1、移動通信原理與應用第七章 移動通信中的多址接入技術1第七章移動通信中多址接入技術主要內容概述FDMA方式TDMA方式CDMA方式SDMA方式系統容量習題2第七章移動通信中多址接入技術重點和難點掌握多址接人的基本概念和多址接入方式；掌握FDMA技術的原理及系統的特點，了解FDMA系統中的干擾問題；掌握TDMA技術的原理及系統的特點，熟悉TDMA的幀結構，了解TDMA系統的同步與定時；掌握CDMA技術的原理及系統的特點，熟悉正交Walsh函數、m序列、Gold序列；了解空分多址（SDMA）技術的原理；掌握系統容量的定義，熟悉FDMA, TDMA和CDMA系統容量的分析與比較。 3第七章移動通信中多

2、址接入技術 問題描述： 移動通信系統中基站的多路工作和移動臺單路工作形成了移動通信的一大特點。 1)基站以怎樣的信號傳輸方式發送信號，使各移動臺能從中識別發送給本移動臺的信號？（下行） 2)基站如何識別來自各個不同移動臺的信號？（上行） 3）移動臺之間或移動臺與市話用戶之間是通過基站同時建立各自的信道（多址連接） 7.1概述4第七章移動通信中多址接入技術7.1概述 多址概念：以信道區分通信對象，一個信道只容納一個用戶進行通話，不同的用戶同時進行通話，互相以信道來區分。多址接入：如何建立用戶之間的無線信道的連接。 多址方式是移動通信網體制范疇，關系到系統容量，小區構成，頻譜和信道利用效率以及系統

3、復雜性。5第七章移動通信中多址接入技術7.1概述多址接入的數學基礎s(c,f,t)=c(t)s(f,t)正交分割原理c1(t), c2(t),., cN(t), CDMAs(f1,t), s(f2,t),.,s(fN,t), FDMAs(f,t1), s(f,t2),.,s(f,tN), TDMA碼型函數6第七章移動通信中多址接入技術7.1概述基本概念多址接入與信道分類頻分多址(FDMA),頻道劃分,頻帶獨享,時間共享時分多址(TDMA),時隙劃分,時隙獨享,頻率共享碼分多址(CDMA),碼型劃分，時隙、頻率共享空分多址(SDMA),空間角度劃分,頻率/時隙/碼共享7第七章移動通信中多址接入技

4、術SDMAFDMATDMACDMA8第七章移動通信中多址接入技術7.1概述頻分雙工(FDD, Frequency Division Duplex)時分雙工(TDD, Time Division Duplex)9第七章移動通信中多址接入技術雙工方式收發如何復接在一起頻分雙工-FDD：上下行信流在不同的頻段同時傳送。沒有同步問題；上下行鏈路信道衰落相互獨立；需用雙工器來分離上下行信號。時分雙工-TDD：上下行信流在不同的時隙交替傳送。雙工裝置簡單； 一個方向上的信號傳輸可用于另一個方向的信道測量；上下行鏈路之間的帶寬分配靈活；需要同步，并要考慮收發無線切換的時間；需保護時隙來防止上下行時隙混疊；引

5、起額外的延時和緩沖器的開銷；碼分雙工-CDD：用正交和半正交碼來分離上下行鏈路。半正交碼不能克服“遠近效應”；正交碼的正交性在多徑信道中被惡化；在任何現有系統中沒被采用過。10第七章移動通信中多址接入技術7.2 頻分多址方式7.2.1 系統原理頻分多址（Frequency Division Multiple Access- FDMA): 頻道劃分，頻帶獨享，時間共享 11第七章移動通信中多址接入技術7.2 頻分多址方式12第七章移動通信中多址接入技術7.2 頻分多址方式FDMA系統的頻譜管理FDD, Frequency Division Duplex.反向信道 保護頻帶 前向信道保護頻隙f1

6、f2 fN f1 f2 fN 13第七章移動通信中多址接入技術7.2 頻分多址方式無線通信系統的多址接入方式14第七章移動通信中多址接入技術7.2 頻分多址方式7.2.2 FDMA系統中的干擾問題互調干擾非線性效應線性度，頻率規劃鄰道干擾寄生輻射頻道間隔同頻道干擾同頻小區蜂窩結構15第七章移動通信中多址接入技術7.2 頻分多址方式7.2.3 FDMA系統的特點1.單路單載波傳輸：每個頻道只傳送一路業務信息。載波間隔必須滿足業務信息傳輸帶寬的要求。2.信號連續傳輸：在分配好話音信道后，基站和移動臺同時連續不斷的發送和接收。3.需要周密的頻率規劃，是一個頻道受限和干擾受限系統。4.實現簡單，無需自

7、適應均衡。5.基站需要多個收發信道設備,越區切換復雜。6.頻率利用率低，容量小。16第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址7.3.1時分多址系統原理 （Time Division Multiple Access- TDMA): 時隙劃分，時隙獨享，頻率共享 17第七章移動通信中多址接入技術7.3時分多址GSM系統的幀長為4.6ms（每幀8個時隙），每一個時隙分配給一個用戶。18第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址時分復用各個移動臺在上行幀內只能按指定的時隙向基站發送信號。為了保證在不同傳播時延情況下，各移動臺到達基站處的信號不會重疊，通常上行時隙內必須有保護間隔，在該間隔內不傳送

8、信號?；景错樞虬才旁陬A定的時隙中向各移動臺發送信息。19第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址7.3.2 TDMA的幀結構 保護間隙20第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址 TDMA/TDD:一個幀.反向信道 保護間隙 前向信道保護時隙t1 t2 tN t1 t2 tN 移動臺A 基站基站 移動臺B21第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址 TDMA/FDD(GSM):f前向信道反向信道tt t1 t2 t3 t4 tN t1 t2 t3 t4 tN延時3個時隙移動臺A 基站基站 移動臺A 22第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址 GSM手機是沒有雙工器的： GS

9、M系統上行傳輸所用的幀號和下行傳輸所用的幀號相同，但上行幀相對于下行幀來說，在時間上推后三個時隙，這樣安排，允許移動臺在這3個時隙的時間里，進行幀調整以及對收發信機的調諧和轉換。23第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址7.3.3 TDMA系統的同步與定時位同步針對每個時隙，接收機解調所需方法（1）用專門的信道傳輸 （2）插入業務信道中傳輸幀同步針對每個幀，進行復用/解復用所需方法：在每幀的前面設置一個同步碼同步碼的要求：傳輸效率高（碼短） 同步可靠性、抗干擾強（碼長） 建立時間短、錯誤捕獲概率小、同步保持時間長、失步概率小矛盾24第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址系統定時避免

10、因定時誤差隨時間積累引起失步全網同步，時間基準主從同步（所有設備，包括手機）獨立時鐘同步（基站或大型設備）25第七章移動通信中多址接入技術7.3 時分多址7.3.4 TDMA系統的特點突發傳輸速率高語音編碼速率，NR bit/s；發射信號速率隨N的增大而提高,需要自適應均衡；不需雙工器；基站復雜性減小，只需一部收發信機；頻率利用率高，容量大越區切換簡單26第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.1 系統原理 碼分多址（Code Division Multiple Access- CDMA):碼形劃分，時隙、頻率共享 27第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址CDMA系統工作原理2

11、8第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址29第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.2 正交Walsh函數Walsh函數波形30第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.2 正交Walsh函數遞推關系31第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址H8和H8正交上行鏈路下行鏈路32第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.2 正交Walsh函數同步時，Walsh碼是完全正交碼（自相關函數為1，互相關函數為0）在非同步情形下，Walsh碼的自相關特性和互相關特性很差Walsh碼序列的功率譜分布彼此不均勻;所以不能單獨承擔擴頻任務，通常采用Walsh碼與Gold序列的結

12、合33第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機碼：生成m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱；m序列是由多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產生的最長的碼序列。在二進制移位寄存器發生器中，若n為級數，則所能產生的最大長度的碼序列為2n-1位。34第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機碼：產生電路35第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機碼：性質在m序列中一個周期內“1”的數目比“0”的數目多 l位; 一般說來，m序列中長為k(1 k n 2)的游程數占游程總數的l2km序列和其位移序列模2加后仍為m序列；m序列

13、發生器中的移位寄存器的各狀態中，除全0外，其他狀態在一個周期中只能出現一次。36第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機碼：自相關和互相關m序列的自相關函數由下式計算(p = 2n 1):m序列發生器中，并不是任何抽頭組合都能產生m序列。總結：m序列的自相關性很好，但互相關性不好并為多值，好的m序列數目很少37第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.3 m序列偽隨機碼：自相關性互相關計算ai=1110100與bi=1110010t=0時,ai+ bi=0000110,A=5,D=2,Rc=3/7t=1時,ai+ bi=1001101,A=3,D=4,Rc=-

14、1/738第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.4 Gold序列R.Gold 于1967年提出的一種基于m序列優選對的碼序列;有較優良的自相關和互相關特性，構造簡單，產生的序列數多，因而獲得了廣泛的應用;如有兩個m序列，它們的互相關函數的絕對值有界，且滿足以下條件： 稱這一對m序列為優選對。39第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.4 Gold序列:發生電路40第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.4 Gold序列:特性相關特性：優良自相關峰尖銳，互相關函數值-t(n)/P數量：多，2n+1周期P=2n-1平衡性：好一個周期內，“1”碼元個數比“0”碼元個數

15、僅多一個 = 平衡調制時抑制載波峰平比n為奇時,有2n-1+1個;n為偶時,有2n-1+2n-2+1個41第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.5 CDMA系統的特點共享頻率；通信容量大；容量具有軟特性；CDMA是一個干擾受限系統，任何降低干擾的方法將增加容量，同時降低QoS要求也將增加容量減小多徑衰落；（頻率分集）平滑的軟切換和有效的宏分集低信號功率譜密度42第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址 擴頻通信具有很強的干擾抑制的能力，常用擴頻增益表示系統的抗干擾能力： Bw為擴頻信號帶寬； Bs為信息帶寬； (C/N)o和(C/N)i為擴頻解調器輸出和輸入載波噪聲功率比。 43

16、第七章移動通信中多址接入技術7.4碼分多址7.4.5 CDMA系統的特點主要問題有多址干擾由不同步用戶的擴頻序列間不正交性，導致非零互相關系數引起用戶間的相互干擾遠近效應強用戶信號對弱用戶信號的明顯抑制作用解決方法有多用戶接收機功率控制分布式天線系統44第七章移動通信中多址接入技術7.6 系統容量定義在一定的頻段內所能提供的最大信道數，或最大用戶數，或系統流入話務量總和與信道的載頻間隔、每載頻的時隙數、頻率資源和頻率復用方式、及基站設置方式有關無線容量m是衡量無線系統頻譜效率的參數載波干擾功率比C/I和帶寬Bc Btm 信道/小區 BcNBt系統總頻譜， Bc信道帶寬，N簇的大小45第七章移動

17、通信中多址接入技術7.6三種多址方式系統容量比較（一） FDMA多址方式的系統容量： 以模擬TACS系統為例， 系統總頻段帶寬：1.25MHz； 頻道間隔：25kHz; 信道總數：1.25MHz/25kHz=50; 簇內小區數：N=7; 系統容量：m=50/7=7.1信道/小區。 46第七章移動通信中多址接入技術7.6三種多址方式系統容量比較（二） TDMA多址方式的系統容量： 以數字GSM系統為例， 系統總頻段帶寬：1.25MHz； 頻道間隔：200kHz; 每載頻時隙數：8； 信道總數：1.25MHz/200kHz*8=50; 簇內小區數：N=4; 系統容量：m=50/4=12.5信道/小

18、區。 47第七章移動通信中多址接入技術7.6三種多址方式系統容量比較（三） CDMA多址方式的系統容量： 由于CDMA系統是一個干擾受限的系統，它的頻率復用因子可以為1，對其系統容量的分析更為復雜，我們將簡單進行推導。 CDMA的載波干擾比（C/I）：N0為干擾（包括噪聲）的功率譜密度；Eb為每比特信號能量； Rb為信息的比特速率；W為總頻段寬度。 歸一化信噪比系統的處理增益48第七章移動通信中多址接入技術7.6三種多址方式系統容量比較（四）在單小區時，考慮上行鏈路的容量，假設理想的功率控制（即在上行鏈路對所有移動臺的發射功率進行控制，使到達基站接收機的信號功率均相同），則基站接收機的載波干擾比： Pr為基站接收到的每個移動臺的信號功率，m 為同時工作的移動臺數。 則最大的一個小區內用戶數為： 49第七章移動通信中多址接入技術7.6三種多址方式系統容量