移动通信-ch5-多址接入-final

1、第第5 5章章 组网技术组网技术5.2 5.2 多址技术多址技术u 多址技术的分类 频分多址(FDMA) Frequency Division Multiple Access 时分多址(TDMA) Time 码分多址(CDMA) Code 空分多址（SDMA）Space .多波束频率复用。它通过标记不同方位的相同频率的天线波束来进行频率的复用。 随机多址(CSMA/CD)Carrier Sense MA/Collision Dection第第5 5章章 组网技术组网技术 常用的多址方式： 1、频分多址（FDMA） 2、时分多址（TDMA） 3、码分多址（CDMA） PowerFrequency

2、TimeFDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMAFrequencyCDMAPowerTime第第5 5章章 组网技术组网技术5.2 5.2 多址技术多址技术 频分多址频分多址(FDMA)(FDMA)u定义：频分多址是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道(或称信道)供不同的用户使用。思考任意两个MS以FDMA/FDD方式进行通信时至少需要几个频道？第第5 5章章 组网技术组网技术例：GSM900890915935960上行上行fi下行下行Fi1、中国移动中国移动GSMGSM占用的频段：占用的频段：890-908 890-908 （上行）（上行） 935-953 935-

3、953 （下行）（下行） 中国联通中国联通GSMGSM占用的频段：占用的频段：909-915 909-915 （上行）（上行） 954-960 954-960 （下行）（下行）频道间隔为：频道间隔为：200KHz200KHz收发间隔为：收发间隔为：45MHz45MHzf1fnF1Fn上行：上行：下行：下行：第第5 5章章 组网技术组网技术图图51 FDMA51 FDMA的频道划分方法的频道划分方法 信道2信道1 信道N信道1 信道N收发间隔 信道带宽功率时间移动台收（基站发）移动台发（基站收）F1Fnf1.fn移动台发（基站收）移动台收（基站发）第第5 5章章 组网技术组网技术5.2 多址技术

4、多址技术 时分多址时分多址TDMAu应用：数字移动通信系统（北美的DAMPS和欧洲的GSM）.u信道划分：例如：DAMPS-先使用30KHz的频分信道，再将其分为6个时隙进行TDMA传输。GSM是将每个频道划分为8个时隙。u双工方式： FDD:上下行链路采用不同的频率，且上下行链路的帧结构可同可不同。 TDD:将某一频率上的一帧中一半的时隙用于MS发，另一半的时隙用于MS收。第第5 5章章 组网技术组网技术图图 5 2 TDMA示意图示意图 第第5 5章章 组网技术组网技术u 注意：不同通信系统的帧长度和帧结构是不一样的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。 u例如：GSM系统的帧长为4.6ms

5、(每帧8个时隙)，DECT系统的帧长为10ms(每帧24个时隙)，PACS系统的帧长为2.5ms(每帧8个时隙)。u在TDMA系统中，每帧中的时隙结构(突发结构)的设计通常要考虑三个主要问题：控制和信令信息的传输； 信道多径的影响；系统的同步。 5.2 多址技术多址技术 时分多址时分多址TDMA第第5 5章章 组网技术组网技术BSMS1MS2MS3t1t2t5t帧帧1帧帧2f2t1 t2t5t1t2t5t1 t2t5f2f2f2上行（同一小区）第第5 5章章 组网技术组网技术思考一下：1. 用户通话时是否会感到断续？2. 同一小区的两个用户通话，需要多少个频点？第第5 5章章 组网技术组网技术

6、时分多址的特点：基站可只用一部发射机，避免互调干扰容易进行时隙的动态分配必须有精确的同步和定时第第5 5章章 组网技术组网技术u CDMA系统工作原理u 扩频通信u 扩频通信的几种方法u 地址码技术5.2 5.2 多址技术多址技术 码分多址码分多址CDMACDMA第第5 5章章 组网技术组网技术码分多址（码分多址（Code Division Multiple Access- CDMA):码形划分，时隙、频率共享码形划分，时隙、频率共享 第第5 5章章 组网技术组网技术CDMA系统工作原理 MSC MS1 MS2 MS3 C1 C1 C2 C2 C3 C3 BS 第第5 5章章 组网技术组网技术

7、扩频通信扩频通信 扩频解调 信息解调 D1 PN码发生器 同步电路 扩频调制 信息调制 信息 PN码发生器 B1 B2 B2+N B1 D1 N：噪音 第第5 5章章 组网技术组网技术发送端以正交函数为扩频码进行扩频发送端以正交函数为扩频码进行扩频100110110011001100110011010010110011010011001用户输入信息用户输入信息正交扩频序列正交扩频序列（正交函数）（正交函数）扩频后的发送数据扩频后的发送数据+1-1+1-1u在发送端用一个码（扩频码）来调制信号，即用扩频码去和信号相乘（用信号和扩频码的每一位进行相乘），这实际上提高了输出信号的速率，在时域信号速率

8、的提高意味着频域信号带宽的展宽，这就是该传输方式被称为扩谱通信的原因。第第5 5章章 组网技术组网技术在接收端的信号恢复在接收端的信号恢复10011+1-1接收数据接收数据100101100110100110010110011001100110011011110000000011111111相关扩频序列相关扩频序列?接收数据接收数据100101100110100110010101010101010101010111000011001111001100不相关扩频序列不相关扩频序列u在解调端，信号和相同的扩频码相乘，发送端的原始信号中的每一位在这里都变成了N位（N为扩频码的长度）。第第5 5章章

9、组网技术组网技术扩展频谱通信的定义扩展频谱通信的定义：扩频通信技术是一种信息传输方式，用来传输信息的信号带宽远传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽远大于信息本身的带宽；频带的扩展由独立于信息的扩频码来实现，并与所传输的信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码相同的扩频码进行相关解调，实现解扩和恢复所传的信息数据。该项技术称为扩频调制，而传输扩频信号的系统为扩频系统。第第5 5章章 组网技术组网技术只有调制带宽比值大于调制带宽比值大于100甚至甚至1000的通信方式才称的通信方式才称为扩频通信为扩频通信。扩频通信占用如此宽的频带传输信号是为了使信号具为了使信号具有强抗干扰能力。有强抗干扰能力。

10、第第5 5章章 组网技术组网技术扩展频谱通信的理论基础是香农（Shannon）定理:在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的信道容量（bit/s）B:信号带宽（Hz）S:信道输出信号平均功率（W）N:加性高斯噪声功率（W）)1 (log2NSBC第第5 5章章 组网技术组网技术上式表明：当信号与信道加性高斯噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度B的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要信源的信息传输速率Ri小于等于信道容量，即Ri C，则总可以找到一种编码方式实现信号的无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现信号的无差错传输。第第5 5章章 组网技术组网技术若信道中噪声的

11、单边功率谱密度为N0，则在信号带宽B内的噪声功率NN0B，则香农定理的另一表达形式为20log (1)SCBN B信号带宽B、信号噪声功率比S/N的互换1212220102log (1)log (1)SSBBN BN B第第5 5章章 组网技术组网技术例1 某一系统的信号带宽B4KHz，信噪比为15，求该系统保证信息无差错通过信道的极限速率为多少？在该值不变的条件下，若信号带宽分别增加1倍和减小一半，求该信号发射功率的相对变化值分别为多少？第第5 5章章 组网技术组网技术当B较小时，增加B可使系统要求的信噪比迅速下降；而当B增加到一定程度时，SN下降比较缓慢。增加SN，也可减小B值，但信号功率

12、的增加远比带宽下降速度快，由于B与C是成正比关系，而C与S/N是成对数关系，因此增加B比增加SN（或发射功率S）更加有效。048121620242832-2024681012S/N (dB)B(KHz) C=16Kb/s,S0/N0=15 C=8Kb/s,S0/N0=15 C=32Kb/s,S0/N0=15n 信噪比与带宽的互换关系信噪比与带宽的互换关系第第5 5章章 组网技术组网技术目前，最基本的展宽频谱的方法有三种 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）简称直接扩频或直扩（DS）； 跳变频率扩频（Frequency Hopping），简称跳频（FH）

13、； 跳变时间扩频（Time Hopping），简称跳时（TH）； 上述基本调制方法可以进行组合，形成各种混合系统，如跳频上述基本调制方法可以进行组合，形成各种混合系统，如跳频/ /直扩直扩系统，跳时系统，跳时/ /直扩系统等。直扩系统等。目前，扩展频谱的带宽常在目前，扩展频谱的带宽常在1MHz-100MHz1MHz-100MHz的范围，因此，系统的抗干的范围，因此，系统的抗干扰性能非常好。扰性能非常好。第第5 5章章 组网技术组网技术直接序列调制系统亦称直接扩频系统，或称伪噪声系统，记作DS系统。原理框图如下：窄带信号窄带信号扩频信号If扩频伪码振荡调制伪码本振解扩混频第第5 5章章 组网技术

14、组网技术( )ntn假定同步单径假定同步单径BPSKBPSK信道中有信道中有K K个用户，并假定所有的个用户，并假定所有的载波相位为载波相位为0 0，则接收的信号等效基带表示为：，则接收的信号等效基带表示为：1( )( )( )( )Kkkkks tP b t c tn t其中：其中： 1,1kb 为第为第K K个用户信息比特值个用户信息比特值表示加性高斯白噪声，其双边功率谱密度为表示加性高斯白噪声，其双边功率谱密度为kP为发送功率为发送功率( )ks t为第为第k k个用户归一化扩频信号，个用户归一化扩频信号， 20( )1bTkst dt 02N单位为单位为W/HzW/Hz第第5 5章章

15、组网技术组网技术其中 为相关系数:ki,n对于某一特定比特，相关器（解扩）的输出为：对于某一特定比特，相关器（解扩）的输出为：0,011( )( )1( )( )bbTkkbKTkki kiikibi kkkkkys t c t dtTP bPbn t c t dtTP bMAIz,01( )( )bTi kikbc t c t dtTn上式表明：与第上式表明：与第k k个用户本身的自相关给出了希望接收的数个用户本身的自相关给出了希望接收的数据项，与其它用户的互相关产生出多址干扰项据项，与其它用户的互相关产生出多址干扰项MAIMAI，与热噪声，与热噪声的相关产生了噪声的相关产生了噪声Z ZK

16、K项。项。 当相关系数为零时，多址干扰为零。当相关系数为零时，多址干扰为零。即本小区其它用户对被检测用户不产生干扰。即本小区其它用户对被检测用户不产生干扰。 第第5 5章章 组网技术组网技术fcf(a) 在接收机输入端的扩展频谱频谱密度BWf(b) 接收机解扩输出端的频谱频谱密度BW 有用信号谱 干扰信号谱LBW射频带宽Bs信息带宽BSn在发送端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽，如图在发送端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽，如图 (a) (a)所示；所示；n在接收端，利用伪码的相关性作解扩处理后，有用信号频谱被恢复成窄带在接收端，利用伪码的相关性作解扩处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱，如

17、图谱，如图 (b) (b)所示。所示。n宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号则被本地伪码扩展为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号信号则被本地伪码扩展为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，则可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，这样，窄带内的为窄带谱，则可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，这样，窄带内的信噪比就大大提高了。信噪比就大大提高了。提高了扩频系统的抗干扰能力。提高了扩频系统的抗干扰能力。第第5 5章章 组网技术组网技术(1.228 Mc/s)扩频增益扩频增益

18、Gp=RchipRbitP4P5P1ffP3窄带干扰宽带干扰调制解调LPDET(9.6 kb/s)54321P2扩频解扩第第5 5章章 组网技术组网技术直扩系统的抗干扰能力直扩系统的抗干扰能力fS（f）f0解扩频前的信号频谱fS（f）f0扩频前的信号频谱信号信号干扰噪声fS（f）f0扩频后的信号频谱信号fS（f）f0解扩频后的信号频谱信号干扰噪声信号脉冲干扰白噪声在时域信号速率的提高，意味着频域信号带宽的展宽纵坐标位为能量密度第第5 5章章 组网技术组网技术1. 扩频处理增益扩频处理增益在一个信息处理系统中，系统的输入信噪比、输出信噪比分别为在一个信息处理系统中，系统的输入信噪比、输出信噪比分

19、别为(SN)in，和和(SN)out，由系统的扩频处理增益由系统的扩频处理增益Gp表示了信噪比表示了信噪比的改善程度，即的改善程度，即)()lg(10)lg(10)()/()/(dBNSNSdBGNSNSGinoutPinoutP或由于高斯白噪声的功率谱近似均匀分布，因此也常用扩频前后由于高斯白噪声的功率谱近似均匀分布，因此也常用扩频前后带宽的比值来近似估算系统的扩频处理增益。带宽的比值来近似估算系统的扩频处理增益。第第5 5章章 组网技术组网技术由频谱扩展对抗干扰性带来的好处，称为扩频增益GP ，可表示为 WPSBGBn式中，式中，B BW W为发射扩频信号的带宽；为发射扩频信号的带宽；B

20、BS S为信码的速率。其为信码的速率。其中中B BW W与所采用的伪码（伪随机序列或伪噪声序列的简称）与所采用的伪码（伪随机序列或伪噪声序列的简称）速率有关。为获得高的扩频增益，通常希望增加射频带宽速率有关。为获得高的扩频增益，通常希望增加射频带宽B BW W，即提高伪码的速率。，即提高伪码的速率。 第第5 5章章 组网技术组网技术例2 有一个扩展频谱通信系统，信号扩频后带宽为20MHz，原始基带信号带宽为20KHz，则系统的扩频处理增益为GP? 第第5 5章章 组网技术组网技术直扩系统的优点在于它可以在很低的甚至负信噪比环境中使系统正常工作。例3 数据带宽为9.6kHz，扩展带宽为1.228

21、8MHz，则扩频增益GP=21.7dB。要求进入基带解调器的最小输出信噪比 (SN)out =6.7dB，则系统的输入信噪比(SN)in(SN)out -Gp-15 (dB)第第5 5章章 组网技术组网技术跳频扩频系统就是用伪随机码序列构成跳频指令来控控制频率合成器，在多个频率中进行选择的频移键控制频率合成器，在多个频率中进行选择的频移键控。与直扩系统相比，跳频系统中的伪随机序列并不是直接传输，而是用来选择信道用来选择信道。跳频系统的原理方框图：信码If调制器伪码频率合成器混频器本地伪码频率合成器解调器混频器信码第第5 5章章 组网技术组网技术伪码随机置定频率合成器时，发射机的振荡频率在很宽的

22、频率范围内不断地改变，从而使射频载波亦在一个很宽的范围内变化，于是形成了一个宽带离散谱，如图所示。 NbbffN信道数b信道间隔时使用的信道频率时刻f第第5 5章章 组网技术组网技术n图图(a)(a)所示为跳频扩频系统输出频率在信道间随机跳变所示为跳频扩频系统输出频率在信道间随机跳变的示意图。的示意图。n多频率的跳频信号是由时间频率矩阵图多频率的跳频信号是由时间频率矩阵图( (也称为跳频图也称为跳频图案案) )组成的，每个频率的持续时间为组成的，每个频率的持续时间为T T，并按照跳频指令，并按照跳频指令的规定在时频矩阵内跳变，如图的规定在时频矩阵内跳变，如图(b)(b)所示。所示。 第第5 5

23、章章 组网技术组网技术l 接收端必须以同样的伪码置定本地频率合成器，使其与发端的频率作相同的改变，即收发跳频必须同步，这样，才能保证通信的建立。解决同步及定时是实现跳频系统的一个关键问题。l 跳频系统的抗干扰性能用其跳频处理增益表示，跳频系统处理增益的定义与直扩系统的扩频增益是相同的，即 l 更直观地表述为 WPSBGBPGN（可供选用的频率数目）第第5 5章章 组网技术组网技术n 跳时是用伪随机码去控制信号的发送时刻及发送时间的长跳时是用伪随机码去控制信号的发送时刻及发送时间的长短。它和跳频的差别在于一个是控制发送时间，一个是控短。它和跳频的差别在于一个是控制发送时间，一个是控制发送频率。制

24、发送频率。n在跳时系统中，时间轴被分成若干个时隙，由伪码控制在在跳时系统中，时间轴被分成若干个时隙，由伪码控制在哪个时隙发送信码。在信码很短的传输时间内，以较高的哪个时隙发送信码。在信码很短的传输时间内，以较高的峰值功率传送，而其它时间不发射。由于采用了窄得多的峰值功率传送，而其它时间不发射。由于采用了窄得多的时隙去发送信号，因此信号的频谱被展宽了。时隙去发送信号，因此信号的频谱被展宽了。 第第5 5章章 组网技术组网技术第第5 5章章 组网技术组网技术抗干扰能力强信号隐蔽性好可以实现码分多址抗衰落和多径干扰能力强能与传统通信系统共用频段第第5 5章章 组网技术组网技术二、地址码技术二、地址码技术地址码的选择直接影响地址码的选择直接影响CDMA系统的容量、抗干扰能力、系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等，所选地址码应能提供足够数量的相关接入和切换速度等，所选地址码应能提供足够数量的相