西安电子科技大学移动通信课件_第9章-多址技术

无线通信原理与应用第9章无线通信多址接入技术主要内容多址是一个什么样的问题？允许冲突的多址方式简介双工方式的回顾无冲突的多址方式简介系统容量多址是一个什么样的问题？1一个无线通信系统使用分配给其特定业务的指定频段。例如：美国当初为AMPS系统分配的频段是：824～849MHz（共25MHz）用于反向通信，869～896MHz（共25MHz）用于前向通信。又如：900MHzGSM系统的工作频段是：890～915MHz（共25MHz）用于反向通信，935～960MHz（共25MHz）用于前向通信。频谱是一种稀缺资源，并且已分配的频段不易被拓展。鉴于此，无线系统必须为在指定频段内允许尽可能多的用户同时通信做出一些规定。多址是一个什么样的问题？2使多个用户同时进行通信的问题可以被划分为两个部分：对某个特定基站而言，怎样与多个移动台同时通信？多址问题多个基站情况下，如何将频谱资源分配给它们以使得可能用户的总数最大化？以及这些基站在给定地理区域上如何布置？蜂窝网络规划问题（第3章已介绍过）多址是一个什么样的问题？3公用通信网络使用通信资源（如频谱）的特点：为了提高资源的使用效率，通信资源为用户所共享。多址（MultipleAccess）技术的本质是在共享通信资源的基础上，使系统中各个用户能够实现有效的互通互联的技术。互通互联的有效性指的是在保证用户通信的前提下尽可能地提高信道的使用效率。所谓通信资源，也可以称作信道（Channel），依照信道使用中是否允许冲突（即同时使用同一信道）出现，将多址技术分为：无冲突的MA和允许冲突的MA。MA的适用性话音业务特点：实时、速率恒定，且具有一定的端到端时延要求。数据业务特点：突发（峰值速率远大于平均速率）、而对传输的实时性却要求不高。允许冲突的MA允许冲突的MA是指用户对信道的使用具有系统无法控制（或不必控制）的突发性和随机性，从而在共用信道时会发生冲突的多址方式。常用的允许冲突的MA方式包括：纯ALOHA（PureALOHA）时隙ALOHA（SlottedALOHA）载波侦听多址（CSMA）ALOHA的易损（冲突）区间ALOHA与时隙ALOHAALOHA协议中分组发送的起始时刻不受限制，完全是随机的，这就增加了不同用户分组发生冲突的概率，造成系统的吞吐率（成功发送分组的概率）受到较大的限制。时隙ALOHA将发送时间划分成一个个的时隙，时隙长度一般略大于用户分组长度。每个用户分组的发送起始时刻只能是时隙的起始时刻，这样就减小了发生碰撞的易损区间，从而减小了冲突概率，可以达到提高吞吐率的目的。吞吐量和传输延迟CSMA载波侦听多址(CSMA)：减小冲突，提高系统吞吐率的另一种办法就是减小分组发送的盲目性。CSMA是在发送之前进行“侦听”来确定信道的忙闲状态，然后再决定是否发送分组。即“先听后讲”。可分为以下两种类型：CSMA/CD用于IEEE802.3以太网（有线网），CD：冲突检测CSMA/CA用于IEEE802.11无线局域网，CA：冲突避免FDD与TDD1FDD与TDD2FDD与TDD3注意：双工开关在一次通话期间快速交替接通发射机和接收机，而用户并不会发觉到这一点，用户体验到的是“全双工”通信。无冲突的MA所谓无冲突的MA是指由系统以特定的方式来划分信道，然后将不同的信道分配给不同的用户使用，以保证信道使用过程中不发生冲突。如：蜂窝网中，若采用FDMA方式，一般不会在同一小区中同时使用同一频道。常用的无冲突的MA频分多址（FDMA）不同信道即不同频道时分多址（TDMA）不同信道即不同时隙码分多址（CDMA）不同信道即不同扩频序列空分多址（SDMA）不同信道即天线的不同点状定向辐射区域FrequencyTimeCodeSpaceFDMA是TDMA和CDMA的基础由于信号调制的结果是已调信号占用一定的带宽，所以信号的无线传输最终表现为对频谱的占用。因此FDMA是TDMA和CDMA的基础。确切地说，TDMA即TDMA/FDMACDMA即CDMA/FDMA频分多址FDMA时分多址TDMATDMA的帧和时隙GSM帧结构GSM时隙的类型在GSM术语中，时隙又被称为突发（burst），根据功用不同，GSM共有5种突发类型：常规突发，也就是业务突发；频率校正突发；同步突发；随机接入突发；空闲突发GSM的不同突发及其结构（pp391）业务突发的组成用来传送业务数据（如用户话音）的突发称为业务突发，也称为常规突发。业务突发一般由4部分组成：尾比特：用于为功率上升、下降留出时间；业务数据：实际的有效载荷，比如：经过编码、交织和加密处理的数字话音；训练序列：是已知序列，用于均衡。保护间隔：实际上是一段空白时间，用于防止在接收端（BS处）不同用户时隙出现时间重叠。保护间隔像GSM这样的TDMA／FDD系统，系统都是成对地向用户提供业务时隙的，即前向和反向链路使用相同编号的时隙（但前向链路时隙和反向链路时隙使用的发送载频不同）。由于移动台处一般采用同一频率合成器生成本地载频，所以它不可能同时形成不相同的前向链路接收载频和反向链路发射载频，因此，GSM系统规定，前向和反向相同编号时隙之间错开3个时隙的时间宽度。如下页图所示。保护间隔的图示TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7fc1fc2一个前向帧（8个时隙）一个反向帧（8个时隙）TS0TS1TS2TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS5TS6TS7注意：这里fc1和fc2分别表示前向和反向链路载频，系统会同时提供一对时隙给用户使用，如一对TS0，但它们之间有固定的3个时隙的偏移。3个时隙的偏移为什么要留保护间隔？13个时隙的偏移对于GSM系统是个常数，这就是说，基站会希望在针对某个用户发出0号时隙以后，就能够在2个时隙之后的时刻接收到该用户发出的反向链路的0号时隙（与前者成对）。但是在支持多用户在同一对载频上使用相邻时隙时就可能出现问题。BSMS1MS2考虑如图所示情形，MS1和MS2距离基站的远近不同。假定它们使用同一对载频上的相邻时隙，如：MS1使用TS0、MS2使用TS1。为什么要留保护间隔？2BS发送：BS收到：到达MS2：MS1发送：MS2发送：到达MS1：TS0（MS1）TS1（MS2）………TS0（MS1）TS1（MS2）………………3个时隙的偏移τ1τ2TS0（MS1）3个时隙的偏移TS1（MS2）TS0（MS1）TS1（MS2）反向链路在BS处发生了时隙重叠！由于MS1离BS较远，传输迟延τ1要大于τ2。为什么要留保护间隔？3如上图所示，为了保证上行链路各时隙在基站处即使发生相互重叠也不致于影响彼此的数据内容，在作突发结构设计时就在一个突发的末尾安排了一段留空时间——实际上在其间不发送任何比特，这就是保护间隔。最稳妥的办法是将保护间隔留得最大——对应于MS位于小区边界处的情形。但这是非常不经济的，因为我们希望一个突发期间应该有尽可能多的时间用于传送有效数据，而不是简单一律地设定保护间隔为最大值。于是，GSM系统中BS会根据小区中各MS距离BS的不同距离来要求它们提前发送，距离远的MS提前量要大一些，即离得近的MS少提前，离得远的MS多提前一些。这样一来，这样到达基站时就可以做到基本无重叠了。（最大）保护间隔的计算由于用户的移动性，系统支持的各个用户与基站间的距离可能是不同的，甚至是差异很大的。尤其是工作于同一对双工载频上的8个用户，如果系统不加以控制，他们的时隙到达基站时就会发生重叠，从而导致双方的数据均受到破坏。保护间隔(GuardPeriod)是以bit为单位的，GSM中每bit持续时间为576.92/156.25=3.692μs，电波每秒钟传输300,000,000米；考虑双向传输的开销，如果基站距移动台距离为d(米)，则GP=(2d/300)/3.692=d/553.8bits若距离d以km计，则GP=d/0.5538bits所以最小可分辨的距离为553.8米(0.5538公里)。保护间隔的计算例例：TDMA/FDD系统，假设信道速率为1Mbps，小区半径为500m，计算此时需要设置的保护段的大小（用比特表示）。［解］：每bit持续时间1μs，双向往返最大距离为1000m。相当于1000/300/1=3.3bit。又例：GSM系统中，可使用的最大小区半径为35公里，则最大保护间隔约为：63bit。GSM中的时间提前问题时间提前量(TA)也是以bit为单位的。因为在实际业务信息（如，话音）通信过程中，业务信息在时隙中应该占主要的比例（如，GSM业务突发业务信息占73％），不可能再留出非常大的保护间隔，但上述在BS处的时隙重叠问题仍然存在。GSM采用由基站向各移动台发送时间提前量（TA）的办法来避免重叠出现。因此，象业务突发中只保留8.25bits的保护间隔的原因就在于已经做过TA处理了。TDMA/FDD与TDMA/TDD实际的TDMA系统比较码分多址CDMA（即DS-SSMA）用DSSS实现多址1使用直接序列扩频技术区分用户的方法是给不同用户分配互不相同的扩频码，而不同用户可以同时、并占用相同载频发送。当然，不同用户所使用的扩频码还必须具备一定条件。基站处的扩频发射系统，可以同时将针对K个用户的扩频信号发送出去，每个用户使用不同的伪随机码PNk，k＝1,……,K。用DSSS实现多址2在基带一个码元上做积分以下为用户1处接收机的原理图。用户1将采用自己的扩频码PN1进行解扩，但是应当注意到，基站可能同时发射针对多个用户的信号，该如何消除其他用户对用户1的影响，保证正确接收呢？多用户时扩频码应具有的特点扩频码应该是伪噪声（PN）码，即具有近似于噪声的功率谱密度，也就是要求扩频码在时域具有强的自相关峰值；码族中各个码字间具有良好的互相关特性，即要求接近于零的互相关值；码族之中应包含足够数量的扩频码。Walsh序列族1兼具理想的自相关特性和理想的互相关特性的码族并不好找，而且往往会“顾此失彼”。但是，在进行多址应用时，我们更看重的是互相关特性。具有理想自相关特性的正交序列族是可以找到的。比如：Walsh序列族。Walsh序列由以下Hadamard矩阵定义：，n=1，2，…。递推的初始矩阵为：()()(1)()()nnnhadhadhadnnhadhadHHHHH(1)1111hadHWalsh序列族2Walsh序列族中的各个序列对应于Hadmard矩阵的每一列。例如：长度（亦称作周期）为4的Walsh序列对应于，而不难验证，在彼此对齐的情况下，它们相互正交。(2)hadH(1)(1)(2)(1)(1)1111111111111111hadhadhadhadhadHHHHHIS95使用的扩频码IS95的下行链路（BSMS）采用Walsh序列进行扩频，所用序列为64个码片的序列，即对应于的各列。扩频增益为64。值得一提的是，IS95的上行链路并不将Walsh序列用于扩频。这是因为，下行链路可以保证针对各个用户的信号的同时发送，而就上行链路而言，不同用户的信号不可能同时到达基站。而Walsh序列仅在彼此间不存在时移时能够保证完全正交，在相互之间存在任意时移时，反而会具有较大的互相关值。于是上行链路采用同一m序列（长码）的不同时移版本实现不同用户的扩频。)(hadH6解扩的实现多址干扰和CDMA系统的功率控制问题多址干扰指用于特指CDMA系统中，由于采用不同扩频码进行扩频而引起的相互干扰。在经过信道传播以后，即使是理论上完全正交的码，由于衰落等因素的影响可能也不再具有零互相关值。在远近效应发生时，多址干扰甚至会导致系统无法正常运作。所以为了克服远近效应、减轻多址干扰、保证系统正常运作和提高系统容量就必须进行功率控制。上行链路功率控制要达到的目标是：小区内所有用户发出的信号在到达基站时都具有相同的接收