《扩频多址技术》ppt课件

1、第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 第第7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.1 蜂窝技术及多址技术的根本概念蜂窝技术及多址技术的根本概念 7.2 扩频多址技术的分类及特点扩频多址技术的分类及特点 7.3 码分多址系统的原理与运用码分多址系统的原理与运用 7.4 码分多址技术的容量分析码分多址技术的容量分析 思索与练习题思索与练习题 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.1 蜂窝技术及多址技术的根本概念蜂窝技术及多址技术的根本概念 7.1.1 蜂窝技术的根本概念 1. 双工方式 在无线通讯中, 实现双工通讯最常用的方法有两种, 即频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。 所谓频分

2、双工, 是指每个用户的接纳和发送是在不同的频道上进展的, 即利用不同的频率范围来区分发送和接纳信道。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 1 双工方式(a) 频分双工(FDD); (b) 时分双工(TDD)f收发保护频段t保护时间间隔发 送接 收发 送接 收发 送接 收(b)(a)第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2. 小区与区群的概念 挪动通讯在现代通讯中占有非常重要的位置, 因此其开展非常迅速。 它所采用的技术代表了当前通讯技术开展的最高程度。 在挪动通讯系统中, 由于挪动性的要求和设备的体积功耗的制约, 普通情况下, 挪动台的天线高度和发射功率都要遭到限制。 第

3、第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 在这种情况下, 为了保证用户之间可以有足够的通讯间隔, 同时也为了便于系统的管理和交换, 通常采用基站转发的任务方式, 即任何用户发送的信号, 首先由基站(在某些运用中也称为中心站)接纳下来, 然后再转发给接纳用户, 如图7 - 2所示。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 2 简单挪动通讯系统(大区制)的组成 基站第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 3 小区的外形 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 在蜂窝网中, 为了减小临近小区之间的相互关扰, 它们普通应任务在不同的频率组上。 但由于传输损耗随着间隔的添加而

4、不断添加, 因此, 假设两个小区相距足够远, 那么它们完全可以任务在一样的频率组上, 且相互之间的干扰可以忽略不计。 我们称此为频率再用, 并将相邻的采用不同的任务频率组的小区称为区群。可以证明, 假设一切的区群具有一样的形状, 那么区群中包含的小区数应满足下面的公式: N=i2+ij+j2 其中,i, j为正整数。 不同的N值对应的区群外形如图7 - 4所示。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 4 区群的外形N3 j1i1N4 j2i0N7 j2i1N9 j3i0N12 j2i2N13 j3i1N16 j4i0N19 j3i2N21 j4i1第第7 7章章 扩频多址技术扩

5、频多址技术 7.1.2 多址技术的根本概念 无论是大区制还是小区制挪动通讯系统, 普通都要求基站可以为多个挪动台的接入提供效力, 即系统应可以在给定的频谱资源下同时允许多个挪动台进展通讯, 处理这个问题的技术称为多址技术。 在扩频多址技术获得运用之前, 多址技术主要有两种, 即频分多址和时分多址。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 1. 频分多址(FDMA) 频分多址技术是将给定的频谱资源划分为假设干个等间隔的频道, 每个频道的宽度可以包容一路信息的传输, 且在一次通讯过程中, 每个频道只能提供应一个用户进展发送或接纳的一种多址方式。 如图7 - 5所示。 第第7 7章章 扩频多址技术

6、扩频多址技术 图 7 - 5 频分多址表示图 信 道 1信 道 N代 码频 率时 间信 道 2信 道 3第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 在设计频分多址系统时, 频道或信道的设计有以下几个特点: (1) 任何一种调制方式从实际上来讲, 其频率成分都几乎是无限的, 但其绝大多数的能量通常都集中在一个有限的频率范围内。 (2) 频道的宽度不仅与调制方式有关, 而且还与每路信息的传输速率(或带宽)有关。 (3) 在进展频道的划分时, 为了减小频道间的相互关扰, 在相邻的两个频道中传输的信号之间, 应留有一定的频率间隔, 即维护带。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 6 频

7、道划分表示图 已 调 信 号 带 宽保 护 间 隔信 道 带 宽已 调 信 号 带 宽已 调 信 号 带 宽f第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (4) 在采用频分双工的FDMA系统中, 为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰, 收发频率间隔必需大于一定的数值。 (5) 在采用频分双工的FDMA系统中, 由于每个信道中的信息是以一种不延续的发送方式传输的, 因此仅需求较少的比特来满足系统同步的开销(如位同步和帧同步)。 (6) 由于FDMA系统每频道(信道)的传输速率较低, 因此符号时间与时延扩展相比较大。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (7) 在采用FDD任务方式时, 对于

8、挪动台, 由于接纳和发送是同时进展的, 因此为了使得收发信机能共用一副天线， 采用双工器是必要的。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2. 时分多址(TDMA) 时分多址是把时间分割成周期性的帧, 每一帧再分割成假设干个时隙(无论帧或时隙在时间上都是互不重叠的)。 在这种多址方式下, 不同帧中的一样序号的时隙组成一个个的信道, 如图7 - 7所示。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 信道1信道2信道3信道 N代码频率时间 图7 7 时分多址(TDMA)第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 8 时分多址/时分双工表示图 Cn1TCn2RCn2TCnmRCnmTtC

9、n1RCn1TCn2TCnmRCnmTCn1R1帧Cn2Rt1帧第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 为理处理上述问题, 主要采取了以下四个方面的措施： (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) 为了便于接纳端利用平衡器来抑制多径引起的码间干扰,在时隙中要插入自顺应平衡器所需的训练序列。 (3) 在上行链路的每个时隙 中要留出一定的维护间隔(即不传输任何信号), 也就是说， 每个时隙中传输信号的时间要小于时隙长度。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (4) 由于每个时隙的传输是突发进展的, 为了便于收发双 方的同步, 在每个时隙中还要传输一些同步

10、序列, 包含位同步和信息同步(时隙同步)两部分。 同步序列和训练序列可以分开设置, 也可以合二为一。 另外, 由于收发信机在每个时隙的收发时, 还要进展收发转换, 因此, 还应保管一定的功率上升时间和功率下降时间。 典型的时隙构造如图7 - 9所示。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 9 典型的时隙构造 功 率 上 升同 步 信 息信 息 同 步随 路 信 令训 练 序 列业 务 信 息保 护 段第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 概括起来, TDMA的特点包括以下几个方面: (1) TDMA使得多个用户可以共享一个载波(频道), 但这些用户应在不同的时隙中任务。 (

11、2) 每一帧的时隙数取决于几个要素, 如调制方式、 有效带宽和每路信号的传输速率等。 (3) 对于每个用户来说, TDMA系统数据的发送不是延续的, 这就使得挪动台的功率耗费较低, 由于其发射机可以在非任务时隙(大多数时间)将电源封锁。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (4) 由于挪动台的发射和接纳单元不是延续地处于任务形状, 因此它可以在空闲时隙期间对整个系统的形状进展检测。 (5) TDMA系统中, 即使在频分双工方式下, 其发射和接纳也可以不在一样的时间进展, 因此不需求双工器。 (6) 相对于FDMA, TDMA信道的传输速率要高得多, 相对来讲码间干扰较严重， 普通情况下自

12、顺应平衡器的运用是必要的。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (7) 在TDMA系统中, 每个用户只能在特定的时隙发送和接纳数据, 而且每个时隙采用的是突发的传输方式, 因此, TDMA对系统定时和同步的要求更为严厉。 (8) TDMA系统的一个显著的优点是可以根据用户的业务不同, 为其分配不同的时隙数, 从而实现根据用户的业务类型提供不同的系统带宽, 即实现多种业务的接入。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.2 扩频多址技术的分类及特点扩频多址技术的分类及特点 7.2.1 跳频多址(FHMA) FHMA是一种数字多址系统, 它是在跳频的根底上开展起来的一种多址方式。 在F

13、HMA 系统中, 首先将给定的频率范围像FDMA系一致样划分成许多频道, 但每个用户的载波频率不是固定在一个频道上, 而是随着时间的变化而不断变化的, 变化的规律遭到各自的伪随机序列(PN码)的控制。 即各用户的载波频率在给定的系统带宽内按照各自的PN码随机地进展快速的改动。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 10 FHMA和CDMA表示图 (a) FHMA; (b) CDMA 时间用户1用户2用户 Nf0f1Bfn频率(a)(b)信道1信道2信道 N频率码字时间第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.2.2 码分多址(CDMA) 在CDMA系统中, 一切用户任务在一

14、样的载波频率上, 但在进展调制之前, 用户的输入数据序列首先要进展扩频处置, 即与某个高速的扩频序列(PN序列)相乘, 变换为宽带信号。 不同的用户(或信道)运用不同的PN序列, 这些PN序列(或码字)相互正交。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 CDMA系统具有以下几个主要特点: (1) CDMA系统使得许多用户可以共享同一频率, 无论是采用TDD技术还是采用FDD技术。 (2) CDMA系统具有软容量的特点。 (3) CDMA系统有利于抑制多径衰落的影响。 (4) 在CDMA系统中, 信道的传输速率很高, 符号(码片)的时长很短; 同时, 由于PN序列具有很低的自相关性, 超越一个

15、码片的多径延时信号将被视为噪声。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (5) CDMA系统可以实现具有宏空间分集特性的信道软切换。 (6) CDMA系统具有码分多址系统所特有的多址干扰。 (7) CDMA系统容易发生远近效应的影响。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.2.3 混合码分多址 混合码分多址的方式是多种多样的， 如FDMA与CDMA混合(FD/CDMA), TDMA与CDMA混合(TD/CDMA), TDMA与跳频混合(TDMA/FH), FHMA与CDMA混合(DS/FHMA)等等。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.3 码分多址系统的原理与运用码分多

16、址系统的原理与运用 7.3.1 根本原理 由前面的表达可以看出, FDMA是以不同的频道来区分不同的信道的一种多址方式, 其特点是频带独占, 而时间资源可以共享。 TDMA是以不同的时隙来区分不同的信道的一种多址方式,其特点是时间独占, 而频率资源可以共享。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 CDMA那么是利用不同的码型来区分不同的信道， 不同的用户分配不同的码型, 这些码型互不重叠， 其特点是频率资源和时间资源均为共享资源。 一个典型的CDMA系统如图7 - 11所示。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 11 典型的CDMA系统框图 MS1上行链路下行链路CkC2

17、C11CMS22CMSkkCBS第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.3.2 Walsh函数 由于Walsh函数(序列)具有良好的正交性能, 所以在CDMA系统中, 普通采用Walsh函数区分下行通讯链路的不同信道。 不同阶数的Walsh函数矩阵可以经过递推关系得到。 其递推关系如下: 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 nnnnnnnHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH222222241111112101101100101000000第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.3.3 实践系统运用 IS-95是由美国Qualcomm公司开发的一个胜利的商业CDMA蜂窝

18、挪动通讯系统规范。 本节我们结合该规范, 引见一下CDMA蜂窝通讯系统的根本组成和思索要素。 1. IS-95规范的主要参数 1) 任务方式和任务频段 IS-95规范采用CDMA/FDD任务方式； 其下行链路任务频段为869894 MHz, 上行链路任务频段为824849 MHz。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2) 信道数 每一载频有64个信道(码分多址信道); 每一小区可分为3个扇区, 共用一个载频; 每一网络分为9个载频, 其中收、 发各占12.5 MHz带宽, 共占25 MHz带宽。 3) 射频带宽 第一频道带宽为21.77 MHz, 其它频道带宽为21.23 MHz。 4

19、) 调制方式 基站采用QPSK方式， 挪动台采用OQPSK方式。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 5) 扩频方式 IS-95规范采用直接序列扩频。 6) 言语编码 IS-95规范采用可变速率CELP, 其最大速率为8 kb/s, 每帧时间为20 ms。 另外, 该规范允许的最大数据速率为9.6 kb/s。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7) 信道编码 该规范中， 采用了卷积编码和交错编码技术， 其参数如下： 卷积编码: 下行链路编码速率为R1/2, 约束长度 K9; 上行链路编码速率为R1/3, 约束长度K9。 交错编码: 交错深度为20 ms。 在进展扩频时， PN码的

20、码片速率为1.2288 MHz; 基站识别码为m序列, 周期为215-1。 8) 多径利用 IS-95规范采用RAKE接纳方式, 挪动台为3条途径, 基站为4条途径。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2. 信道的组成 在IS-95系统中, 每一载频包括64个信道, 各信道的逻辑功能如图7 - 12所示。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 12 CDMA系统逻辑信道表示图(a) 基站到挪动台的下行链路; (b) 基站到挪动台的上行链路下行通信链路W0导频 寻呼寻呼 业务业务业务业务同步接入信道1m1NW1W7W8W31W32W33W63使用Walsh函数区分上行通信

21、链 路接入信道 业务信道业务信道使用长码PN序列区分(a)(b)第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 3. 下行链路的组成 下行链路的组成框图如图7 - 13所示, 该图详细指出了信道的组成、 信号的产生过程和信号的主要参数。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 13 下行链路的组成框图 导频信道(全0)同步信道比特卷积编码器1.2 kb / s(r1/2 , K9)2.4 ks / s码元码元重复调制码元4.8 ks / s分组交织器调制码元4.8 ks / s沃尔什函数321.2288 Mc / s沃尔什函数0 1.2288 Mc / sAA寻呼信道比特卷积编码器9.

22、6 kb / s19.2 kb / s码元码元重复调制码元分组交织器调制码元19.2 ks / s沃尔什函数P1.2288 Mc / sA4.8 kb / s9.6 kb / s19.2 ks / s分频器长码产生器1.2288 Mc / s19.2 kb / s寻呼信道的长码时标帧质量指示器用户 m的正向业务信道的信息比特8.6 kb / s4.0 kb / s2.0 kb / s0.8 kb / s加编码器尾比特9.2(kb / s)4.42.00.8卷积编码器9.6(kb / s)4.82.41.2码元重复19.2(ks / s)9.64.82.4码元调制码元复用沃尔什函数nk1.228

23、8 Mc / s功率控制比特800 b / s分组交织器19.2 ks / s19.2 ks / s调制码元19.2 ks / s分频器分频器长码产生器800 Hz1.2288 Mc / s用户 m的掩码基带滤波器基带滤波器cos ctsin ctQ 信 道引导 PN 序列1.2288 Mc / sIQI 信 道引导 PN 序列1.2288 Mc / sAI(t)Q(t)S(t)A92/1krr1/2K9第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 4. 上行链路的组成 上行链路的组成框图如图7 - 14所示。 由图7 - 14可以看出, 在上行链路中采用了三种码序列, 即I/Q支路码序列、 Wa

24、lsh函数(正交调制器)和长码掩码(包括接入信道长码掩码和反向业务信道长码掩码)。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 14 上行链路的组成框图 9.6(kb / s)4.82.41.228.8 ks / s码元基带滤波器基带滤波器cos ctsin ctQ 信 道 序列1.2288 Mc / sIQI 信 道 序列1.2288 Mc / sI (t)Q (t)S(t)D延时406.9 nsPN子 码12长码产生器1.2288Mc / sPN子 码掩码数据猝发随机化器帧数据率4.8ks / s(307.2 kc / s)正交调制器调制码元(64进制)分组交织器码元28.8ks

25、 / s码元重复码元28.8(ks / s)14.47.23.6卷积编码器加编码器尾比特帧质量指示器8.64.02.00.8(kb / s)9.2(kb / s)4.42.00.8反向业务信道信息比特(每帧172，80，40或16比特)基带滤波器基带滤波器cos ctsin ctQ 信 道 序列1.2288 Mc / sIQI 信 道 序列1.2288 Mc / sI (t)Q (t)S(t)D延时 406.9 nsPN子 码12长码产生器1.2288 Mc / s掩码PN子 码4.8 ks / s (307.2 kc / s)正交调制器调制码元(沃尔什子码)(64进制)码元28.8ks /

26、s分组交织器码元28.8ks / s码元重复码元14.4ks / s卷积编码器K94.8kb / s加编码器尾比特4.4kb / s接入信道信息比特(每帧88比特)13rK913r第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.4 码分多址技术的容量分析码分多址技术的容量分析 在CDMA系统中, 每个信道的信号可以看作是普通的扩频调制信号, 因此其载干比可以表示为bbbbRWIEWIERIC/00(7 - 1) 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.4.1 单区制的系统容量 对于单区制的CDMA系统, 可以看出, 在整个效力区内, 任一用户在接纳有用信号时, 基站发给一切其他用户的信号都

27、要对这个用户构成干扰。 在这种假设条件下, 假设n个用户共用一个无线频道, 那么每一用户的信号都遭到其他n-1个用户信号的干扰。 其载干比可表示为11nIC(7 - 2) 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 由式(7 - 1)和式(7 - 2)可得 0/1IERWnbb(7 - 3) 通常 n1, 故C/I1/n, 即0/IERWnbb(7 - 4) 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.4.2 蜂窝系统的通讯容量 1. 正向传输 由于正向传输是不进展功率控制的, 因此, 当用户越接近小区的边缘, 临近小区的干扰就越强, 而有用信号的强度却趋向于最低。 可见, 对用户最不利的接纳

28、位置是处于三个小区交界的地方, 参见图7 - 15。 以下将针对这种最不利的条件进展分析。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 15 蜂窝CDMA系统中用户接受干扰的情况 本小区0 x第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2. 反向传输 设各小区中的用户均能自动调整其发射功率, 使任一用户无论处于小区内的任何位置上, 其信号功率在到达基站时, 都能坚持在某一额定值, 即载干比的门限值。 由于基站的位置是固定不变的, 各用户在其小区内是随机分布的(可以看成是均匀分布的), 因此基站附近的背景干扰不会由于某一用户的位置变化而发生明显的变化。 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多

29、址技术 因此, 反向功率控制应该按照传播损耗的规律来确定, 即任一用户的发射功率Pi与间隔ri的关系应该是4iirP (7 - 12) 假设用户在小区的边境处的发射功率为Pm, 那么在ri处的发射功率为4rrPPimi(7 - 13) 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7 - 16 蜂窝CDMA系统中基站接受干扰的情况 y第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 3. 进一步提高系统容量的措施 对于CDMA系统, 除了经过良好的功率控制提高系统容量以外, 还可以经过以下技术手段进一步提高其系统容量。 1) 话音激活技术的运用 我们知道, 人类对话具有不延续的特性, 对话的激活期与整个通话总时间的比值(占空比d)通常只需35%左右。 当许多用户共享一个无线频道时, 假设利用话音激活技术, 使通讯中的用户有话音时才发射信号, 没有话音时就停顿发射信号,