第七章 移动通信中的多址接入技术

1. 第七章 移动通信中的多址接入技术

2. 内容 7.1 概 述 7.2 FDMA方式 7.3 TDMA方式 7.4 CDMA方式 7.5 SDMA方式 7.6 系统容量

3. 7.1.1 多址接入的概念 • 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，这就是多址。 • 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多址接入方式的问题 • 多址接入技术:解决多址接入问题的方法。

4. 7.1.2 多址接入方式 • 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MS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。 • 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，即多址接入方式的问题。

5. 7.1.2 多址接入方式 • 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 式中，c(t)是码型的函数；s(f,t)是时间(t)和频率(f)的函数。 • 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址接入时，称为时分多址（TDMA） ；以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址（CDMA） 。 • 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。

6. c 信道1 信道2 c c 信道3 信道N t N 信道 N 3 1 2 t t 信道 信道 信道 信道 3 信道 2 信道 f 1 信道 f f 多址接入方式 CDMA TDMA FDMA FDMA、TDMA、CDMA的示意图

7. 频分多址（FDMA）方式 • 频谱分割原理 • 主要干扰 • 特 点

8. FDMA频谱分割原理 • FDMA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，即为每个用户分配一个信道，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 • 较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道 • 必须同时占用2个信道（2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 • 任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转 • 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 • 用户频道之间，设有保护频隙 FDMA系统频谱分割示意图

9. FDMA的主要干扰

10. FDMA系统的特点 （1）FDMA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 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。 （3）符号时间 >>平均延迟扩展（Ts >> ） ，所以码间干扰较少，无需自适应均衡。 （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 （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。 （6）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，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，瞬时中断问题不大。

11. 7.3 时分多址（TDMA）方式 • 工作原理 • 系统特点

12. MS1 MS2 BS MS3 时隙 帧 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，每一帧再分割成若干时隙，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。 • 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。 TDMA系统工作示意图

13. 一个TDMA帧 时隙1 时隙2 时隙3 …… 时隙N 尾比特 同步比特 信息数据 保护比特 7.3.2 TDMA的帧结构 • TDMA帧是TDMA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（burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧，帧结构示意图如图7.5所示。 图7.5 TDMA帧结构

14. 7.3.3 TDMA系统的同步与定时 • 同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。 • 位同步 • 帧同步 • 系统定时

15. 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TDMA系统中需要较高的同步开销 • 发射信号速率随N的增大而提高，引起码间串扰加大，所以必须采用自适应均衡 • 不需双工器 • 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 • 越区切换简单，可在无信息传输时进行，不会丢失数据

16. 7.4 码分多址（CDMA）方式 • 工作原理 • 系统特点 • 存在问题

17. MS1 C 1 c 1 C MS2 2 MSC C c 2 N BS MSN c N 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，利用公共信道来传输信息 • CDMA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，才能对接收的信号进行相关检测 CDMA系统工作示意图

18. 7.4.2 CDMA中的地址码类型 • 用户地址：用于区分不同移动用户； • 多速率(多媒体)业务地址：用于多媒体业务中区分不同速率类型的业务； • 信道地址：用于区分每个小区或每个扇区内的不同信道； • 基站地址：用于区分不同基站或扇区。 • 常采用m序列、Gold序列、 Walsh 、0VSF序列等。

19. 码序列应具有如下特性 • 有足够多的地址码； • 有尖锐的自相关特性； • 有处处为零的互相关特性； • 不同码元数平衡相等； • 尽可能大的复杂度。

20. 正交Walsh函数（1） • Walsh函数波形 • 连续Walsh函数的波形如图7.7所示，利用Walsh函数的正交性，可作为CDMA的地址码。 2.Walsh函数对应的矩阵 图7.7 连续Walsh函数的波形

21. 正交Walsh函数（2） 3.Walsh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。 • 其中N取2的幂， 是的 补。 • 利用Walsh函数矩阵的递推关系，可得到6464阵列的Walsh序列 • Qualcomm-CDMA数字蜂窝移动通信系统中被作为前向码分信道 ，可支持64个信道。采用64位的正交Walsh函数来用作反向信道的编码调制。

22. 正交Walsh函数（3） • 码字的互相关系数为： • 完全正交：互相关系数为0 • 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。 • 时延色散破坏了码字间的正交性 • 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）。 • 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。

23. 7.4.3 m序列伪随机码 1.m序列的生成 • 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。 • PN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，也称作m序列。由m级寄存器构成的线性移位寄存器构成m序列发生器结构如下图。 • m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。

24. m序列的产生 D1Q1 CP(1) D2Q2 CP(2) D3Q3 CP(3) 输出 1110100 时钟脉冲 Tc (A) Q1 Q2 Q3 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 (B) 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器产生的周期最长的一种序列。它的周期是 （n是移位寄存器的级数）

25. 非m序列产生电路 Q1 Q2 Q3 Q1 Q2 Q3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (b) D1Q1 CP(1) D2Q2 CP(2) D3Q3 CP(3) 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 时钟脉冲 Tc ★一个线性反馈移位寄存器能否产生m序列决定于它的反馈系数 (c)

26. 0 0 1 0 1 1 Out 长码生成示意图 • 以3阶为例 • 初始态：001 • 掩码（mask)：110 • 输出：周期为7的序列 • 当掩码不同时，输出相位不同

27. m序列的随机性质（1） 2.m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。 ① 平衡特性 • m序列一个完整周期P=2m-1内‘1’和‘0’的码元数大致相等（‘1’比‘0’只多一个）。 ② 游程特性 • m序列中连续为“1”或“0”的那些元素称为游程。m序列游程总数为(P+1)/2，长度为k（1≤k≤n-1）的游程占总游程数的1/2k。 ③ m序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的序列还是m序列，只是相位不同。 ④m序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全0外，其它状态在一个周期内只出现一次。 相关特性 • m序列的自相关函数是周期的二值函数。

28. m序列的随机性质(2) • m序列的自相关性 都是取离散值, 下图是 的自相关函数曲线

29. m序列的随机性质(3) • m序列的自相关性 由图可见，当τ=0时，m序列的自相关函数Ra（τ）出现峰值1；当τ偏离0时，相关函数曲线很快下降；当1≤τ≤P-1，相关函数值为-1/P；当时τ=P，又出现峰值；如此周而复始。当周期P很大时，m序列的自相关函数与白噪声类似。

30. m序列的随机性质(4) • m序列的自相关性的计算

31. m序列的随机性质(5) • m序列的互相关性的计算

32. m序列的随机性质(6) • 互相关函数为理想三值函数 • 对于周期为的m序列组，其最好的m序列对的互相关函数值只取三个，这三个值是： • 这三个值被称为理想三值，能够满足这一特性的m序列对称为m序列优选对，它们可以用于实际工程。

33. Gold码（1） • m序列构成优选对的数目很少，不便于在码分多址系统中应用。 • R.Gold于1967年提出了一种基于m序列优选对的码序列，称为Gold序列。 • 由优选对的两个m序列逐位模2加得到，当改变其中一个m序列的相位（向后移位）时，可得到一新的Gold序列。 • Gold系列具有与m序列优选对类似的自相关和互相关特性。

34. Gold码（2） • Gold序列性质 • 由两个优选的m序列异或而成 • 自相关函数有多值，没有m序列好 • 比m序列多得多 • 由于Gold序列具有良好的自相关性质，用于码分多址中区分基站和用户

35. m序列发生器1 ⊕ Gold 序列 时钟脉冲 m序列发生器2 初始状态设置 Gold码（3） • Gold序列的生成 m序列发生器1和2产生的m序列是一m序列优选对，m序列发生器1的初始状态固定不变，调整m序列发生器2的初始状态，在同一时钟脉冲控制下，产生两个m序列经过模2加后可得到Gold序列，通过设置m序列发生器2的不同初始状态，可以得到不同的Gold序列。

36. Gold码（4） • Gold序列的特性 • 相关特性 • 具有与m序列优选对相类同的自相关和互相关特性。 • 当τ=0时自相关函数与m序列相同；当1≤τ≤P-1 时自相关函数取三个理想的值，即最大旁瓣是 。其中t(n)=2[(n+2)/2] +1, [ ]表示取实数的整数部分 • Gold序列的数量 • 周期P=2n-1的m序列优选对生成的Gold序列，总共有2n+1个。 • 随着n的增加，Gold序列数以2的n次幂增长 。

37. Gold码（5） • Gold序列的特性 • 平衡的Gold序列 • 平衡的Gold序列是指在一个周期内‘1’码元数比‘0’码元数仅多一个。 • 对于周期P=2n-1的m序列优选对生成的Gold序列，当n是奇数时，有2n-1+1个Gold序列是平衡的，约占50%；当n是偶数（不是4的倍数）时，有2n-1+ 2n-2+ 1个Gold序列是平衡的，约占75%。 • 只有平衡Gold序列才可以用到码分多址通信系统中去。 • 在WCDMA系统中，下行链路采用Gold码区分小区和用户，上行链路采用Gold码区分用户。

38. OVSF码树（正交可变扩频比）1 • 扩频过程中，不同的业务、不同的信息速率要采用不同的扩频比，才能达到同一信道传送的码率。 • 同一小区，多个用户可以同时发送不同的多媒体业务，为防止多个 用户不同业务的干扰，设计一类满足不同速率多媒体业务和不同扩频比的正交码。

39. OVSF码树（正交可变扩频码）2 SF = 1 SF = 2 SF = 4 SF = 256 CC 256,0 CC 256,1 CC = (1,1,1,1) 4,0 CC 256,2 CC = (1,1) 2,0 同一生成分支的码组不能同时使用 • CC = (1,1,-1,-1) CC = (1) 4,1 1,0 • • • • • CC = (1,-1,1,-1) 4,2 CC = (1,-1) 2,1 CC 256,255 CC = (1,-1,-1,1) CC 4,3 256,256 CC = (1) 1 CC CC 1 1 CC = CC = n /2 n /2 2 CC - CC n 1 -1 n /2 n /2 信道化码生成式： 码周期相同的所有码彼此正交；周期不同的码，仅当它们位于树的不同分支上时才会彼此正交，如CC2,1和CC4,1是正交的，CC2,1和CC4,3是不正交的。

40. 1 11 10 1111 1100 1010 1001 11111111 11110000 11001100 11000011 10101010 10100101 10011001 10010110 1100110011001100 Digital/Analog Mapping logic 0  analog +1logic 1  analog - 1 正交可变扩频码的产生3

41. 1 Chip Rate = 3.840 Mcps User with 4x Bit Rate 11 10 1.92 Mb/s 1111 1100 1010 1001 11111111 11110000 11001100 11000011 10101010 10100101 10011001 10010110 480 kb/s 480 kb/s 480 kb/s 480 kb/s = Unusable Code Space 正交可变扩频码的空间－－５个用户-4

42. 7.4.5 CDMA系统的特点 • 多用户共享同一频率 • 通信容量大 • 容量的软特性 多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象 • 由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落 • 信道数据速率很高，无需自适应均衡 • 平滑的软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断 • 低信号功率谱密度的好处 • 抗窄带干扰能力强 • 对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段

43. CDMA系统的软切换过程 • 每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态 • 当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换 Play

44. CDMA系统存在问题 • 多址干扰 • 原因 不同用户的扩频序列不完全正交，扩频码集的非零互相关系数会引起用户间的相互干扰 • “远-近”效应 • 原因 移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存在，会使基站接收到的各用户信号功率相差很大，强信号对弱信号有着明显的抑制作用 • 解决方法 使用功率控制

45. 7.5 空分多址（SDMA）方式 • 通过空间的分割来区别不同的用户，在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束。 • 常与FDMA、TDMA、CDMA结合使用

46. SDMA的工作原理 • 使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束 • 相同的频率（在TDMA或CDMA系统中）或不同的频率（在FDMA系统中）用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域 SCDMA 系统工作示意图

47. 蜂窝系统中反向链路的困难

48. 自适应式阵列天线 自适应式天线提供了最理想的SDMA • 无穷小波束宽度 • 无穷大快速搜索能力 • 提供在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道 • 克服多径干扰和同信道干扰

49. 7.6 蜂窝移动通信系统的容量分析 蜂窝系统的无线容量可定义为： 信道/小区 其中 m——无线容量大小 Bt——分配给系统的总的频谱 Bc ——信道带宽 N ——频率重用的小区数

50. 7.6.1 FDMA和TDMA蜂窝系统的容量 • 对于模拟FDMA蜂窝移动通信系统, 频率重用的小区数为N，N由所需的载干比决定，即 • 则FDMA的无线容量 信道/小区 • 对于数字TDMA系统 数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小4~ 5dB（因数字系统有纠错措施），因而频率复用距离可以再近一些。可采用N=4、3的复用方式。 则TDMA的无线容量 其中，设载波间隔为Bc，每载波共有M个时隙，则等效带宽为