多址技术与蜂窝技术

1、多址技术与蜂窝技术 引言 n复用和多址通信的数学基础信号正交分割原理，也 就是信道分割理论，即：赋予各个信号不同的特征， 然后根据各个信号特征之间的差异来区分，实现互不 干扰的通信。 n信道分割有两方面的要求：一是在采用各种手段（如 调制、编码、变换等）赋予各个信号不同的特征时， 要能不失真地还原各个原始信号，即这些手段应当时 可逆的，二是要求“分得清”各个信号。（即在分割 时，各个信号之间互不干扰，从本质上讲就是要求在 分割域内的各个信号互相正交）。 n多址技术的关键是设计具有正交性的信号集合，使各 信号相互无关。做到完全正交有一定的困难，一般采 用准正交，允许各信号间存在一定干扰，设法将干

2、扰 控制在允许的范围内。 n常用的复用方式有“频分复用”、“时分复用”和 “码分复用”。多址接入方式有“频分多址”、“时 分多址”和“码分多址”，空分方式以及极化方式。 频分多址fdma方式 nfdma是最早的一种多址接入方式。 n当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接 入时，称为频分多址方式。 n基本原理：将给定的频谱资源按频率划分为若干各较 窄的且互不重叠的子频带（信道），每个用户分配到 一个固定子频带，按频带区分用户；将信号调制到该 子频带内，各用户信号同时传送；接收时分别按频带 提取，从而实现多址通信。 n在采用理想滤波器分割各用户信号时，应满足下式所 示的频域正交的分割条件。

3、式中sn(f)=fsn(t)是第n 路sn(t)的富式变换；ff2f1是sn(t)的使用频带。 ( )( )1, ( )( )0, f f sn fsm f dfnm sn fsm f dfnm ( )( )1, ( )( )0, s s fn sfm s dsnm fn sfm s dsnm nfdma技术比较成熟，应用比较广泛。 n时分多址tdma方式 ntdma是在给定传输频带的条件下，把传递时间划分 为若干时间间隙，简称时隙。 n用户的收发各使用一个指定的时隙，经过数字化后的 用户信号被安插到指定的时隙中，多个用户依序分别 占用时隙，经传输，各用户接收并解调后分别提取相 应时隙的信息。

4、即按时间区分用户，从而实现多址通 信。这就是时分多址方式的原理。 ntdma把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若 干个时隙。各用户再同一频带传送，时间上互不重叠。 ( )( )1, ( )( )0 , t t s n ts mt d tnm s n ts mt d tnm nt是第n个用户信号sn(t)的持续时间。 n在tdma系统中，时隙结构的设计通常要考虑三个主 要问题：一是控制和信令信息的传输；二是信道多径 的影响；三是系统的同步。 n解决方法：1在每个时隙中，专门划出部分比特用于 控制和信令信息的传输。2为了便于接收端利用均衡 器来克服多径等原因引起的码间干扰，在时隙中要插 入自适

5、应均衡器所需的训练序列。利用训练序列来预 置均衡器的抽头系数，从而消除码间干扰对整个时隙 的影响。3各时隙间还应留有保护间隙，以减少码间 串扰的影响。4整个系统要有精确的同步，要由基准 站统一系统内各站的时钟，才能保证各用户准确地按 时隙提取各自需要的信号。为了便于同步，在每个时 隙中还要传输同步序列。 码分多址cdma方式 ncdma系统中，各用户使用相同的载波频率，占用相 同频带，发射时间是任意的。即：各用户的频率和时 间可相互重叠，用户的划分是利用不同地址码序列实 现的。 n由于在每一个用户信息码元时隙中填入了一定长度的 用户码序列，序列中每一个用户信息子码比码元时隙 宽度小若干数量级，

6、因而传输信号宽度将远远大于用 户的原始宽度，所以cdma方式一定是频谱扩展的通 信方式，即扩频方式。 n不用用户使用不同的码序列，它们占用相同频带，可 以同时传输，接收机能收到但不能解出，可实现互不 干扰的多址通信。 n当以不同的互相正交的码序列区分用户、建立多址接 入时，称为码分多址方式。 n码分多址系统和前述的几种方式一样也是利用相互正 交的码序列互不干扰的原理来实现多址通信。在 cdma中正交的码序列也是地址码。 nt为信息序列码元间隔，cn(t)为第n个用户的地址码序 列。 n空分多址sdma方式 n空分多址（sdma）是利用不同的用户空间特征区分 用户，从而实现多址通信的方式。 n在

7、蜂窝移动通信中运用了这种多址方式，才能用有限 的频谱构成大容量的通信系统，称为频率再用技术， 这是蜂窝通信中的一项关键技术。空分多址通常与其 他多址方式综合运用。 ( )( )1, ( )( )0, t t c n tc m t d tnm c n tc m t d tnm n式中s是用户n所在天线的辐射区。 ()()1, ()()0, s s fn sfm s dsnm fn sfm s dsnm 扩频的基本原理及特点 n扩频通信确切地说称为扩频通信更为恰当，因为被扩 展的信号频谱带宽，习惯上被称为扩频。 n主要特征：扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩 频码序列的带宽。 n扩频通信具有扩频

8、编码调制和信号相关处理两个特点。 n扩频的基本原理 n信道容量公式： nc为信道容量；w为信道带宽；s/n为信噪比。 n信道容量c的要求一定时，可以用不同的带宽w和信 噪比s/n的组合来达到。若减小带宽则必须发送较大 的信号功率，若有较大的传输带宽，则同样的信道容 量能够由较小的信号功率来传送。 2 log (1) s cw n 2 log (1) s cw n n信噪比太小，不能保证通信质量时，常采用宽带系统， 也就是用增加带宽（展宽频谱）来提高信道容量，以 改善通信质量，即用带宽换功率。 n输入信号到达解调端后有用信号还原为窄带数据信号， 而干扰信号变成宽带信号，经过窄带滤波器后，滤掉 有

9、用信号带外的干扰信号，从而降低了干扰信号的强 度，改善了信噪比。这就是扩频通信系统抗干扰的基 本原理。 n扩频通信系统的主要技术指标 n1处理增益 ngp为扩频信号带宽w与基带数据信号带宽b之比称为 处理增益，表示了扩频通信系统信噪比改善的程度。 是扩频通信系统的一个重要性能指标。 w g p b n2.干扰容限 n干扰容限是在保证系统正常工作的条件下，接收机输入端能承受 的干扰信号比有用信号高出的分贝数。 nmj为干扰容限，gp为处理增益，ls为系统损耗。(s/n)0为接收 机输出信噪比。 n干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度， 能确切的表征系统的抗干扰能力。 n扩频通信

10、系统的特点及扩频方式 n1扩频通信的特点 n抗干扰能力强 n保密性能强 n低功率谱密度 n易于实现大容量多址通信 n易于实现精确定时与测距 n适合于随参信道的无线通信 0 () () s mjgplsdb n n缺点 n占用信道频带宽 n系统实现复杂 n在时变信道中实现同步较为困难 n实现大容量通信有一定困难 2扩频通信系统的工作方式 1直接序列扩频方式 2跳变频率扩频方式 3跳变时间扩频方式 4混合扩频方式 6.4码分多址通信 n码分多址运用相互正交的码序列互不干扰的原理来实现多址通信。 在码分多址通信中，所用的互为正交的码序列称为地址码（扩频 码）。 n码分多址涉及的技术： n1要达到多路

11、多用户的目的就要有足够多的地址码，而这些地址 码又要有良好的自相关特性和互相关特性，这是“码分”的基础。 n在码分多址通信系统中的各接收端，必须产生本地地址码（简称 本地码），该本地码不但在码型结构与对端发来的地址码一致， 而且在相位上也要完全同步。用本地码对收到的全部信号进行相 关检测，从中选出所需要的信号，这是码分多址最主要的环节。 n为了把各用户之间的相互干扰降到最低限度，并且使各个用户的 信号占用相同的带宽，码分系统必须与扩频技术结合，使在信道 传输的信号所占频带极大地展宽，为接收端分离信号完成实际性 地准备。 地址码和扩频码地生成及其特性 n理想的地址码和扩频码的特性： n有足够多的

12、地址码 n有尖锐的自相关特性 n有处处为零的互相关特性 n不同码元数平衡相等 n尽可能小的复杂度 n在cdma中对地址码设计的基本要求： n用户地址：必须保证增加的各用户间的正交性能，以减少用户之 间的干扰。 n多速率业务地址：保证不同速率业务之间的正交性能，以防止多 速率业务间的干扰。 n信道地址：保证各信道之间正交、互不干扰。 n基站地址：质量上保证各基站之间正交，以减少基站间的干扰。 ncdma中采用的是沃尔什码。 n沃尔什码是正交码，沃尔什码的生成比较简单，可以 通过哈德玛矩阵来生成。 nm1(1)。理论上证明，通过哈德玛矩阵生成的任意 数量的地址码都是完全正交的。 n通过分析沃尔什码

13、是正交码，具有良好的自相关特性 和处处为零的互相关特性。 n沃尔什码与伪随机码特性中各自都有优点。可以用复 合码特性来克服各自的缺点。 2 nn n nn m m m m m 蜂窝技术 n蜂窝概念是一种系统级的概念。 n蜂窝制的基本特点：用许多小功率的发射机（小覆盖 区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一 个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖，将所 要覆盖的地域划分为若干个小区，多个小区彼此相连， 覆盖整个服务区。 n正六边形构成的网络形状像蜂窝一样，故称为蜂窝网。 n相邻小区使用不同频率的信道，以免互相干扰。但相 隔较远的小区可重复使用相同的频率，称为“频率再 用”。所以，用有限

14、个频率可以为多个小区服务，从 而组成大容量大范围的移动通信系统。 n不同信道的小区组成一个区群，只有不同区群的小区 才能进行信道再用。区群的组成应满足两个条件：一 是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖二 是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的 距离相等。 n蜂窝通信的3个关键技术 n1接续技术 n2多址技术 n基站需要实现与多个用户的接续，要有多元连接的功 能。要经济地利用频谱，有效地实现多元连接，关键 是合理地运用各种多址技术。 n3传输技术 n采用何种抗干扰编码技术可以克服恶劣环境的影响。 如何获得较高的传输效率和较低的误码率。 n蜂窝网的接续技术 n在蜂窝系统中，移动用户

15、通过基站与移动交换局相连， 基站只提供信道，包括移动用户与基站间的无线信道 和基站与移动局间的中继线。 n接续技术 n1等待状态 n2主叫过程 n3被叫过程 n越区切换 n当移动用户离开基站较远时，无线传输质量下降。这 时，系统就需将移动用户转换到另一个基站，这种由 原基站的业务信道转换到新基站的业务信道的过程称 为切换，也称越区切换。 n越区切换的三个问题： n1越区切换的准则 n2越区切换如何控制 n3越区切换时信道分配 n1切换的参考信号 n切换可以根据误码率大小来决定，它本身就是信号强 度的函数，二者时相关的。 n2切换控制 n方案一、由移动交换局控制切换 n方案二、由移动台控制切换

16、n方案三、gsm采用的方案 n此方案仍由移动台测量，监视基站的信号，但要求移 动台将测量结果报告给旧基站，移动局根据测试结果 决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。 n3切换判决算法 n由于移动过程中地形复杂，故此要通过判决算法决定 何时切换。 n4“硬”切换和“软”切换 n硬切换是指当移动台需要转移到新基站的无线信道时， 先切断和原基站的联系，再与新站建立联系。 n软切换则是不切断原基站的联系，在一段短时间内同 时保持两个基站的联系。 n载频不同的两个基站间只能用硬切换，软切换只能在 频率相同的基站间进行。所以fdma系统和tdma系 统只能使用硬切换，cdma系统两种切换方式都可以 采

17、用。在cdma系统中的不同扇区之间也可以实现软 切换。 n漫游功能 n漫游：移动台离开本管区范围，移动到其他管区时， 其他用户仍能用它原来的局号和电话号码呼叫该用户， 该用户在新管区也能呼叫和通话。 n为适应漫游功能的需要，位置管理采用两层数据库， 即原籍位置寄存器(hlr)和访问位置寄存器(vlr)，其 中hlr是本地（归属）用户寄存器，存储本系统内注 册的所有用户的信息，包括用户的有效性、预定的业 务、记帐信息、当前的位置等，vlr外来用户寄存器 存储正在服务的用户信息。 n1请求位置登记 n2位置登记 n3呼叫漫游用户 n4漫游用户呼叫固定或移动用户 n漫游用户登记过程就是在移动台的实时

18、位置信息已知 的情况下，更新位置数据库(hlr和vlr)和认证移动 台。 卫星通信系统 n卫星通信，是指利用人造地球卫星作为中继站转发无 线电波，完成两个或多个地球站之间的通信。 n卫星通信系统的组成 n通信卫星由天线分系统。通信分系统、遥测与指令分 系统、控制分系统和电源分系统。 n地球站设备 n1地球站的组成和性能要求 n2天线分系统 n3大功率发射分系统 n4低噪声接收分系统 卫星通信中的多址技术 n卫星通信具有覆盖面积大的特点，在卫星天线波束覆 盖范围内的任何地球站通过共同卫星的中继和转发进 行双边或多边连接，实现多址通信。 n卫星通信系统中的所有用户共享转发器的带宽和功率， 系统容量

19、受转发器的带宽和功率的限制，称为带宽和 功率受限系统。 n1卫星通信中的频分多址 n在卫星fdma系统中，把卫星转发器的有效射频频带 分割成若干个互不重叠的频段分配给各地球站使用。 各站发射的射频载波频率不同，发送的时间和覆盖的 区域可以重合，但调制后所占用的频带要严格分开。 n在卫星的多址通信中，各站的带宽和话路可以是“预 分配”的，也可以是按需要分配的。对于各站公用的 信道，不是固定“预分配”给某一站使用的，需要根 据实际“按申请”临时分配这些信道。 nfdma卫星系统的主要优点：技术成熟，设备简单， 不需要网同步，工作可靠，可直接与地面频分制线路 接口，工作于大容量线路时效率较高，特别适

20、用于站 少而容量大的场合。是目前国际、国内卫星通信广泛 采用的一种通信方式。 n卫星系统中的放大器的非线性容易引起的问题： n1产生互调干扰 n2产生频谱扩展现象，产生邻路干扰 n3放大器的非线性产生了强信号抑制现象 n4降低放大器的输出功率，降低了通信容量 n5fdma系统中使用频带中间留出保护频带，以避免互 相干扰 卫星通信中的时分多址 n卫星转发器的工作时间周期性地分割为若干个互不重 叠地“时隙”，提供给各地面站发射的信号使用。在 tdma系统中，所有地球站在卫星内占用的时间间隔 总和称为帧周期或简称帧，而把每个地球站占有的时 隙称为分帧。 n帧由前置码（报头）和信息数据两部分组成。 n

21、只要接收站检测到前置码，就可以在其控制下，并正 确地选出与本站有关的信号。 n发送不同地球站的信息数据安排在数据部分的不同时 隙内。 ntdma系统在各时隙间需留保护间隔，还需加入同步、 定时、站址识别等各种额外开销，这些也都影响实际 的带宽利用率。 ntdma方式的主要问题是要有精确的同步，才能保证 各站到达转发器的时间不重叠。 卫星通信中的码分多址 n码分多址的特点是各路信号由不同的且相互正交或准 正交的扩频序列调制，各路信号在时间和频率上都可 能互相重叠。 移动通信的概念及发展 n1第一代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术， 包括以蜂窝网系统为代表的公用移动通信系统、以集 群系统为代

22、表的专用移动通信系统以及无绳电话。 n2第二代移动通信以数字传输、时分多址或码分多址 为主体技术。简称数字移动通信。包括数字蜂窝系统、 数字无绳电话系统和数字集群系统。第二代的不足之 处是系统容量还不够大，第二代系统的设计是面向话 音的而不是面向数据的，系统尚不能提供宽带和多媒 体服务。 n第三代移动通信以世界范围的个人通信为目标。 n主要特征： n灵活性高及频谱的利用率高 n除可传送高质量的话音外，数据通信速率应达到 2mbit/s n无缝隙的全球覆盖，可实现全球漫游。 n实现系统的综合 n网络智能化 n可提供宽带和多媒体服务 n综合卫星链路 n网络结构可配置成不同形式，以适应多种通信环境。 gsm数字蜂窝通信系统的网络结构 n移动台为便携台或车载台，也可以配有终端设备和终 端适配器。 n基站收发台包括无线传输所需要的各种硬件和软件。 n基站控制器是基站收发台和移动交换中心之间的连接 点，也为基站收发台和操作维护中心之间交换信息提 供接口。 n移动交换中心（msc）是蜂窝通信网络的核心，它的 主要功能是对位于本中心控制区域内的移动用户进行 通信控制和管理。 n原籍位置寄存器（hlr）是一种用来存储本地用户位 置信息的数据库。在蜂窝通信系统中，通常设置若干 个hlr，每个用户都必须