移动通信原理-第三章 多址技术与扩频通信

北邮信息理论与技术教研中心BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter第三章多址技术与扩频通信主讲人:牛凯BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter2前面已指出，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。上一章着重分析了信道的动态性，这一章将讨论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，在多址技术中重点研究的是利用扩频技术来实现码分多址CDMA。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter3§3.1多址技术的基本概念移动用户要建立通信，首先要实现动态寻址，即在服务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，以避免产生地址间相互干扰。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter43.1.1基本原理多址划分从原理上看与固定通信中的信号多路复用是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计技术。不同点是多路复用的目的是区别多个通路，通常是在基带和中频上实现，而多址划分是区分不同的用户地址，通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址，同时为了实现多址信号之间互不干扰，信号之间必须满足正交特性。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter53.1.1基本原理•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(3.1.1)(3.1.2)其中为第i个用户的信号，为第i个用户的正交参量，为第i个用户地址的保护区间。公式(3.1.1)是纯理论上的表达式，而公式(3.1.2)为实际表达式。而且正交参量应满足：i1()()niiixtxt11()nnxiiiiixt()ixtixi1,0,ijijij当时当时BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter63.1.1基本原理•2)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正交识别器,当i=j时=0,当i≠j时(1txniii)(txi)jBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter73.1.1基本原理•3)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：•图3.2频分多址原理图•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。fΔF1ΔF2ΔFnfΔF1ΔF2ΔFnΔFΔ1ΔFΔ2ΔFΔnBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter83.1.1基本原理•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：••图3.3时分多址原理图•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。tΔT1ΔT2ΔTntΔT2ΔTnΔTΔ1ΔTΔ2ΔTΔnΔT1BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter93.1.1基本原理•CDMA：当时,称为时分多址CDMA，它有两种主要形式：•直扩码分DS-CDMA：多用于商用系统，其原理图如下：直扩码分原理图•CDMA与FDMA、TDMA划分形式不一样，FDMA与TDMA属于一维(频域或时域)划分，CDMA则属于二维(时、频域)划分。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分离的各自特征(码的相关特性)即可。ftFTBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter103.1.1基本原理•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：跳频扩频多址原理图fFTtBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter113.1.1基本原理•它将整个占用的时域划分为若干个子时隙，将整个占用的频段也划分为若干个子频段，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。•在移动通信中最典型的码分多址方式有：第二代的窄带CDMA系统：IS-95体制；第三代的CDMA2000体制；第三代的WCDMA体制。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter123.1.1基本原理•SDMA:当时,称它为空分多址SDMA，其原理图如下：•图3.6空分多址原理图•空分地址的实现是利用无线的方向性波束，将服务区(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的一种基本实现方式。智能式自适应天线是将来移动通信中准备采用的一项新的关键技术，是典型的空分方式。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter133.1.1基本原理•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计划命名为ALOHA。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter14§3.2移动通信中的典型多址接入方式•3.2.1FDMA•第一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址FDMA方式，最典型的有北美的AMPS和欧洲及我国的TACS体制。下面以TACS为例讨论FDMA方式：TACS多址划分控制信道控制信道890MHz915MHz935MHz960MHz45MHz上行（移动台至基站）下行（基站至移动台）12100012100025KHz25KHzBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter153.2.1FDMA•TACS的总可用频段：(与GSM频段相同)上行：890~915MHz，占用25MHz；下行：935~960MHz，占用25MHz。TACS采用频率双向双工FDD方式。收/发频段间距为45MHz，以防止发送的强信号对接收的弱信号的影响。每个话音信道占用25KHz频带，采用窄带调频方式。TACS系统可以支持的信道数为：•其中，为TACS的可用频段带宽，为信道(话音)带宽。633225102101010002510SCBBNB保护SBCBBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter163.2.1FDMA•FDMA的主要技术特点为：每个信道传送一路电话，带宽较窄。TACS为25kHz，AMPS为30kHz。只要给移动台分配了信道，移动台与基站之间会连续不断收、发信号。由于发射机与接收机(基站与移动台都一样)同时工作，为了发、收隔离，必须采用双工器。共用设备成本高，FDMA采用每载波(信道)单路方式，若一个基站有30个信道，则每个基站需要30套收、发信机设备，不能共用。与TDMA相比，连续传输开销小、效率高，同时无需复杂组帧与同步，无需信道均衡。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter173.2.2TDMA•第二代移动通信是数字式移动通信，它主要采用两类多址方式：一类是欧洲大多数国家采用的时分多址TDMA方式，另一类是北美等采用的码分多址CDMA方式，我国两类方式都有。这里先介绍最典型的TDMA方式GSM体制。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter183.2.2TDMA•在GSM中最多可以八个用户共享一个载波，而用户之间则采用不同时隙来传送自己的信号。GSM一个TDMA帧的结构图如下所示。GSM系统一个TDMA帧的结构帧头帧尾信息时隙1时隙2时隙3时隙8尾比特同步信息比特保护比特BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter193.2.2TDMA•GSM系统的时隙结构可划分为四种类型：常规突发序列、频率校正突发序列、同步突发序列、接入突发序列。GSM采用频率双向双工FDD方式，与TACS相同，不再赘述。上、下行频段(发、收)间隔为45MHz，每个话音信道占用200kHz，采用GMSK调制。GSM系统总共可提供频点数为：而每个频点提供8个时隙，因此GSM总共可提供的时分信道数为：2251000(200)8MHzNKHz125125200MHzNKHzBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter203.2.2TDMA•TDMA的主要技术特点：每载波8个时隙信道，每个信道可提供一个数字话音用户，因此每个载波最多可提供8个用户。突发脉冲序列传输。每个移动台发射是不连续的，只是在规定的时隙内才发送脉冲序列。传输开销大，GSM的TDMA帧层次结构如图3.9所示，共分为五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧、超高帧，每个层次都需占用一些非信息位的开销，这样总的开销就比较大，以致影响整体传输效率。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter213.2.2TDMAGSM五层次帧结构012……2047012……5001……25012……25012……5012305674常规突发序列频率校正突发序列同步突发序列接入突发序列超高频超频I超频II复帧I复帧IITDMA帧四类时隙(突发)1234BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter223.2.2TDMA•GSM每个信道比TACS宽8倍，传输速率达270.8Kbps，在这个速率上就不能不考虑多径传输时延扩展的影响。因为GSM的码元周期为3.7us，而繁华城区的多径时延扩展可达3us左右，已完全可以比拟。为了克服多径时延扩展，GSM采用了自适应均衡技术，增加了设备的复杂性。GSM中由于每个载波可提供8个用户，这8个用户由于时分特性可以共用一套收、发设备，因此与FDMA比较，减少了七倍的用户