无线通信基础_教学课件_6

第五章多址接入技术主讲人：张炜电子科学与工程学院军事通信工程系第五章多址接入技术第2页共40页5.1引言5.2FDMA5.3TDMA5.4CDMA5.5频谱效率第五章多址接入技术第3页共40页5.1引言BSMSMSMSMSMS多址接入：两个或多个用户希望利用同一个传播信道同时相互通信的一种信号传输方式广播式传输（下行链路）：基站发射的信号被小区中的每个用户接收；多址接入（上行链路）：用户对基站发射信号是多对一的，多址接入即基站如何有效地分辨这些来自不同用户的信号。5.1引言1、问题的提出第五章多址接入技术第4页共40页5.1引言5.1引言2、关键问题多址接入的关键是使得来自不同用户的发射信号相互正交两个或多个用户的信号同时达到基站接收机，若多个到达信号相互正交，则相互间无干扰：()()0,ijTxtxtdtij第五章多址接入技术第5页共40页5.1引言5.1引言3、分类分为两类：有冲突多址接入方式（随机接入）和无冲突多址接入方式无冲突多址接入方式：FDMA：频分多址，FrequencyDivisionMulti-AcccessTDMA：时分多址，TimeDivisionMulti-AcccessCDMA：码分多址，CodeDivisionMulti-AcccessSDMA：空分多址，SpaceDivisionMulti-Acccess有冲突多址接入方式（随机接入）：Aloha；载波侦听多址接入方式（CSMA）等FDMA与TDMA：属于固定容量的分配方案第五章多址接入技术第6页共40页5.1引言5.1引言4、举例CDMA/FDD美国窄带扩频（IS-95）TDMA/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全球移动通信系统（GSM）FDMA/FDD高级移动电话系统（AMPS）多址技术蜂窝移动通信系统第五章多址接入技术第7页共40页5.2FDMA5.2FDMAFDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）：将通信系统的总带宽划分为若干等间隔的信道，分配给不同的用户。信道1信道2信道3……信道N总带宽BgBc1、原理第五章多址接入技术第8页共40页控制信道控制信道890MHz915MHz935MHz960MHz45MHz上行（移动台至基站）下行（基站至移动台）12100012100025KHz25KHz实例：AMPS系统AMPS系统采用FDMA/FDD多址方式，系统带宽为12.5MHz，边界保护间隔为10kHz，信道带宽为30kHz，分配给控制信令的信道数为21个。5.2FDMA5.2FDMA第五章多址接入技术第9页共40页5.2FDMA5.2FDMA2、技术特点FDMA通常在窄带系统实现，符号时间远大于延时扩展，不需要信道均衡。需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰。非线性是FDMA系统的主要问题：互调干扰：fMI=mf1+nf2关键问题合理配置频率避开互调分量；采用高线性度的功率放大器；功率放大器的线性补偿。第五章多址接入技术第10页共40页5.3TDMA5.3TDMA1、原理TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）：信道时间被划分为不同的帧，每个帧又进一步分割为不同的时隙，每个用户在被指定的时隙逐帧发送。帧足够长，每个接受服务的用户都有机会发射至少一次。第五章多址接入技术第11页共40页1、经实验测试路径损耗因子κ=3，区群大小N=3，小区半径由原来的R变为R/2。为获得相同的边缘通信概率，比较分裂前后的基站发射功率变化。复习：2、系统所要求的S/I不变，路径损耗指数为2，采用3扇区（120度定向天线）后，理论上蜂窝系统的容量是原来的倍。t121012(dB)10log()tP/PR/R第五章多址接入技术第12页共40页5.3TDMA5.3TDMA2、分类STDMA（同步TDMA）：建立连接时分配的时隙是固定的，各用户与其被指定的时隙保持同步。ATDMA（异步TDMA）：时隙分配不固定，发送时隙在各帧动态分配。帧长度被用户数所固定。各帧长度不同，取决于该帧的激活用户数。第五章多址接入技术第13页共40页帧帧头信息帧尾时隙1时隙2时隙3时隙n……头比特同步比特信息数据保护比特5.3TDMA5.3TDMA3、TDMA帧结构能够采用TDD或FDD两种双工方式。第五章多址接入技术第14页共40页5.3TDMA5.3TDMA4、STDMA（同步TDMA）根据频率分配的方式不同，STDMA可以是宽带的，也可以是窄带的。宽带TDMA窄带TDMAtf……帧1帧2帧N时隙j时隙j时隙jBstf……帧1帧2帧NBs…………………第五章多址接入技术第15页共40页5.3TDMA5.3TDMA5、STDMA特点对于移动用户而言，TDMA系统的数据传送不是连续的，电池消耗低。由于TDMA中的不连续发射，切换处理对于一个用户单元来说是简单的。移动台辅助切换（MAHO）通过监听TDMA帧中的一个空闲实隙来执行。在TDMA中，采用均衡器是必要的。因为相对于FDMA信道，TDMA信道的发射速率通常要高得多。TDMA的一个优点是它有可能给不同用户分配一帧中不同数目的时隙。第五章多址接入技术第16页共40页实例2：GSM系统前向/反向信道的单向带宽：25MHz信道数：共有125个RF载波，每个载波带宽200kHz。T3Data57bitTrain26bitF1Data57bitT3Guard8.251帧＝4.6155msF1TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS21时隙＝156.25bit=577us5.3TDMA5.3TDMAGSM系统能同时容纳的用户数为：25810000.2K上行：890MHz～915MHz下行：935MHz～960MHz收、发频率间隔为45MHz。第五章多址接入技术第17页共40页5.4CDMA5.4CDMACDMA（CodeDivisionMulti-Acccess）：直接序列扩频多址方式它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除TDMA以外的另一种形式，最典型的是IS-95。在第三代移动通信中，提出的最主要的三种体制也是采用CDMA，它们是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA，与TDD的TD-SCDMA。第五章多址接入技术第18页共40页5.4CDMA5.4CDMA（1）频段下行：869MHz～894MHz（基站发射）；上行：824MHz～849MHz（移动台发射）。实例：IS-95系统（2）信道数每一载频：64（码分信道）其中55个为业务信道，另外包括导频信道、同步信道等控制信道；每一载频带宽：1.25MHz第五章多址接入技术第19页共40页5.4CDMA5.4CDMA实例：IS-95系统帧比特反向业务信息9.6kbps4.8kbps2.4kbps1.2kbps1/3卷积码符号重复块交织28.8kbps64阶Walsh正交调制突发随机215长码扩频307.2kbps1.2288MbpsOQPSK调制基带成形滤波载波调制（3）调制方式移动台：OQPSK；基站：QPSK00011110IQ00011110IQ交错四相相移键控第五章多址接入技术第20页共40页5.4CDMA5.4CDMA特点CDMA系统多用户共享同一频率，最小区群尺寸为1。CDMA系统具有软容量控制，对于用户数目没有绝对的限制。当用户数目增加时，本底噪声增加，对用户而言系统性能下降。CDMA中，信道数据率很高，符号周期很短，通常比时延扩展小得多。可以使用RAKE接收机，通过收集所需要信号中不同时延得信号来提高接收机的可靠性。由于不同用户的扩频序列不是完全正交形成的自干扰问题。远近效应问题。第五章多址接入技术第21页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率移动通信系统中提高频谱利用率的常用技术：a.压缩数据以降低传输速率；b.减小带宽；c.信道分配；d.选择多址接入方法；移动通信系统总的频谱效率依据以下信息进行估计：a.以KHz为单位的信道间隔；b.以km2为单位的小区面积；c.频率复用因子；d.所采用的多址接入方法；调制方法在内的系统参数第五章多址接入技术第22页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率取决于系统参数的频谱效率分量取决于多址接入方式的频谱效率分量移动通信系统的频谱效率：sysaccess系统的频谱效率的定义：2/MHz/km系统中用于数据传输的信道总数（信道）系统带宽总的覆盖区域2/MHz/km系统所承载的总的话务量（厄尔兰）系统带宽总的覆盖区域第五章多址接入技术第23页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率1、FDMA系统a.FDMA的频谱效率FDMA数据传输的可用带宽系统带宽信道1信道2信道3……信道N总带宽BsBgBc控制信道数：Nctr业务信道数：Ndata=Ns-Ncrt同时支持的信道数：2sgscBBNB频谱效率：1datacFDMAsNBB第五章多址接入技术第24页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率1、FDMA系统例：AMPS系统采用FDMA/FDD多址方式，系统带宽为12.5MHz，边界保护间隔为10kHz，信道带宽为30kHz，分配给控制信令的信道数为21个，求FDMA的频谱效率。解：可用信道数为：212.510002041630sgscBBNB＝FDMA的频谱效率为：30416210.94812.51000FDMAa.FDMA的频谱效率第五章多址接入技术第25页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率1、FDMA系统b.FDMA的系统频谱效率区群中的数据信道数小区中的数据信道数系统带宽区群面积系统带宽小区面积由系统频谱效率的定义，可有：总信道数：业务信道数：Ndata=Ns-Ncrt2sgscBBNBcscellNBA小区中的数据信道数系统带宽小区面积小区中的业务信道数：Nc=(Ns–Ncrt)/N第五章多址接入技术第26页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率1、FDMA系统b.FDMA的系统频谱效率例：AMPS系统采用FDMA/FDD多址方式，系统带宽为12.5MHz，边界保护间隔为10kHz，信道带宽为30kHz，分配给控制信令的信道数为21个，小区面积为6km2，区群尺寸为7，求FDMA的系统频谱效率。解：可用信道数为：212.510002041630sgscBBNB＝24162170.747//12.56MHzkm小区中的数据信道数信道系统带宽小区面积第五章多址接入技术第27页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率2、TDMA系统a.TDMA的频谱效率宽带TDMA的频谱效率：fptdWTDMAfsTLTL帧持续时间帧头持续时间帧尾持续时间时隙中符号总数时隙中信息符号总数帧头帧尾ptfT时隙1时隙2时隙N...帧效率：同步头保护比特dLsL信息时隙效率：第五章多址接入技术第28页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率2、TDMA系统a.TDMA的频谱效率窄带TDMA的频谱效率：2fptsgucdNTDMAWTDMAsfssTBBNBLBTLB2sgucBBNB子带数目：帧头帧尾12...帧头帧尾12...帧头帧尾12...信道2信道1信道NuBsBcBgBgf...NslotNslotNslotucsNBB频谱效率第五章多址接入技术第29页共40页5.5频谱效率5.5频谱效率2、TDMA系统b.TDMA系统的小区容量小区容量定义为小区能够同时支持的最大移动用户数。对于TDMA而言，在可用频谱的一次占用期间，能够支持的同时用户的最大数目为：suslotNNN设一个区群中的小区平分系统容量，则TDMA系统的小区容量为：csNNN1,21,sgucWTDMABBNNTDMAB