移动通信中的多址接入技术课件.ppt
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- 移动 通信 中的 接入 技术 课件
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1、第七章第七章 移动通信中的多址接入技术移动通信中的多址接入技术内容内容7.1 概概 述述7.2 FDMA方式方式7.3 TDMA方式方式7.4 CDMA方式方式7.5 SDMA方式方式7.6 系统容量系统容量 7.1.1 多址接入的概念多址接入的概念n蜂窝系统中以信道来区分通信对象,一个信道只容纳一个蜂窝系统中以信道来区分通信对象,一个信道只容纳一个用户,许多同时通话的用户,互相以信道来区分,这就是用户,许多同时通话的用户,互相以信道来区分,这就是多址。多址。n在无线通信环境的电波覆盖区内,如何建立用户之间的无在无线通信环境的电波覆盖区内,如何建立用户之间的无线信道连接是线信道连接是多址接入方
2、式多址接入方式的问题的问题n多址接入技术多址接入技术:解决多址接入问题的方法。解决多址接入问题的方法。7.1.2 多址接入方式多址接入方式n移动通信中基站是多路工作的,移动台是单路工作的。移动通信中基站是多路工作的,移动台是单路工作的。在移动通信业务区内,移动台之间或在移动通信业务区内,移动台之间或MS与市话用户之间与市话用户之间是通过基站同时建立各自的信道,从而实现多址连接。是通过基站同时建立各自的信道,从而实现多址连接。n基站是以怎样的信号传输方式接收、处理和转发移动台基站是以怎样的信号传输方式接收、处理和转发移动台来的信号呢?基站又以怎样的信号结构发出各种移动台来的信号呢?基站又以怎样的
3、信号结构发出各种移动台的寻呼信号,并且使移动台从这些信号中识别出发给本的寻呼信号,并且使移动台从这些信号中识别出发给本台的信号呢?这就是多址连接方式的问题,即多址接入台的信号呢?这就是多址连接方式的问题,即多址接入方式的问题。方式的问题。7.1.2 多址接入方式多址接入方式n多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线信号可以表多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线信号可以表达为时间、频率和码型的函数,即达为时间、频率和码型的函数,即式中,式中,c(t)是码型的函数;是码型的函数;s(f,t)是时间是时间(t)和频率和频率(f)的函数。的函数。n当以传输信号的载波频率不同来区分信
4、道建立多址接入时,称当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时,称频分频分多址(多址(FDMA);为当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多;为当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时,称为址接入时,称为时分多址(时分多址(TDMA) ;以传输信号的码型不同来区分;以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时,称为信道建立多址接入时,称为码分多址(码分多址(CDMA) 。n目前在移动通信中应用的多址方式有:目前在移动通信中应用的多址方式有:FDMA、TDMA、CDMA以及它们的混合应用方式等。以及它们的混合应用方式等。( , )( ) ( , )s c f tc t s f
5、 t多址接入方式信道3信道1信道N信道2ftc多址接入方式多址接入方式建立多址接入时区分信道的依据建立多址接入时区分信道的依据频分多址方式(频分多址方式(FDMAFDMA)传输信号的载波频率不同传输信号的载波频率不同时分多址方式(时分多址方式(TDMATDMA)传输信号存在的时间不同传输信号存在的时间不同码分多址方式(码分多址方式(CDMACDMA)传输信号的码型不同传输信号的码型不同信道1信道2信道3信道Nftcftc信道2信道1信道3信道 NFDMA、TDMA、CDMA的示意图的示意图FDMATDMACDMA频分多址(FDMA)方式FDMA频谱分割原理nFDMAFDMA为每一个用户指定了特
6、定信道,这些信道按要求分配给请求服务的用户。在为每一个用户指定了特定信道,这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中,其他用户不能共享这一频段,即为呼叫的整个过程中,其他用户不能共享这一频段,即为每个用户分配一个信道,每个用户分配一个信道,一对频谱。一对频谱。较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道n必须同时占用必须同时占用2 2个信道(个信道(2 2对频谱)才能实现双工通信对频谱)才能实现双工通信基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号基
7、站必须同时发射和接收多个不同频率的信号任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转n设置频道间隔,以免因系统的频率漂移造成频道间重叠设置频道间隔,以免因系统的频率漂移造成频道间重叠前向信道与反向信道之间设有保护频带前向信道与反向信道之间设有保护频带用户频道之间,设有保护频隙用户频道之间,设有保护频隙FDMA系统频谱分割示意图系统频谱分割示意图FDMA的主要干扰干扰方式干扰方式起起 因因解决方法解决方法互调干扰互调干扰系统内非线性器件产生的各种组合系统内非线性器件产生的各种组合频率成份落入本频道接收机通带内频率成份落入本频道接收机通带内选用无互
8、调的选用无互调的频率集频率集邻道干扰邻道干扰相邻波道信号中存在的寄生辐射落相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内入本频道接收机带内加大频道间的加大频道间的隔离度隔离度同频干扰同频干扰相邻区群中同信道小区的信号造成相邻区群中同信道小区的信号造成的干扰的干扰适当选择频道适当选择频道干扰因子干扰因子Q QFDMA系统的特点 (1)FDMA信道每次只能传送一个电话。信道每次只能传送一个电话。(2)每信道占用一个载频,相邻载频之间的间隔应满足)每信道占用一个载频,相邻载频之间的间隔应满足 传输信号带宽的要传输信号带宽的要求。信道的相对带宽较窄,即通常在窄带系统中实现。求。信道的相对带宽较窄,即
9、通常在窄带系统中实现。(3 3)符号时间符号时间 平均延迟扩展(平均延迟扩展(Ts ) ,所以码间干扰较少,无需自,所以码间干扰较少,无需自适应均衡。适应均衡。(4)基站复杂庞大,重复设置收发信设备。易产生信道间的互调干扰)基站复杂庞大,重复设置收发信设备。易产生信道间的互调干扰(5)FDMA系统每载波单个信道的设计,使得在接收设备中必须使用带通系统每载波单个信道的设计,使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过,滤除其他频率的信号,从而限制临滤波器允许指定信道里的信号通过,滤除其他频率的信号,从而限制临近信道间的相互干扰。近信道间的相互干扰。(6)越区切换较为复杂和困难。因在
10、)越区切换较为复杂和困难。因在FDMA系统中,分配好语音信道后,系统中,分配好语音信道后,基站和移动台都是连续传输的,所以在越区切换时,必须瞬时中断传输基站和移动台都是连续传输的,所以在越区切换时,必须瞬时中断传输数十至数百毫秒,以把通信从一频率切换到另一频率去。对于语音,瞬数十至数百毫秒,以把通信从一频率切换到另一频率去。对于语音,瞬时中断问题不大。时中断问题不大。sT7.3 时分多址(TDMA)方式7.3.1 TDMA工作原理在一个宽带的无线载波上,把时间分成周期性的帧,每一帧在一个宽带的无线载波上,把时间分成周期性的帧,每一帧再分割成若干时隙,无论帧或时隙都是互不重叠的。再分割成若干时隙
11、,无论帧或时隙都是互不重叠的。每个时隙就是一个通信信道,分配给一个用户。每个时隙就是一个通信信道,分配给一个用户。基站按时隙排列顺序发收信号,各移动台在指定的时隙内收基站按时隙排列顺序发收信号,各移动台在指定的时隙内收发信号。发信号。MS3MS2时隙时隙帧帧TDMA系统工作示意图系统工作示意图7.3.2 TDMA的帧结构的帧结构nTDMA帧是帧是TDMA系统的基本单元,它由时隙组成,在系统的基本单元,它由时隙组成,在时隙内传送的信号叫做突发(时隙内传送的信号叫做突发(burst),各个用户的发),各个用户的发射相互连成射相互连成1个个TDMA帧,帧结构示意图如图帧,帧结构示意图如图7.5所示。
12、所示。时隙N时隙3时隙2时隙1保护比特信息数据同步比特尾比特一个一个TDMATDMA帧帧图图7.5 TDMA帧结构帧结构7.3.3 TDMA系统的同步与定时系统的同步与定时n同步和定时是同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。移动通信系统正常工作的前提。 位同步位同步 帧同步帧同步 系统定时系统定时7.4.4 TDMA系统的特点突发传输的速率高,远大于语音编码速率,因为突发传输的速率高,远大于语音编码速率,因为TDMATDMA系统系统中需要较高的同步开销中需要较高的同步开销发射信号速率随发射信号速率随N N的增大而提高,引起码间串扰加大,所以的增大而提高,引起码间串扰加大,所以必须采用
13、自适应均衡必须采用自适应均衡不需双工器不需双工器基站复杂性小,互调干扰小基站复杂性小,互调干扰小抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大越区切换简单,可在无信息传输时进行,不会丢失数据越区切换简单,可在无信息传输时进行,不会丢失数据7.4 码分多址(CDMA)方式7.4.1 CDMA的工作原理码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码,利用码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码,利用公共信道来传输信息公共信道来传输信息CDMACDMA系统的地址码相互具有准正交性,以区别地址,而在系统的地址码相互具有准正交性,以区别地址,而在频率、时间和空间上都可能重
14、叠频率、时间和空间上都可能重叠系统的接收端必须有完全一致的本地地址码,才能对接收系统的接收端必须有完全一致的本地地址码,才能对接收的信号进行相关检测的信号进行相关检测 1c2c1C2CNcNCMSCBSCDMA系统工作示意图系统工作示意图7.4.2 CDMA中的地址码类型中的地址码类型 p用户地址:用于区分不同移动用户;用户地址:用于区分不同移动用户;p多速率多速率(多媒体多媒体)业务地址:用于多媒体业务中区分不同速业务地址:用于多媒体业务中区分不同速率类型的业务;率类型的业务;p 信道地址:用于区分每个小区或每个扇区内的不同信道;信道地址:用于区分每个小区或每个扇区内的不同信道;p 基站地址
15、:用于区分不同基站或扇区。基站地址:用于区分不同基站或扇区。p常采用常采用m序列、序列、Gold序列、序列、 Walsh 、0VSF序列等。序列等。码序列应具有如下特性码序列应具有如下特性p有足够多的地址码;有足够多的地址码;p有尖锐的自相关特性;有尖锐的自相关特性;p有处处为零的互相关特性;有处处为零的互相关特性;p不同码元数平衡相等;不同码元数平衡相等;p尽可能大的复杂度。尽可能大的复杂度。正交正交Walsh函数(函数(1)1.Walsh函数波形函数波形 连续连续WalshWalsh函数的波形如函数的波形如图图7.77.7所示,利用所示,利用WalshWalsh函函数的正交性,可作为数的正
16、交性,可作为CDMACDMA的地址码。的地址码。00000000000011110011110000110011011001100110100101011010010101012.Walsh函数对应的矩阵函数对应的矩阵图7.7 连续Walsh函数的波形正交正交Walsh函数(函数(2)2242 2220000010100110110HHHHHHNH2NNNNNHHHHH3.Walsh函数矩阵的递推关系函数矩阵的递推关系沃尔什函数矩阵由Hadamard矩阵递推过程产生。 1200(0)01HHn其中其中N取取2的幂,的幂, 是的是的 补。补。n利用利用Walsh函数矩阵的递推关系,可得到函数矩阵
17、的递推关系,可得到64 64阵列的阵列的Walsh序列序列 nQualcomm-CDMA数字蜂窝移动通信系统中被作为前向码分信道数字蜂窝移动通信系统中被作为前向码分信道 ,可支,可支持持64个信道个信道。采用采用64位的正交位的正交Walsh函数来用作反向信道的编码调制。函数来用作反向信道的编码调制。 NH正交正交Walsh函数(函数(3)v码字的互相关系数为:码字的互相关系数为:Zij=N相同N不同N总的数字v完全正交:互相关系数为完全正交:互相关系数为0 0v若信号在加性高斯白噪声信道中传输,正交码若信号在加性高斯白噪声信道中传输,正交码可以保证在接收机处实现多用户抑制。可以保证在接收机处
18、实现多用户抑制。v时延色散破坏了码字间的正交性时延色散破坏了码字间的正交性p接收机承受延迟扩展带来的附加干扰(用正交因子来接收机承受延迟扩展带来的附加干扰(用正交因子来描述干扰程度)。描述干扰程度)。p接收机在进行相干运算之前先让接收信号通过一个码接收机在进行相干运算之前先让接收信号通过一个码片间隔均衡器以消除延迟扩展的影响。片间隔均衡器以消除延迟扩展的影响。7.4.3 m7.4.3 m序列伪随机码序列伪随机码 1.m序列的生成序列的生成p伪噪声序列(伪噪声序列(PN序列)具有类似随机噪声的一些统计特性,但和真正序列)具有类似随机噪声的一些统计特性,但和真正的随机信号不同,它可以重复产生和处理
19、,故称作伪随机噪声序列。的随机信号不同,它可以重复产生和处理,故称作伪随机噪声序列。pPN序列有多种,最常用的一种是序列有多种,最常用的一种是最长线性反馈移位寄存器序列,也称最长线性反馈移位寄存器序列,也称作作m序列序列。由。由m级寄存器构成的线性移位寄存器构成级寄存器构成的线性移位寄存器构成m序列发生器结构如序列发生器结构如下图。下图。p m序列的发生器是由移位寄存器、反馈抽头及模序列的发生器是由移位寄存器、反馈抽头及模2加法器组成的。产生加法器组成的。产生m序列的移位寄存器的网络结构不是随意的,必须满足一定的条件序列的移位寄存器的网络结构不是随意的,必须满足一定的条件。m序列的产生序列的产
20、生1 1 10 1 11 0 10 1 00 0 11 0 01 1 01 1 1Q1 Q2 Q3(B)D1Q1CP(1)D2Q2CP(2)D3Q3CP(3)时钟脉冲Tc输出1110100(A)m m序列是最长线性移位寄存器序列的简称,它是由带线性反馈的移存序列是最长线性移位寄存器序列的简称,它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。它的周期是器产生的周期最长的一种序列。它的周期是 (n n是移位寄是移位寄存器的级数)存器的级数)21np 非非m序列产生电路序列产生电路 D1Q1CP(1)D2Q2CP(2)D3Q3CP(3)时钟脉冲 Tc1 1 11 1 11 1 1Q1 Q2 Q3(
21、b)1 0 01 1 00 1 10 0 11 0 0Q1 Q2 Q3(c)一个线性反馈移位寄存器能否一个线性反馈移位寄存器能否产生产生m m序列决定于它的反馈系数序列决定于它的反馈系数长码生成示意图长码生成示意图v 以以3阶为例阶为例v 初始态初始态:001v 掩码(掩码(mask):110v 输出输出:周期为周期为7的序列的序列v 当掩码不同时,输出相当掩码不同时,输出相位不同位不同Out001110m序列的随机性质序列的随机性质(1)2.m系列的特性系列的特性m系列有许多优良的特性,但我们主要关心的是它的随机性和自相关性。系列有许多优良的特性,但我们主要关心的是它的随机性和自相关性。 平
22、衡特性平衡特性vm序列一个完整周期序列一个完整周期P=2m-1内内1和和0的码元数大致相等(的码元数大致相等(1比比0只多一个)。只多一个)。 游程特性游程特性v m序列中连续为序列中连续为“1”或或“0”的那些元素称为游程。的那些元素称为游程。 m序列游程总数为序列游程总数为(P+1)/2,长度为,长度为k(1kn-1)的游程占总游程数的的游程占总游程数的1/2k 。 m序列和其移位后的序列逐位模序列和其移位后的序列逐位模2加,所得的序列还是加,所得的序列还是m序列,只是相位不同。序列,只是相位不同。m序列发生器中的移位寄存器的各种状态,除全序列发生器中的移位寄存器的各种状态,除全0外,其它
23、状态在一个周期内只外,其它状态在一个周期内只出现一次。出现一次。相关特性相关特性vm序列的自相关函数是周期的二值函数。序列的自相关函数是周期的二值函数。m序列的随机性质序列的随机性质(2)(2)1101( )1/0pannnRa app7P 都是取离散值都是取离散值, 下图是下图是 的自相关函数曲线的自相关函数曲线 ,( )a anR和nm序列的自相关性序列的自相关性m序列的随机性质序列的随机性质(3)(3)nm序列的自相关性序列的自相关性P11)(R01-11)(RPP +1P -1t / 由图可见,当由图可见,当=0=0时,时,m序列的自相关函数序列的自相关函数R Ra a()出现峰值出现
24、峰值1;当当偏离偏离0时,相关函数曲线很快下降;当时,相关函数曲线很快下降;当11P P-1-1,相关函相关函数值为数值为-1/-1/P P;当时;当时=P P,又出现峰值;如此周而复始。当周期又出现峰值;如此周而复始。当周期P很大时,很大时,m序列的自相关函数与白噪声类似。序列的自相关函数与白噪声类似。 m序列的随机性质序列的随机性质(4)(4) 12, 0()1()1=0( )=1-01-11=01( )1-0nnnnnnnnnnPannnmaaaaAaaDaaADRADPaaRa aPP序列和与其后移 位的序列逐位模 加所得的序列中“ ”的位数为序列和相同的位数 ,“”的位数为序列和不相
25、同的位数 ,则自相关函数由下式计算若随机码用 和 表示,此时和的自相关函数可得pm序列的自相关性的计算序列的自相关性的计算m序列的随机性质序列的随机性质(5)(5) 12, 0()1()( )1-11( )nnnnnnnncnnPcnnnmababAabDabADRADabRa bP序列和与其后移 位的序列逐位模 加所得的序列中“ ”的位数为序列和相同的位数 ,“”的位数为序列和不相同的位数 ,则互相关函数由下式计算若随机码用 和 表示,此时和的互相关函数可得pm序列的互相关性的计算序列的互相关性的计算m序列的随机性质序列的随机性质(6)(6)p互相关函数为理想三值函数互相关函数为理想三值函数
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