第7章扩频多址技术.ppt

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1、第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 第第7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.1 蜂窝技术及多址技术的基本概念蜂窝技术及多址技术的基本概念 7.2 扩频多址技术的分类及特点扩频多址技术的分类及特点 7.3 码分多址系统的原理与应用码分多址系统的原理与应用 7.4 码分多址技术的容量分析码分多址技术的容量分析 思考与练习题思考与练习题 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.1 蜂窝技术及多址技术的基本概念蜂窝技术及多址技术的基本概念 7.1.1 蜂窝技术的基本概念 1.双工方式 在无线通信中,实现双工通信最常用的方法有两种,即频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。所谓频分双工,是

2、指每个用户的接收和发送是在不同的频道上进行的,即利用不同的频率范围来区分发送和接收信道。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-1 双工方式(a)频分双工(FDD);(b)时分双工(TDD)f收发保护频段t保护时间间隔发 送接 收发 送接 收发 送接 收(b)(a)第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2.小区与区群的概念 移动通信在现代通信中占有非常重要的地位,因此其发展非常迅速。它所采用的技术代表了当前通信技术发展的最高水平。在移动通信系统中,由于移动性的要求和设备的体积功耗的制约,一般情况下,移动台的天线高度和发射功率都要受到限制。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术

3、在这种情况下,为了保证用户之间能够有足够的通信距离,同时也为了便于系统的管理和交换,通常采用基站转发的工作方式,即任何用户发送的信号,首先由基站(在某些应用中也称为中心站)接收下来,然后再转发给接收用户,如图7-2所示。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-2 简单移动通信系统(大区制)的组成 基站第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-3 小区的形状 第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 在蜂窝网中,为了减小临近小区之间的相互干扰,它们一般应工作在不同的频率组上。但由于传输损耗随着距离的增加而不断增加,因此,如果两个小区相距足够远,则它们完全可以工作在相同的频率组上

4、,且相互之间的干扰可以忽略不计。我们称此为频率再用,并将相邻的采用不同的工作频率组的小区称为区群。可以证明,如果所有的区群具有相同的形态,则区群中包含的小区数应满足下面的公式:N=i2+ij+j2 其中,i,j为正整数。不同的N值对应的区群形状如图7-4所示。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-4 区群的形状N3 j1i1N4 j2i0N7 j2i1N9 j3i0N12 j2i2N13 j3i1N16 j4i0N19 j3i2N21 j4i1第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.1.2 多址技术的基本概念 无论是大区制还是小区制移动通信系统,一般都要求基站能够为多个移动台

5、的接入提供服务,即系统应能够在给定的频谱资源下同时允许多个移动台进行通信,解决这个问题的技术称为多址技术。在扩频多址技术获得应用之前,多址技术主要有两种,即频分多址和时分多址。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 1.频分多址(FDMA)频分多址技术是将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道,每个频道的宽度能够容纳一路信息的传输,且在一次通信过程中,每个频道只能提供给一个用户进行发送或接收的一种多址方式。如图7-5所示。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-5 频分多址示意图 信道1信道 N代码频率时间信道2信道3第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 在设计频分多址系统时,

6、频道或信道的设计有以下几个特点:(1)任何一种调制方式从理论上来讲,其频率成分都几乎是无限的,但其绝大多数的能量通常都集中在一个有限的频率范围内。(2)频道的宽度不仅与调制方式有关,而且还与每路信息的传输速率(或带宽)有关。(3)在进行频道的划分时,为了减小频道间的相互干扰,在相邻的两个频道中传输的信号之间,应留有一定的频率间隔,即保护带。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-6 频道划分示意图 已调信号带宽保护间隔信道带宽已调信号带宽已调信号带宽f第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (4)在采用频分双工的FDMA系统中,为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰,收发频率间隔必

7、须大于一定的数值。(5)在采用频分双工的FDMA系统中,由于每个信道中的信息是以一种不间断的发送模式传输的,因此仅需要较少的比特来满足系统同步的开销(如位同步和帧同步)。(6)由于FDMA系统每频道(信道)的传输速率较低,因而符号时间与时延扩展相比较大。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (7)在采用FDD工作方式时,对于移动台,由于接收和发送是同时进行的,因此为了使得收发信机能共用一副天线，采用双工器是必要的。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2.时分多址(TDMA)时分多址是把时间分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙在时间上都是互不重叠的)。在这种多址方式

8、下,不同帧中的相同序号的时隙组成一个个的信道,如图7-7所示。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 信道1信道2信道3信道 N代码频率时间 图7 7 时分多址(TDMA)第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-8 时分多址/时分双工示意图 Cn1TCn2RCn2TCnmRCnmTtCn1RCn1TCn2TCnmRCnmTCn1R1帧Cn2Rt1帧第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 为了解决上述问题,主要采取了以下四个方面的措施：(1)在每个时隙中,专门划出部分比特 用于控制和信令信息的传输。(2)为了便于接收端利用均衡器来克服多径引起的码间干扰,在时隙中要插入自适应均衡器所

9、需的训练序列。(3)在上行链路的每个时隙 中要留出一定的保护间隔(即不传输任何信号),也就是说，每个时隙中传输信号的时间要小于时隙长度。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (4)由于每个时隙的传输是突发进行的,为了便于收发双 方的同步,在每个时隙中还要传输一些同步序列,包含位同步和信息同步(时隙同步)两部分。同步序列和训练序列可以分开设置,也可以合二为一。另外,由于收发信机在每个时隙的收发时,还要进行收发转换,因此,还应保留一定的功率上升时间和功率下降时间。典型的时隙结构如图7-9所示。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-9 典型的时隙结构 功率上升同步信息信息同步随路信令

10、训练序列业务信息保护段第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 概括起来,TDMA的特点包括以下几个方面:(1)TDMA使得多个用户可以共享一个载波(频道),但这些用户应在不同的时隙中工作。(2)每一帧的时隙数取决于几个因素,如调制方式、有效带宽和每路信号的传输速率等。(3)对于每个用户来说,TDMA系统数据的发送不是连续的,这就使得移动台的功率消耗较低,因为其发射机可以在非工作时隙(大多数时间)将电源关闭。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (4)由于移动台的发射和接收单元不是连续地处于工作状态,因而它可以在空闲时隙期间对整个系统的状态进行检测。(5)TDMA系统中,即使在频分双工方式

11、下,其发射和接收也可以不在相同的时间进行,因此不需要双工器。(6)相对于FDMA,TDMA信道的传输速率要高得多,相对来讲码间干扰较严重，一般情况下自适应均衡器的应用是必要的。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (7)在TDMA系统中,每个用户只能在特定的时隙发送和接收数据,而且每个时隙采用的是突发的传输方式,因此,TDMA对系统定时和同步的要求更为严格。(8)TDMA系统的一个显著的优点是可以根据用户的业务不同,为其分配不同的时隙数,从而实现根据用户的业务类型提供不同的系统带宽,即实现多种业务的接入。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.2 扩频多址技术的分类及特点扩频多址技术

12、的分类及特点 7.2.1 跳频多址(FHMA)FHMA是一种数字多址系统,它是在跳频的基础上发展起来的一种多址形式。在FHMA 系统中,首先将给定的频率范围像FDMA系统一样划分成许多频道,但每个用户的载波频率不是固定在一个频道上,而是随着时间的变化而不断变化的,变化的规律受到各自的伪随机序列(PN码)的控制。即各用户的载波频率在给定的系统带宽内按照各自的PN码随机地进行快速的改变。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-10 FHMA和CDMA示意图 (a)FHMA;(b)CDMA 时间用户1用户2用户 Nf0f1Bfn频率(a)(b)信道1信道2信道 N频率码字时间第第7 7章章

13、 扩频多址技术扩频多址技术 7.2.2 码分多址(CDMA)在CDMA系统中,所有用户工作在相同的载波频率上,但在进行调制之前,用户的输入数据序列首先要进行扩频处理,即与某个高速的扩频序列(PN序列)相乘,变换为宽带信号。不同的用户(或信道)使用不同的PN序列,这些PN序列(或码字)相互正交。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 CDMA系统具有以下几个主要特点:(1)CDMA系统使得许多用户可以共享同一频率,无论是采用TDD技术还是采用FDD技术。(2)CDMA系统具有软容量的特点。(3)CDMA系统有利于克服多径衰落的影响。(4)在CDMA系统中,信道的传输速率很高,符号(码片)的时长

14、很短;同时,由于PN序列具有很低的自相关性,超过一个码片的多径延时信号将被视为噪声。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 (5)CDMA系统可以实现具有宏空间分集特性的信道软切换。(6)CDMA系统具有码分多址系统所特有的多址干扰。(7)CDMA系统容易发生远近效应的影响。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.2.3 混合码分多址 混合码分多址的形式是多种多样的，如FDMA与CDMA混合(FD/CDMA),TDMA与CDMA混合(TD/CDMA),TDMA与跳频混合(TDMA/FH),FHMA与CDMA混合(DS/FHMA)等等。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.3 码

15、分多址系统的原理与应用码分多址系统的原理与应用 7.3.1 基本原理 由前面的叙述可以看出,FDMA是以不同的频道来区分不同的信道的一种多址方式,其特点是频带独占,而时间资源可以共享。TDMA是以不同的时隙来区分不同的信道的一种多址方式,其特点是时间独占,而频率资源可以共享。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 CDMA则是利用不同的码型来区分不同的信道，不同的用户分配不同的码型,这些码型互不重叠，其特点是频率资源和时间资源均为共享资源。一个典型的CDMA系统如图7-11所示。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 图 7-11 典型的CDMA系统框图 MS1上行链路下行链路CkC2C1

16、1CMS22CMSkkCBS第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.3.2 Walsh函数 由于Walsh函数(序列)具有良好的正交性能,所以在CDMA系统中,一般采用Walsh函数区分下行通信链路的不同信道。不同阶数的Walsh函数矩阵可以通过递推关系得到。其递推关系如下:第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 nnnnnnnHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH222222241111112101101100101000000第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 7.3.3 实际系统应用 IS-95是由美国Qualcomm公司开发的一个成功的商业CDMA蜂窝移动通信系统标准。本节我们结合该标准,介绍一下CDMA蜂窝通信系统的基本组成和考虑因素。1.IS-95标准的主要参数 1)工作方式和工作频段 IS-95标准采用CDMA/FDD工作方式；其下行链路工作频段为869894 MHz,上行链路工作频段为824849 MHz。第第7 7章章 扩频多址技术扩频多址技术 2)信道数 每一载频有64个信道(码分多址信道);每一小区可分为3个扇区,共用一个载频;每一网络分为9个