多址接入技术

第四章

多址接入技术在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道与用户带来的两重动态特性。多址接入技术重点解决用户动态性及其带来的一系列问题。移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信是静态的，而移动通信是动态的。为了满足多个移动用户同时进行通信，必须解决以下两个问题，首先是动态寻址，其次是对多个地址的动态划分与识别。这就是所谓多址技术。2多址技术的根本概念移动用户要建立通信，首先要实现动态寻址，即在效劳范围内利用开放式的射频电磁波寻找用户地址。同时为了满足多个移动用户同时实现寻址，多个地址之间还必须满足相互正交特性，以防止产生地址间相互干扰。3多址划分从原理上看与固定通信中的信号多路复用〔Multiplexing〕是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计技术。区别在于多址接入是在空中接口实现的，而复用是在各种处理器中实现的。多址接入与多路复用的关系4信号的正交特性具体是通过信号的正交参量,i=1,2,…n来实现的。即1)在发送端，设计一组相互正交信号如下

其中为第i个用户的信号，为第i个用户的正交参量。而且正交参量应满足：

根本原理5根本原理在接收端，设计一个正交信号识别器，如下所示：正交信号识别器原理图6典型例子FDMA:当时，称为频分多址FDMA，其原理图如下：理论上划分：实际上的划分：在移动通信中最典型的频分多址方式有：北美：800MHz的AMPS体制；欧洲与我国：900MHz的TACS体制。7典型例子TDMA:当时，称为时分多址TDMA,其原理图如下：从理论上划分：实际上划分：

在移动通信中最典型的时分多址方式有：北美：D-AMPS；欧洲与我国：GSM-900、DCS-1800；日本：PDC。8CDMA：当时,称为码分多址CDMA，它有两种主要形式：直扩码分DS-CDMA：多用于民用系统，其原理图如下：

直扩码分原理图CDMA与FDMA、TDMA划分形式不一样。CDMA中所有用户占有同一时隙、同一频段，区分用户的特征是用户地址码的相关特性。FDMA、TDMA的地址划分是基于简单的非此即彼、非共享型，即两个以上用户不可能同时占有同一频段(或时隙)，CDMA的地址划分是基于特征，是相容的，即两个以上用户可以同时占有同一频段、同一时隙，是共享型的，其条件是只要它们具有可别离的各自特征(码的相关特性)即可。典型例子9跳频：在不同的时隙按照某种伪随机规律选取某个频段，它实际上是一种时、频编码，比DS-CDMA要复杂，主要用于军事通信。其原理图如下：跳频扩频多址原理示意图10它将整个占用的时域划分为假设干个子时隙，将整个占用的频段也划分为假设干个子频段，其中。每个用户可以在不同时隙占用不同的频段，其规律可按照某种伪随机数表格或某个伪随机序列的规律进行，实现伪随机跳动。11SDMA:当时,称它为空分多址SDMA，其原理图如下：

空分地址的实现是利用无线的方向性波束，将效劳区(小区内)划分为不同的子空间进行空间正交隔离。移动通信中的扇区天线可以看作是SDMA的一种根本实现方式。智能天线是移动通信中的一项新的关键技术，是典型的空分方式。多天线技术中的预编码等技术也能实现空分多址。12OFDMA将OFDM的正交子载波分配给不同的用户，就成了OFDMA：多址接入方式。所有子载波间都是正交的，所以用户间也是正交、可区分的。多种不同的方式：localized：连续的多个子载波分配给一个用户Distributed：均匀隔开的一组子载波分配给一个用户普通方式：随意分配一组子载波给一个用户。13ALOHA多址接入除了上述基于物理层的时分、频分、码分与空分多址接入方式以外，还有一种基于网络层的网络协议的分组无线电(PR)ALOHA随机多址接入协议方式。ALOHA多址接入不同于前面介绍的时分、频分与码分的多址接入方式，它实际上是一种自由竞争式的随机接入方式，是以网络协议的形式来实现的。ALOHA原本是夏威夷俚语，用于对人到达或离开时致意的问候语。1968年夏威夷大学将解决夏威夷群岛之间数据通信的一项研究方案命名为ALOHA。14ALOHA的实现方式一个用户的数据包被另一个用户的数据包干扰没有正确接收，那么以一定算法确定重发时间。纯ALOHA：数据包可以在任意时刻发送，只要没有正确接收就延迟一定的时间重发。时隙ALOHA：必须从一定的时刻开始发送数据包，一般数据包长恒定。在移动通信的随机接入信道有应用。15CSMA载波侦听多址接入用户发送数据包之前先侦听有没有用户在使用信道，如果有用户使用那么不发送。常见实现方式：CSMA/CD在802.11系列中采用16扩频通信的根本概念码分多址是通过扩频通信来实现的。扩频通信确切地说应称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上已称它为扩频。扩频通信属于宽带通信系统，它与传统的窄带通信系统不同，其主要特征是扩频前信源提供的消息码元带宽(或速率)远远小于扩频后进入信道的扩频序列(chip)信号带宽(或速率)。17直扩式码分多址DS-CDMA扩频技术可以划分为直扩式和非直扩式两类，直扩式实现较简单，民用移动通信中多采用这类方式，非直扩方式中常采用的有跳频、跳时、时－频编码等方式，尤其是跳频在军事通信中经常采用。主要关心直扩。18直扩式码分多址DS-CDMADS-CDMA系统实现框图如下所示。发送端：19直扩式码分多址DS-CDMA接收端：DS-CDMA发、收端实现框图可见，与传统的通信系统相比较，发送端多了扩频调制局部，收端那么多了相应的扩频解调局部。20直扩式码分多址DS-CDMA扩频后的性能分析：有效性性能：扩频后频带扩展七倍，直接有效性下降七倍，但是假设不考虑实际多径影响，七位扩频码每错开一位可供一个新用户，共可供七个用户用，这正好抵消了扩展频带的七倍下降位。但是实际上必须要考虑多径影响，这时有效性性能将会产生下降。可靠性性能：根据伪码自相关特性，当码位对齐时可以将7位伪码(chip)信号能量累加起来增加7倍，码位不对齐时均下降至-1。假设采用自相关接收，其接收门限可定在3.5V上(假设信号电平均归一化为1伏)，然而，假设不扩频，接收信号的门限值只能定在0.5伏上，两者相比，扩频后抗干扰增加7倍。实际上在扩频系统中抗干扰的改善是与扩频成正比的。21直扩系统的主要技术指标处理增益，表示扩频系统通过扩频与解扩以后信噪比的改善程度。它另有两个等效定义：表示发送端信息码元(速率)扩展的倍数或表示发送端信号带宽扩展的倍数干扰容限，表示在正常工作的条件下，接收机输入端所允许的干扰最大强度值(用分贝表示)。22扩频通信的优缺点扩频通信的主要优点包括：1、抗干扰性强2、低功率谱密度3、保密性能好4、潜在地址多，容量大23扩频通信的优缺点扩频通信的主要缺点包括：1、占用信号频带宽，扩频的后码序列(chip)带宽远远大于扩频前的信源信息码元带宽，这对于频率资源极其珍贵的无线通信是一个主要弱点。2、系统实现复杂，它与不扩频相比系统实现显然要复杂得多。3、在衰落时变信道中实现同步、实现信道估值都比较困难，比较复杂。4、目前在寻求性能好、数量多的扩频码分多址方面仍存在不少问题。5、远近效应问题24CDMA系统实现用户信号分割的关键码的相关性25CDMA系统中地址码分类与设计要求在CDMA中地址码主要可以划分为三类：1、用户地址码，用于区分不同移动用户。2、信道地址码，用于区分每个小区(或扇区)内的不同信道，它又可分为：单业务、单速率信道地址码，主要用于第二代移动通信IS-95；多业务、多速率的信道地址码，主要用于第三代移动通信WCDMA与CDMA2000。主要设计要求3、基站地址码，在移动蜂窝网中用于区分不同的基站小区(或扇区)。26信道地址码由于不同信道同时传输，所以主要要求的是码的同步互相关特性。工程中往往需要寻找一类有限元素的正交函数系，数学上符合条件的有很多函数，比方离散付氏级数、离散余弦函数、Hadamard函数、Walsh函数