第9章-多用户与无线通信讲义.doc

第9章 多用户与无线通信
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数字基带传输——运用各种基带信号传输数字序列

9.1 多址技术
9.2 无线通信链路预算分析
9.3 *多径衰落与信号分集接收技术
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9.1多址技术
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9.1.1 多路复用和多址技术的基本概念
多路复用与多址技术：充分利用通信资源为多个用户提供服务
早期的问题是如何共同使用一条线路上——多路通信。
多个用户共用同一资源的理论基础是正交分割：正交性信号在混合后还可以彼此区分开来。
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最基本的通信资源——频带、时间与空间
（1）频分复用（FDM）：在频域中划分出不重叠的子带；
（2）时分复用（TDM）：在时域中把时隙（称为帧）划分为多个子时隙；

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（3）码分复用（CDM）：借助一组正交编码，使信号之间的码特性彼此正交。

码分多路复用
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应用于无线通信另外两种体制：
（1）空分复用：在空间与地域的不同位置上传输不同信号；
（2）极化复用：利用电磁波垂直与水平的两种正交极化方向。
光纤通信中还采用所谓的波分复用（WDM）：按波长的不同来划分，本质上是一种FDM技术。
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多路复用的基本概念：
多路复用（Multiplexing）技术使一条通线链路可以划分出多条信道供多个用户同时使用。

多址技术的基本概念：
多址（Multiple access）技术指的是位于不同地点的多个用户接入与共用通信系统的技术。

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多路复用和多址技术的异同点：
共同点：基于信号的正交分割原理
不同点：
（1）多址技术侧重于分布于多个地点的多个用户的问题，而多路复用侧重于集中在收、发两个局部区域的用户的问题；
（2）多址技术侧重于处理暂时提出的与不易于预先固定的通信需求，必须动态分配；而复用技术侧重于用户需求固定或至多缓慢变化的，可以预先静态分配。
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9.1.2 FDM/FDMA举例：
模拟电话系统：
1路话音——3100KHz+900Hz保护间隔；
12路——基群，5个基群——超群，10个超群——主群，……

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图9.1.2 FDM模拟电话
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国际著名通信卫星机构（Intelsat）的例子：采用一种固定分配的FDMA制式来传送多路模拟话音。
（1）世界各地多个地面站共用卫星的某36MHz的转发器；
（2）每个站点按预先分配好的频带使用。
图9.1.3 卫星模拟通信的FDMA

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采用一种动态分配的FDMA制式来传送多路数字话音：
信道45kHz：1路PCM数字电话64kbps；采用QPSK调制为38kHz带宽，保护间隔为7kHz；

图9.1.4 卫星数字通信系统的FDMA
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9.1.3 TDM/TDMA举例
1. GSM中的TDM与TDMA
下行（Downlink）——从基站至各用户
上行（Uplink）——从各用户至基站
GSM的每个频道为270.833Kbps的GMSK调制，占用200KHz的带宽。
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1—8个用户采用TDMA体制：
（1）4.615ms为1帧，每帧8个577μs的时隙；
（2）每个时隙承载一个用户的数据。

有的时隙有特殊安排，其结构也有所不同

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2. GSM中的FDM/FDMA与FDD
（1）上、下行以频带分开，称为频分双工（FDD）。上行890~915MHz；下行935~960MHz，相距45MHz。
（2）上、下行频带各25MHz，其中又按200KHz划分为124个频道。
GMS系统联合使用频分与时分支持共124×8=992个信道，保证几百个用户双向通信。
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9.1.4 CDM/CDMA及举例
扩频码彼此正交，即

扩频后复合信号为，。接收方使用解扩，便得到，即

如果正交性差一些，则解出的信号中会包含部分其它信号，这部分残余信号称为多用户干扰（Multiuser interference）。
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美国高通公司（Qualcomm）的IS-95例子：
频分双工（FDD），多个频道频分复用一个较宽的频带。每个1.25MHz带宽的频道上，采用CDMA技术支持多达61个移动用户同时通信。
（1）前面链路（下行）：不同信道采用不同的沃尔什码进行码分多址。
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（2）反向链路（上行）：采用长码扩展后再由短码进行正交扩频，各个用户的信号依靠长码来区分。

图9.1.7 IS-95的前向/反向链路框图
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9.1.5 *随机接入多址技术
1. ALOHA协议
ALOHA协议是一种用于数据通信的随机接入多址协议，也称为P-ALOHA（Pure ALOHA）。

图9.1.8 ALOHA协议的工作过程
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2. CSMA/CD协议
载波侦听多址接入协议（CSMA/CD）：
ALOHA协议的一种改进结果，附加了一个硬件装置，在发送前侦听信道是否空闲并在发送中检测冲突是否出现，这种技术称为载波侦听与冲突检测。

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9.2无线通信链路预算分析
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9.2.1无线传输中的增益与损耗

图9.2.1 无线传输中的增益与损耗
通路的增益为：

或者，

发射天线增益：在天线的最大方向上单位立体角发射的功率与全方向天线的单位立体角发射的功率之比。
接收天线增益为，

自由空间传输路径损耗（Free-space path loss）为

进而，
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9.2.2噪声温度与噪声系数
1. 噪声源
可用噪声功率谱（Available noise PSD）：热噪声源加在匹配负载（）上的时候，可得到最大功率谱。

在噪声宽带B上，可用噪声功率（Available noise power）

，称为该噪声源的噪声温度（Noise temperature）。

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2. 线性双端系统
系统（在频点f处）的点噪声系数（Spot noise figure）为：

低噪系统的F(f)接近于1，而无噪系统的F(f)＝1。
带宽B上的平均噪声系数（Average noise figure）为：

系统的有效输入噪声温度为，它满足，

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3.级联系统

级联系统的增益为：
噪声系数与有效输入噪声温度为：

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例9.1 考虑两个系统级联的情况，证明：
与
证明：第一级与第二级的噪声输出分别为

因为，则整个系统的输出噪声功率为，

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整个系统的有效输入噪声温度为

可见

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9.2.3链路预算分析
将解调前射频（或中频）信号的SNR称为载干比(CNR)，记为（C/N）；而将解调后基带信号的SNR称为信噪比。

等效全向辐射功率(EIRP):＝

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例9.2 如图9.2.5所示为一个典型的地面终端接收机，由一个低噪声射频放大器（低噪声放大器LNA）、下变频器（混频器）、中频（IF）放大器构成。求天线输入端的等效噪声温度。

图9.2.5 地面终端接收机框图

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解：这些组成部分以及接收天线的等效噪声温度为，，与。两个放大器的有效功率增益为与。
于是，接收机的等效噪声温度为

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例9.3 某地球站工作在C频段（频率为6.10GHz），天线增益为54dB，发射功率100W。卫星接收天线增益26dBi，与地球站的距离是37500km。转发器等效噪声温度500K，带宽36MHz，增益110dB。试计算：（1）链路传输损耗（含2dB附加损耗）；（2）转发器输入噪声功率；（3）转发器输入C/N；（4）转发器输出（信号）功率。
解：
（1）自由空间传播损耗：

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（2）噪声功率为，

（3）转发器输入载波功率为

则载噪比为，

（4）转发器输出功率为，–101.6+110=8.4（dBW）。

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9.3 *多径衰落与信号分集接收技术

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9.3.1 无线电波传播机理
反射波是指通过地面或其他障碍物反射到达接收点的电波。
绕射波是指当发射机和接收机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时电波会发生绕射。
散射波是指当电波在传播过程受到遮挡的物体小于波长、且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。

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9.3.2多径衰落信道举例

图9.3.1 窄脉冲在信道传输时的响应

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图9.3.2时变多径信道模型

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9.3.3 瑞利和莱斯衰落信道模型
瑞利衰落信号的幅度可表示为如下概率密度函数：

莱斯衰落信号的幅度可表示为如下概率密度函数：

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9.3.4 时延扩展与相关带宽
时延扩展定义为最大传输时延和最小传输时延的差值，即脉冲展宽的时间
相关带宽（Coherent bandwidth）：
为多径扩展。

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9.3.5 分集技术及分类
通过在N各不同的时隙上传输相同的信息，来获得N条包含相同信息的独立衰落信号副本，其中两条相邻时隙的间隔等于或大于信道的相干时间，这种方法称为时间分集。
在N个OFDM载波频率上传输相同信息，获得N条包含相同信息的独立衰落信号副本，其中两条相邻载波的间隔要等于或大于信道的相干带宽，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号，从而产生分集效果，这种方法称为频率分集。
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若接收端采用多副天线进行接收，只要天线间空间距离足够远，以保证信号的多径分量具有完全不同的传输路径。为了获得独立衰落的信号，一对接收天线之间的距离通常为波长的若干倍，这种方法称为空间分集。

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9.3.6 分集合并技术
选择式分集：接收机监测N个接收信号的功率电平，选择其中功率最强的信号进行解调和检测。
最大比合并：对N个接收信号的功率电平进行估计且修正相位，修正后的解调器输出信号按照接收信号强度（功率电平平方根）比例进行加权，再进行解调和检测。
等增益合并：如果N个解调器输出的相位修正信号叠加后进行解调和检测。
平方律合并：如果通过N条独立的衰落信道来传输信息，则接收端使用非相干解调来处理。此时N个解调器的输出先平方再相加，然后进行解调和检测。
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图9.3.4 N阶分集的二进制数字通信系统模型

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9.3.7 Rake接收机
图9.3.5 Rake解调器
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