现代数字通信技术第五章多址技术

1、第五章 多址技术n多个用户接入信道以便传送信息的各种方式。n复用multiplexing (MUXing)与多址multipoint (multiple) access 区别： 复用是将多路信号按某种方式合在一起在划分好的信道上传输。而多址是将信道资源划分后动态分配给用户。5.1 多址技术n一、多址系统图特点：用户共用信道传送信息例如：卫星通信的上行链路移动通信中的用户到基站多个终端接入中心计算机二、常用多址技术n频分多址技术FDMA：将信道带宽信道带宽划分为频率互不重叠的子信道。n时分多址技术TDMA：将帧持续时间帧持续时间划分为K个互不重叠的子间隔。n空分多址SDMA：蜂窝划分、基站扇区划

2、分、智能天线。n码分多址CDMA：不同用户使用不同扩频码。n正交频分多址OFDMA，不同用户使用不同子载波的组合。n混合多址：几种多址方式的组合。 n扩频技术理论基础扩频技术理论基础 在白噪声干扰的条件下，信道容量Shanon公式B 信道带宽 S 信号平均功率 N 噪声平均功率结结 论：论：在信道容量C不变的情况下，信道带宽B与信噪比S/N完全可以互相交换，即可以通过扩大传输信号的带宽以在较底信噪比的条件下获得比较满意的传 输质量。NSBC1log25.2 CDMA技术二.扩频技术分类n直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)n跳频扩频(Freq

3、uency Hopping Spread Spectrum,FHSS)n跳时扩频(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)n线性调频(Chirp Modulation)作用：作用：n对抗或抑制干扰的有害影响n低功率发送隐蔽信号（消息隐藏在背景噪声中）n实现信息的保密三 直接序列扩频的DS-CDMAn每个用户分配唯一的码序列或特征序列特征序列(伪随机序列伪随机序列)，不同用户使用不同的码序列。n要发送的低速信号与高速特征序列模2加扩频n接收端，求接收信号与每一个用户特征序列互相关，获得各个用户信号。n设计具有较小互相关的特征序列特征序列，可使接收信号固有的串音最小化。

4、直接序列扩频数字通信系统的模型n基本组成原理要求：接收机产生的PN序列与接收信号中的PN序列同步DS-CDMA特点PN码不完全正交或信号异步传输，不同用户信号存在多址干扰，造成远近效应，即距离基站近的移动台信号较强，距离较远的移动台信号较弱，距离基站近的移动台对距离基站远的移动台产生干扰；一般采用功率控制克服远近效应；开环、闭环和外环三种功率控制方式。可采用多用户检测技术提高系统性能。 由于用户共享一个频率，因此小区间无需频率规划；具有软切换能力，即跨区移动时移动台与新小区建立联系时可不中断与原小区联系，带来更好的通信质量和减少切换造成的掉话。具有软容量限制；由于存在多址干扰，用户越多，性能越

5、差；具有小区呼吸功能，即小区覆盖大小可动态变化，负荷重的小区通过减少发射功率使边沿用户切换到相邻小区。固有的频率分集特性，采用RAKE接收机克服多径效应；四、CDMA多径接收技术 CDMA 个人通信系统采用时间分集和空间分集两种RAKE接收方法。 基站使用有一定间隔的两组天线分别接收来自不同方向的信号；而移动台采用时间分集RAKE接收，让接收信号通过相关延迟为D的逐次延迟相关器，延迟间隔D为扩频码码元宽或大于码元宽，不同的延迟相关输出结果对应不同路径的信号。多径接收之所以能够实现是因为，发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同建筑物、山岗等各种障碍物的反射和折射，到达接收机时每个波束具有不同

6、的延迟，形成多径信号。CDMA技术采用多径接收技术，有利于克服码间干扰，但当扩频处理增益不够大时，克服的程度会受到限制，即仍会残存码间干扰。 如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片的时延，则在接收端可将不同的波束区别开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起。支路RAKE接收机如图下图所示。图中多个相关器分别检测多径信号中最强的个支路信号，然后对每个相关器的输出进行加权及合并，最后进行检测和判决。采用最大比率合并时，合并后的输出为： 1MmmmZZ基站设备中使用多用户检测技术，具有以下优点： 提高基站的覆盖区容量。

7、容量的增加，意味着频谱效率的提高。同时增加最大可能的用户数。 降低用户设备（如手机等）的发射功率。手机发射功率的降低，意味着更长的通话时间或待机时间、减少对人体的微波辐射，减小对环境的影响。 增加通信距离，增大基站的覆盖面积，降低基站综合成本。5.3 随机接入n研究问题：以分组形式在共用信道上发送信息的多用户系统。n存在问题： 存在分组冲突，通过设计分组重传的某种信道协议来解决冲突问题。n产生背景产生背景n 在60年代末期，随着数据业务的迅速增长，现有的电话网络已不能满足计算机联网的需要。其基本原因在于，传统的电话网是多年前为连续话音通信设计的。交互式时分共享的计算机系统中所传输的数据和电话网

8、中所传输话音信号的主要区别是：(1)用户终端与计算机之间的数据传输具有突发性，两次突发之间有相当长的时间没有数据传送；(2)计算机网络中的数据通信具有非对称性，从中央计算机传送到用户终端的平均数据量远大于从终端发往中央计算机的平均数据量；(3)计算机数据通信所要求的可靠性远高于话音通信。5.3.1 ALOHA系统和协议n为了研究用于无线通信来取代传统的电话网络，以实现计算机通信的可行性，夏威夷大学于1968年9月开始研制ALOHA系统一种实验性的计算机网络。ALOHA是夏威夷人表示致意的问候语，这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。该系统于1971年6月建成，随后又通过租用的卫星

9、话音信道与ARPANET相连接。在此基础上，又于1973年建成了世界上第一个通过卫星(ATS1)实现数据包广播的网络。nALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络，而在于它首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构，这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为ALOHA信道。通过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要优点是：(1)允许大量间歇性工作的发射机共享同一信道，不需要路由选择与交换，建网简单。(2)利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为

10、网中的每个用户提供一个单独的接口。n随机接入方案：每个用户一有分组就发送。nALOHA协议分为纯ALOHA、时隙ALOHA和预约ALOHA。（1）纯ALOHA：不同步、非时隙系统。n工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间内若收到应答，表示发送成功，否则重发。 n重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止 n优点：简单易行 n缺点：极容易冲突 n竞争系统：多个用户以某种可能导致冲突的方式共享公用信道的系统。n极大值为 G = 0.5时，信道利用率S = 0.184（2）时隙ALOHA：同步、时隙系统，在具有特定开始和结束时刻的时隙

11、内发送该分组。 工作原理：把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯ALOHA协议相同。n信道效率：冲突危险区是纯ALOHA的一半，与纯ALOHA协议相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为36.8%。 n重发策略：同纯ALOHA ，等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。 n代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由该站点发送时钟信号 (3)预约ALOHA(Reservation ALOHA)为了更有效地利用信道，可采用预约ALOHA。该协议把信道时间分成帧，每帧再分成M1个时隙，前

12、M个时隙用来发送信息包，第M1时隙再进一步细分成V个子时隙，供网中的发射机按时隙ALOHA方式发送预约信号，一旦预约成功，该发射机便可利用前M1个时隙中的某个空闲时隙发送信息。由于在前M1个时隙内不会发生“碰撞”，预约ALOHA的信道效率可高达0.88，但其代价是进一步增加了延时及系统的复杂性。假设分组发送的起始时间是泊松点过程，其平均速率为 。 令 表示一个分组的持续时间，则：n归一化信道业务量G（也称流入信道业务量）定义为：s/个分组pTpTG冲突的分组以延迟 重发，延迟 的PDF为：均延时用来确定重传之间的平:e)(p利用随机延迟 初始发送的时刻现在发送时刻pTS)( ：则归一化信道吞吐

13、量为是分组成功发送的速率令计算一个分组和某一给定分组不重叠的概率： 为该分组的发送起始时间的前、后 内没有分组发送的概率，秒pT由于：GpGepSGTp2)2exp()2exp(不冲突的概率不冲突的概率流入信道容量PtkkTtkekttp2, 0,!)()(时隙ALOHA的吞吐量n 令Gi为第i个用户在某时隙发送一个分组的概率，当有K个用户独立运行总的流入信道业务量为KiiGG1某时隙发送的一个分组被无冲突地接收的概率为 ：归一化信道吞吐量：iiGS KiiSS1第i个用户分组与另一个分组不发生冲突的概率是GKiiiiiKijjjGeSKKGGSKGGKSSKQGSGQi时，及：到信道吞吐量：

14、个相同的用户，可以得通过考虑因此：11)1 (,)1 (5.3.2 载波侦听系统和协议n带冲突检测的载波侦听多址接入（CSMA/CD）特点：（1）所有用户监听信道上的传输情况，空闲即抢占信道发送。（2）当两个或以上的用户发生冲突时，将发送一个阻塞信号的特殊信号，通知所有冲突用户中断传输。以总线型网络为例U1和U2是总线两端的用户号的传播延时：是穿越总线长度时信d非坚持CSMA（1）若信道空闲，用户发送一个分组。（2）若侦听到信道忙或发生冲突，用户按照某种延时分布在稍后的时间安排传输（3）在该延时间隔结束时，用户再次监听信道并重复步骤（1、2）1坚持CSMAn如果信道是空闲的，用户以“1”的概率

15、发送分组n如果信道忙，用户等待直到信道空闲再以“1”的概率发送分组。P-坚持CSMA（1）如果信道侦听是空闲的，则该分组以概率p发送，并以概率1-p延时 发送（2）如果在 处，信道侦听仍然是空闲的，重复步骤（1）。如果冲突发生，用户根据某些预先选择好的传输延时分布安排分组的重传。（3）如果在 处信道侦听忙，则用户等待，知道信道空闲再执行（1）和（2）的操作。sttCSMA/CD信道最大利用率 考虑理想情况，假定信道上不产生碰撞，则发送一帧占用信道的时间为 ， 为信道端到端最大延时， 为分组的时长，于是信道利用率达到的极限为， 式中，dpTmax11ppdTSTadpaTdpT:10/25/10

16、00( )( )( )/( )dpdpMb sCSMA CDkms kmabTcTd思考题一个总线传输速率为的系统,总线为，传播延时是，分组长度为比特，试求：端到端的延时分组持续时间比值该总线的最大利用率和最大比特率带冲突避免的载波侦听多址接入（CSMA/CA）n无线信道的隐藏终端和暴露终端问题。n隐藏终端是指在接收节点覆盖范围内、发送节点覆盖范围外的节点，如图所示，节点A、B、C都工作在同一信道上，当节点A向节点B发送分组时，载波侦听机制无法阻止节点C发送数据,造成信号在节点B处产生冲突。节点C是隐藏在节点A覆盖范围之外的，又能对节点A的发送形成潜在冲突的节点。隐藏终端会大大降低信道利用率。

17、ABCA：发送节点B：接收节点C：隐藏终端n暴露终端是指在发送节点的覆盖范围之内，而在接收节点的覆盖范围之外的节点。当节点A向节点B发送分组时，节点C侦听到节点A在发送分组，所以节点C推迟向节点D发送分组。这种推迟是不必要的，因为节点A向节点B发送分组与节点C向节点D发送分组并不冲突，此时，节点C是节点A的暴露终端，也降低信道利用率。BACDA：发送节点B：接收节点C：暴露终端D：接收节点n隐藏终端和暴露终端问题解决方法：n源节点发送数据前，先发送一小段请求传送报文RTS ( Request to Send)给目标节点， RTS包含源地址、目的地址、通信持续时间信息。等待目标节点回应接受请求报文 CTS ( Clear to Send )后，源节点才开始传送数据，CTS也包含源地址、目的地址、通信持续时间。当隐藏终端收到目标节点C