移动通信多址接入技术

5.2(MultipleAccessTechnique)多址接入技术，是解决在无线通信网中，使许多移动用户同时共享有限频谱的技术。频分多址时分多址码分多址FDMATDMACDMA三种主要接入方式:信道1信道2信道N信道1信道2信道N时间频率频率间隔…...在频分多址(FDMA)系统中不同信道占用不同带宽代码FDMA示意图在时分多址中不同信道占用一个周期性重复的时隙频率TDMA示意图在码分多址(CDMA)中,指定给每个用户一个唯一的PN代码，而且与其他用户代码正交CDMA示意图•FDMA是将给定的频谱资源划分为不同频道分配给每一个用户使用；•TDMA将无线频谱按时隙划分，分配给不同用户；•以信号波形（代码序列）不同区分不同用户称作CDMA连接。通常是将双工技术（FDD和TDD）与特定的FDMA，TDMA和CDMA多址方式共同使用。反向信道前向信道频率时间反向信道前向信道频率分隔时间分隔(a)FDD在同一时间提供两个单工信道(b)TDD在同一频率提供两个单工时隙例如，FDMA/FDD系统TDMA/FDD系统分配给用户一对频道:而在TDMA/TDD系统中，分配给用户一个信道，在帧信息中，时隙的一半用于前向链路，另一半用于反向链路，收发使用相同的频率。如P131图5-2所示。前向信道和后向信道图5–2TDMA示意图P131图5-2TDMA示意图除了FDMA，TDMA和CDMA，还有两种多址模式：空分多址（SDMA）分组无线电（PR）空分多址：是通过空间的分割来区分不同用户。采用阵列天线在不同用户方向上形成不同的波束来实现。图5–6空分多址示意图1空分多址示意图2分组无线电（PacketRadio）：分组无线电（PR）接入技术，使许多用户用一种分散的的方式接入信道。基站一旦检测出由于多个发射机同时发射而产生碰撞，就会发射：ACK(确认)或NACK（否定确认）正在发射的移动用户监听确认反馈来判定发射是否成功，如果发生碰撞，稍后再重发。分组无线多址容易实现，用户使用竞争技术在一共用信道上发射。其优点是服务大量用户数时，开销很少，缺点是效率较低并且可能导致延迟。本章主要介绍前面三种多址接入技术。下表列出各种无线通信系统中正在使用的不同的多址接入技术：CDMA/FDD美国窄带扩频（IS-95)FDMA/TDD欧洲数字无绳电话（DECT)）FDMA/TDDCT2（无绳电话）TDMA/FDD日本数字蜂窝(JDC)TDMA/FDD美国数字蜂窝(USDC)TDMA/FDD全球移动电话系统(GSM)FDMA/FDD高级移动电话系统(AMPS)多址技术移动电话系统无线电信号可以表示为：即要求各信号特征彼此独立(或者正交),也即任意两个信号之间互相关函数为0(或接近于0）。S（c,f,t）是码型，频率和时间的函数。多址技术是利用信号参量的正交性来区分无线电信号的。1.FDMA：（物理意义：频域里频道相互不重叠）2.TDMA:jiji,0,1dttfstfsji),(),(iTfdtfstfsjFii),(),(jiji,0,1Tjidttctc)()(jiji,0,1（时域里时隙相互不重叠）3.CDMA:（码型轴上码型Ci相互不重叠）FDMA系统按不同频道区分用户。收发双方各使用一个信道，收发频率间隔必须大于一定数值。通常采用频分双工（FDD）实现双工通信。5.2.1频分多址（FDMA）：f1f2f3fnF1F2FnB保护FDMA频道划分FDMA/FDD系统工作示意图F1f1F2f2F3f3FDMA特点：•FDMA每个频道只传送一路电话；•连续传输,一旦给移动台分配了频道，移动台和基站同时连续不断发射；•信道带宽较窄（30kHz），即FDMA通常使用窄带系统；•传输速率低。码元持续时间较长,与平均延迟扩展相比很大,这意味着码间干扰低，不需要均衡；•与TDMA相比,FDMA系统简单的多，（例如不需要同步和组帧比特）；•基站共用设备成本高，因为每路载波单路设计，例如100个频道，需要100套收发设备以及带通滤波器滤除杂波干扰;•移动台需要双工器，增加了费用；•需要精确的RF滤波器消除邻频干扰。如何实现信道共用是FDMA系统设计应考虑的。假如一个基站有n个信道,信道复用后，有可能发生所有信道均被占用，而新的呼叫不能接通的情况，发生这种情况的概率有多大？指允许大量用户在一个小区内共享有限的信道，即从可用信道中按需给用户分配信道。1）中继的概念：中继理论的基本原理是19世纪末丹麦数学家爱尔兰（Erlang）提出来的，他致力于研究怎样由有限的能力为大量的用户服务。现在以他的名字作为话务量强度单位。一个爱尔兰（Erlang）表示一个完全被占用的信道的话务量强度，即：单位小时的呼叫小时（呼叫小时/小时）0.5Erlang(1Erlang)或单位分钟的呼叫分钟（呼叫分钟/分钟）例如：一个在一小时内被占用了30分钟（60分钟）的信道的话务量为：2)话务量A：ASc.有n个信道的系统,每个信道平均产生的话务量：/nAUAnb.有U个用户的系统产生的总话务量：a.每个用户的话务量强度等于呼叫请求速率乘以保持时间：AuUA例5.1：某系统有50个用户，每个用户平均每小时发出2次呼叫，每次呼叫平均保持3分钟，则每个用户的话务量：320.160ASErland它表示系统中平均每个用户每小时占用信道的时间为0.1小时。系统总话务量：500.15AuUAErland表示50个用户在系统中产生的话务量为5爱尔兰。3）.设在观察时间T小时内，全网共完成C1次通话，则每小时完成的呼叫次数为TC10SCTSA1001完成话务量即为C1S为观察时间T小时内的实际通话时间。若总的信道数为n，而在观察时间T内有i(i＜n)个信道同时被占用的时间为ti(ti＜T)，那么可以算出实际通话时间为(5-7)SCtnttttinnii13211321niiniiTtitiTSCTA111011niiPiA10当观察时间T足够长，ti/T就表示在总的n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，可用Pi表示，式(5-7)就可改写为例如，某通信网共有8个信道，从上午8时至10时共两个小时的观察时间内，统计出i个信道同时被占用的时间(小时数)如表5-1所示。表5-1利用(5-7)式，有5.3)1.081.071.062.054.045.033.022.01(210A(爱尔兰)I012345678ti0.10.20.30.40.20.10.10.10.1这说明在总共8个信道中，在2小时的观察时间内平均有3.5个信道同时被占用。每信道每小时的平均被占用时间为3.5/8=0.4375小时。因为一个信道的最大可容纳的话务量是1爱尔兰，因此它的平均信道利用率就是43.75%。其中为完成话务量。式中看出：呼损率B，呼叫成功率，用户越满意。4）呼损率B：损失话务量占流入话务量的比率：AAAB00AB也称作服务等级GOS（GradeofService).但若B，系统流入话务量A，系统容量（用户数）U。呼损率的计算：对于有N个信道的共用系统,爱尔兰呼损公式为:niiniAnAB0!/!/（5-9）(5-9)式工程上非常实用,公式推导虽然复杂,但ErlangB公式以下图的形式给出。(系统话务量A标在底部,呼损率B为纵坐标,由A和B很容易求出第三个参数.)①在给定呼损率B情况下,用式(5-9)可算出n个信道的流入话务量A.②在给定流入话务量A情况下,由式(5-9)可算出为达到服务等级B，小区应取的共用信道数n.nBAnA)1(0呼损率不同情况下，信道的利用率也是不同的。信道利用率η可用每小时每信道的完成话务量来计算，即表5–2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系表5–2呼损率和话务量与信道数及信道利用率的关系（续）5）.用户忙时的话务量与用户数每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量来进行计算。最忙1小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数，用k表示，一般k=10%~15%。每个用户的忙时话务量需用统计的办法确定。设通信网中每一用户每天平均呼叫次数为C(次/天)，每次呼叫的平均占用信道时间为T(秒/次)，集中系数为k，则每用户的忙时话务量为60031kTCa例如，C=3(次/天)，T=120(秒/次)，k=10%，则用上式可算得a=0.01(爱尔兰/用户)。国外资料表明，公用移动通信网可按a=0.01设计，专业移动通信网可按a=0.05设计。由于电话使用的习惯不同，国内的用户忙时话务量一般会超过上述数据不少，建议公用移动通信网按a=0.02~0.03设计，专业移动通信网按a=0.08设计。kTCnAanAm6003/全网的用户数为m·n。表5–3用户数的计算以a=0.01(爱尔兰/用户)计算出每信道的用户数如表5-3所示(在a值不同时，则需另行计算)。例5.2有200万人口的市区，三个相互竞争的系统A，B，C提供蜂窝服务。系统A中有19个信道的小区394个；系统B中有57个信道的小区98；系统C中有100个信道的小区49个.阻塞概率为2%.每个用户每小时平均打2个电话,每个电话平均通话时间为3分钟.求:系统所能支持的用户数。假设所有三个系统都以最大容量工作,计算每个系统的市场占有百分比。解系统A，已知：阻塞概率：2%＝0.02系统中每个小区所用的信道数，C=19每个用户的话务量强度对于GOS=0.02，C=19，从图可得所承载的总话务量为12Erlang.因此，每个小区所能支持的用户数为：因为共有394个小区，系统A所能支持目120x394＝47280个。2(3/60)0.1AS/12/0.1120uUAA系统B，已知：阻塞概率：2%＝0.02系统中每个小区所用的信道数，C=57每个用户的话务量强度对于GOS=0.02，C=57，从图可得所承载的总话务量为45Erlang.因此，每个小区所能支持的用户数为：因为共有98个小区，系统B所能支持目450x98＝44100个。2(3/60)0.1AS/45/0.1450uUAA系统C，已知：阻塞概率：2%＝0.02系统中每个小区所用的信道数，C=100每个用户的话务量强度对于GOS=0.02，C=100，从图可得所承载的总话务量为88Erlang.因此，每个小区所能支持的用户数为：因为共有49个小区，系统C所能支持目880x49＝44100个。2(3/60)0.1AS/88/0.1880uUAA因此，这三个系统所能支持的蜂窝用户总数为47280+44100+43120=134500个。因为在这市区内共有200万住户，系统A的蜂窝用户总数为47280个，市场百分比为：47280／2000000＝2.36％类似的，系统B的市场百分比为：44100／2000000：2．205％系统C的市场百分比为：43120／200000D＝2．156％这三个系统综合的市场百分比为：134500／2000000=6．725％例5.3某个城市面积为1300平方公里,由一个使用7小区复用模式的蜂窝系统覆盖。每个小区的半径为4公里,该城市共有40MHz的频谱,使用带宽为60kHz的双向信道。假设系统的GOS(呼损率B)为2%.如每个用户提供的话务量为0.03Erlang,计算:(a)服务区域内的小区数Nc;(b)每个小区的信道数n;(c)每个小区的话务量强度Ac;(d)所承载的最大话务量AM;(e)所能服务的用户总数U;(f)每个信道的移动台数M;(g)理论上系统能服务的最大用户数UM.解：已知：城市面积1300平方公里，7小区模式，小区半径R=4公里，总带宽40MHz,每个用户产生的话务量Au=0.03Erlang.(a)已知：一个小区(六边形)的面积为2.5981R2’，因此每个小区覆盖215981x42=41