服務(wù)覆蓋區(qū)。 1) 帶狀服務(wù)覆蓋區(qū) 圖6-23 給出了兩種典型帶狀服務(wù)區(qū)的應(yīng)用，例如鐵路列車或長途汽車無線電話，沿?；騼?nèi)河航行船舶無線電話等。 為了防止同頻干擾，通常采用雙頻組頻率配置和三頻組頻率配置， 如圖 6-24 所示。,圖 6-2

53、3 帶狀服務(wù)覆蓋區(qū),圖 6-24 帶狀服務(wù)覆蓋區(qū)頻率配置舉例 (a) 雙頻組頻率配置； (b) 三頻組頻率配置,2) 面狀服務(wù)覆蓋區(qū) 面狀服務(wù)覆蓋區(qū)是陸地移動通信的主要方式，通常采用正六邊形作為覆蓋模型來構(gòu)成蜂窩移動通信網(wǎng)。即由許多正六邊形鄰接小區(qū)組成一個無線覆蓋區(qū)群，再由若干無線區(qū)群構(gòu)成整個服務(wù)覆蓋區(qū)。對無線覆蓋區(qū)群的要求是： 若干個無線覆蓋區(qū)群正六邊形彼此鄰接組成蜂窩式服務(wù)覆蓋區(qū)； 鄰接無線覆蓋區(qū)群中的同頻無線覆蓋小區(qū)的中心間距應(yīng)相等。,滿足上述要求時，一個無線覆蓋區(qū)群的小區(qū)個數(shù)N為,N=a2+ab+b2,式中，a，b均為正整數(shù)， 其中一個可以為零。由此可求出可能的小區(qū)個數(shù)N為3，4，7，

54、 9，12，。 常用的典型值為4， 7， 12，如圖6-25 所示。需要指出的是，在實(shí)際應(yīng)用中由于無線覆蓋區(qū)的地形地貌和無線電磁波傳播環(huán)境不同， 因而實(shí)際小區(qū)的無線覆蓋是一個不規(guī)則的形狀。 基站發(fā)射機(jī)(天線)通常安置在小區(qū)中心(稱為中心激勵小區(qū))或安置在正六邊形的頂點(diǎn)(稱為頂點(diǎn)激勵小區(qū))。,圖 6-25 無線覆蓋區(qū)群結(jié)構(gòu)舉例 (a) N=4; (b) N=7,3. 系統(tǒng)容量 假定某蜂窩移動通信系統(tǒng)有N個無線覆蓋小區(qū)，無頻率復(fù)用時，若每個小區(qū)都分配K個各不相同、 各自獨(dú)立的信道，則系統(tǒng)所需的無線信道總數(shù)M為,M=KN,(6.3-6),若采用頻率復(fù)用技術(shù)，則可大大提高系統(tǒng)的容量。若全部可用頻率數(shù)M

55、在系統(tǒng)中復(fù)用G次，則系統(tǒng)的信道總數(shù)(系統(tǒng)容量)C為,C=GM=GKN,(6.3-7),6.3.3 蜂窩系統(tǒng)的干擾 1. 同頻干擾對蜂窩系統(tǒng)容量的影響 干擾是影響蜂窩移動通信系統(tǒng)性能的主要因素。 在蜂窩系統(tǒng)中， 主要有兩種干擾：同頻(或同頻道)干擾和鄰道(或鄰頻道)干擾。 在蜂窩系統(tǒng)中，由于采用頻率復(fù)用技術(shù)來提高系統(tǒng)容量， 因此，在整個覆蓋區(qū)域中存在多個小區(qū)使用相同的頻率組， 稱這些小區(qū)為同頻小區(qū)。 同頻小區(qū)之間的信號干擾稱為同頻干擾。為了減小同頻干擾，要求同頻小區(qū)在物理上隔開一個最小距離，以減小同頻信號的相互干擾。,同頻干擾是影響系統(tǒng)容量(或頻率復(fù)用度)的關(guān)鍵因素之一。 增加同頻小區(qū)之間的中心

56、間距(D)與同頻小區(qū)半徑r的比值D/r(稱為同頻復(fù)用比)， 能有效地減小來自同頻小區(qū)的射頻信號能量，從而減小同頻干擾。對于正六邊形蜂窩系統(tǒng)， 同頻復(fù)用比為,(6.3-8),式中，N為區(qū)群中的小區(qū)個數(shù)。同頻復(fù)用比越小，系統(tǒng)容量就越大；而同頻復(fù)用比越大， 同頻干擾越小，信號傳輸質(zhì)量就越高。 顯然二者是矛盾的， 通常需要根據(jù)不同應(yīng)用場合進(jìn)行折衷考慮。,2. 鄰道干擾對蜂窩系統(tǒng)的影響 在蜂窩系統(tǒng)中， 由于每個信道載波都是一個帶限信號， 但在帶外（旁瓣）會有一些較低功率的無線信號能量發(fā)送出去， 它會對相鄰信道產(chǎn)生鄰頻干擾。鄰頻干擾產(chǎn)生的原因主要是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的濾波器特性不理想，使得相鄰頻率的旁瓣信號能

57、量泄漏到信道帶寬內(nèi)。 克服鄰道干擾的主要辦法是：合理設(shè)計濾波器和信道分配。 在蜂窩系統(tǒng)中， 通常在一個小區(qū)內(nèi)不使用相鄰的載波頻率。 例如選用的載波兩兩相隔三個信道就能有效地避免鄰道干擾。,6.3.4 擴(kuò)展系統(tǒng)容量的方法,1. 小區(qū)分裂 小區(qū)分裂是通過增加基站的數(shù)量來增加系統(tǒng)容量，即將擁塞、 業(yè)務(wù)量已飽和的小區(qū)分成覆蓋面積更小的小區(qū)，其方法是降低基站天線的高度和減小發(fā)射信號的功率，減小小區(qū)半徑， 增加單位面積的信道數(shù)，提高信道的復(fù)用次數(shù)，從而提高蜂窩系統(tǒng)的容量。 在圖 6-26 所示的小區(qū)分裂原理圖中， 原小區(qū)BS2、BS3分別被分裂為兩個新小區(qū)BS2、BS2和BS3、BS3， 頻率f1、f4得

58、到了重復(fù)利用(頻率復(fù)用)。,圖 6-26 小區(qū)分裂原理圖 (a) 原來的小區(qū)； (b) 分裂后的小區(qū),在圖6-27 給出的由七個小區(qū)分裂成21個小區(qū)的例子中， 小區(qū)分裂是將一個小區(qū)分裂為三個小區(qū)， 例如小區(qū)1分裂為三個小區(qū)1。,圖 6-27 721小區(qū)分裂舉例 (a) 原來的七個小區(qū)； (b) 分裂后的21個小區(qū),2. 裂向技術(shù) 裂向(也稱為扇區(qū)化)技術(shù)是通過使用定向天線來取代全向天線， 通過減小同頻干擾來提高系統(tǒng)容量。 定向天線可以把一個小區(qū)分成幾個扇區(qū)， 使得小區(qū)的一部分(例如120角或60角)使用一個無線載波頻率。這樣，小區(qū)扇區(qū)化就能有效地減小小區(qū)的干擾， 如圖 6-28所示。,圖 6-

59、28 120或60裂向 (a) 120裂向； (b) 60裂向,3. 微小區(qū)技術(shù) 為了克服裂向技術(shù)存在的信道切換比較頻繁和中繼效率低等不足，可采用微小區(qū)技術(shù)。即多個天線高度更低和發(fā)射信號功率更小的微小區(qū)與一個基站相連(同軸電纜、光纖、或微波鏈路)，共享基站的無線設(shè)備， 從而組成一個小區(qū)。當(dāng)移動臺在小區(qū)移動時，由信號最強(qiáng)的微小區(qū)來提供服務(wù)。微小區(qū)技術(shù)優(yōu)于裂向技術(shù)，這是因?yàn)槲⑿^(qū)的天線安置在小區(qū)的邊緣，基站的任意一個信道可由基站分配給小區(qū)內(nèi)的任何一個微小區(qū)。微小區(qū)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：小區(qū)既能保證覆蓋面積，又能減小同頻干擾。 微小區(qū)技術(shù)在蜂窩移動通信系統(tǒng)和個人通信中得到了廣泛的應(yīng)用。一般來說，小區(qū)直徑越小，數(shù)量越多，系統(tǒng)容量就越大。目前在用戶密集的大城市， 蜂窩系統(tǒng)正向微蜂窩(微小區(qū)或微微小區(qū))發(fā)展， 其直徑僅為數(shù)百米至 1 km左右。,6.3.5 越區(qū)切換 1. 越區(qū)切換原理 當(dāng)移動臺從一個蜂窩無線覆蓋小區(qū)移動到另一個小區(qū)時， 為了保證通話的連續(xù)性， 蜂窩系統(tǒng)要在不同信道上自動切換， 移動臺的連接控制從一個小區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個小區(qū)， 該過程稱為越區(qū)切換。 ,越區(qū)切換是蜂窩移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一，基本的要求是越區(qū)切換時不能影響用戶的正常通信。通常，蜂窩系統(tǒng)采用信號強(qiáng)度作為越區(qū)切換的判定基準(zhǔn)。當(dāng)移動臺向當(dāng)前所處小區(qū)的邊界移動時，信號強(qiáng)度會逐漸減弱，通話質(zhì)量會逐漸惡化； 進(jìn)入相鄰小區(qū)時