4多址技术.pptx

清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室第四讲第四讲多址技术多址技术肖立民肖立民清华大学微波与数字通信国家重点实验室清华大学微波与数字通信国家重点实验室2002年年3月月 广州广州清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室内容提要内容提要概述频分多址（FDMA）时分多址（TDMA）扩谱技术码分多址（CDMA）空分多址（SDMA）清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室概概 述述清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室多址传输模型多址传输模型(1)(1)共有N个地址，第k个地址发送的信号为：其中skj(t)为kj的信号，akj=1或0k多址信道sk(t)rk(t)清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室多址传输模型多址传输模型(2)(2)第k个地址接收的信号为：其中Lik为ik的传输系数，nk(t)为k的接收机噪声。说明：清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室多址传输模型多址传输模型3)(3)要实现多址通信，必需在k站分离出其它各站送给它的信号：rk(t)M1k()M2k()MNk()s1k(t)s2k(t)sNk(t)清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室多址传输模型多址传输模型(4)(4)图中Mnk()是对r(t)进行某种运算的算符，在不考虑噪声的情况下：多址传输的主要问题是选择合适的波形集sij(t)和相应的算符集 Mnk()，以满足正交分割的要求。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室信号分割技术信号分割技术信号的分割正交FDMATDMASDMA非正交CDMA清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室双工技术双工技术多址还要考虑双工方式FDD：收发频率分开、接收和发送通过滤波器来完成；特点：合理安排频率；TDD：收发共用一个频率、接收和发送通过开关来完成；特点：收发存在时间间隔。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室各种系统各种系统双工方式和多址方式要统一考虑；主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA；窄带系统采用方式：FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD；宽带系统采用方式：TDMA、CDMA/FDD、TDD；空分多址（SDMA）是一种辅助方式。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室各种系统（续）各种系统（续）CDMA/FDD美国窄带扩频（IS95）TDMA/TDD欧洲数字无绳电话（DECT）FDMA/TDDCT2（无绳电话）TDMA/FDD日本数字蜂窝（JDC）TDMA/FDD美国数字蜂窝（USDC）TDMA/FDD全球移动通信系统（GSM）FDMA/FDD高级移动电话系统（AMPS）多址技术蜂窝移动 通信系统清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室频分多址频分多址FDMA清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理工作原理这是频率域上的正交分割。信号集采用在频谱上互不重叠载频，算符集采用不同载频的带通滤波器。f1f2f3f4f5f6f5Sij(f)Mnk()ff清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理（续）工作原理（续）这时，nk的选址输出为：()()()()()()()tntMtsaLtrMkjniokjnitststMknknknknkknknkijnk*+=*或,()()()()()()()tntMtstMaLtrtMtrMknkNiNjijijnkijikknkknk*+*=*=11Q清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室信道配置信道配置FDMA/FDD、TDD信道配置图代码时间频率信道1信道2信道3信道n清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室技术特点技术特点FDMA通常在窄带系统实现；符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；不间断发送，系统额外开销少；系统简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰，消除基站的杂散 辐射。信道非线性是FDMA系统的主要矛盾。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室FDMA的非线性效应的非线性效应由于发射机功率放大器的非线性，会产生：l频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，会产生频谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。l信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，会产生大信号抑制小信号的现象，影响通信效果。l交调噪声：多载波的发送信号经过非线性信道，在发送信号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成干扰。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室交调举例交调举例例：IMmf1+nf2，m,n为任意整数，如：f1=930MHz，f2=932MHz，求落在工作频率为19201940MHz的交调频率。解：可能的频率有：（2n+1）f1（2）2nf2（1），（2n+2）f1（2）（2n+1）f2（1）等等，n=0,1,2.1946*1942*193819341944*19401936193219161920192419281918192219261930n=3n=2n=1n=0清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室关键技术问题关键技术问题需要很好解决信道的非线性问题目标：希望保持发送频谱的形状，主瓣不会展宽，旁瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率分量。方法：（1）采用高线性度的功率放大器；（2）合理配置频率避开交调分量；（3）功率放大器的输出功率倒退法；（4）功率放大器的线性补偿法。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室典型应用举例典型应用举例美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分配频率；同时支持的信道数：N（Bt2B保护）/Bc Bt 系统带宽，Bc信道带宽，B保护为分配频率时的保护带宽。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室典型应用举例（续）典型应用举例（续）例：例：如Bt为12.5MHz，B保护 为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系统的有效信道数。解：解：N（Bt2B保护）/Bc 将上述数值代入即有N416清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室时分多址时分多址TDMA清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理工作原理这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符集采用相应时隙的选择开关。t1t2t3t4t5t4ttsij(t)Mnk()清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理（续）工作原理（续）这时，nk的选址输出为：清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室信道配置信道配置TDMA/TDD、FDD 信道配置图代码时隙时间频率信道N信道1信道2信道3清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室TDMA帧结构帧结构TDMA帧头比特信息尾比特时隙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清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室技术特点技术特点多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和调制技术等；数据分组发送，不连续发送，需开关；由于速率较高，往往需要采用均衡器；系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等；采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室TDMA的效率的效率系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销；帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室TDMA系统的信道数系统的信道数总的信道数：总的TDMA时隙数。即每一信道的TDMA时隙数乘以有效信道数。N(m(Btot2B保护)/Bc m为每个信道所支持的TDMA用户数，Btot信道带宽，B保护保护带宽，Bc用户带宽。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室应用举例应用举例例：例：GSM系统，总带宽25MHz，一个信 道200KHz，具有8个TDMA用户，未设保护带宽，求总用户数。解：解：Bc200/825KHz N25106/25 1031000清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室TDMA的关键技术问题的关键技术问题数据缓冲技术突发解调技术分帧同步技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室实现均匀突发和突发均匀的变换数据缓冲技术数据缓冲技术发缓冲收缓冲发送均匀数据发送突发数据接收突发数据接收突发数据清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室关键技术是解调过程中的载波快速同步与时钟快速同步。载波快速同步的一种方法：延时相干解调时钟快速同步的一种方法：步进相位选择突发解调技术突发解调技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室分帧同步系统的重要性分帧同步的指标：建立时间、保持时间、同步精度分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率为了减少传播延时变化所带来的影响，需要采用自适应时隙跟踪方法分帧同步技术分帧同步技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室码分多址码分多址CDMA清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA技术的分类技术的分类直扩码分多址（DS-FHMA）跳频码分多址（FH-CDMA）混合码分多址（Hybrid-CDMA）清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA特点特点方法：窄带调制信号与伪随机序列（PN码）直接相乘（直扩），或由PN序列控制载波发射频率（跳频），达到展宽频谱的目的。性能：（1）各用户使用同一频段，频谱效率较高；（2）具有抗多径、抗干扰特性；（3）采用RAKE接收机提高抗多径性能；（4）PN码具有类似噪声的性能；（5）发射谱密度低，信号隐蔽。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室直扩码分多址直扩码分多址（DS-CDMA）扩频方法：用PN码进行乘法调制。解扩方法：相关、匹配滤波等。处理增益：GW/B。多址时存在远近效应。具有一定的抗干扰、抗衰落特点。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理工作原理这是子码域上的正交分割。信号集采用互相正交的地址码序列，算符集采用地址码相关器。i1i2iNCi1(t)Ci2(t)CiN(t)i地址发ij地址收Cij(t)清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理（续）工作原理（续）令发送信号为：nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理（续）工作原理（续）这时nk的选址输出为：清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室工作原理（续）工作原理（续）关于码型噪声的讨论。关于码型噪声的讨论。在忽略Lik,aij,Iij(t)各项的情况下，码型噪声取决于：这实际上是全部地址码互相关之和。如果：nc(t)=0，地址码理想正交，属于正交分割；如果：nc(t)0，地址码非正交，属于非正交分割。码分多址的首要问题是选择尽量好的正交码组。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室信道配置信道配置DS-CDMA信道配置图频率时间代码C1C2CN清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室DS-CDMA系统的参数系统的参数信息速率：原始信息的速率码片（chip）速率：地址码速率扩频比：码片速率和信息速率的比值地址码周期、地址码码长地址码的正交性及数目地址码的同步及捕获性能清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室扩频的实现扩频的实现扩频过程框图扩频（模二和）BPSK调制信息码地址码载波发端已调信号发送码清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室扩频的实现（续）扩频的实现（续）扩频过程波形1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1 0 1 1 1 00001101 1110010 0001101 0001101 0001101 1110010信息码地址码发送码0000 000 0000 0000 0000 000发端已调信号清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室解扩的实现解扩的实现解扩过程框图解扩（相乘）BPSK解调接收信号参考地址码参考载波收端信息码接收信号（扩频）（解扩）清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室扩频的实现（续）扩频的实现（续）解扩过程波形 1 0 1 1 1 01110010 1110010 1110010 1110010 1110010 1110010 0 0收端信息码参考地址码接收信号（解扩）0000 000 0000 0000 0000 000接收信号（扩频）清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室DS-CDMA关键技术关键技术地址码的选择地址码的捕获与跟踪远近效应与功率控制清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室地址码的选择地址码的选择介绍一种常用的地址码：PN码（伪噪声码）。最典型的是m序列，即：最长线性移位寄存器序列。模二和TTT移位时钟m序列输出清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室地址码的选择（续）地址码的选择（续）m序列的性质：类似于噪声，所以也称为伪噪声序列由n级移位寄存器产生的m序列，其周期为2n1。除全0状态外，n级移位寄存器可能出现的各种状态都在m序列的一个周期中出现，而且只出现一次。m序列中“0”码和“1”码个数大致相同。将m序列循环移位后还是一组m序列。m序列的自相关函数：2n11012移位数清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室地址码的选择（续）地址码的选择（续）m序列具有很好的自相关及互相关特性，因而在无线及移动通信中有广泛的使用。但是，应该注意m序列不是一种理想正交序列，因此当用户数增加时，会引入很大的码型噪声干扰。如何选择正交码组？对m序列的改进，如：插入一些“0”。构造新的地址码，如：Gold序列、Walsh序列。良好自相关、互相关及正交的前提是地址码的同步，如果不能达到准确的同步，会引入附加的码型噪声，严重影响CDMA系统的正常工作。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室地址码的捕获与跟踪地址码的捕获与跟踪这是码分多址的一项关键技术，可以分为二个过程：（1）确定地址码的相位，称为捕获。（2）维持地址码相位的同步，称为跟踪。采用方法举例：（1）捕获可以采用匹配滤波器。（2）跟踪可以采用延迟锁定环。地址码一帧捕获跟踪清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室地址码的捕获与跟踪（续）地址码的捕获与跟踪（续）匹配滤波器和延迟锁定环的组合。匹配滤波器鉴相鉴相低通低通相加环路滤波器VCOPN码发生器超前码迟后码接收码延迟锁定环清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室地址码的捕获与跟踪（续）地址码的捕获与跟踪（续）延迟锁定环的鉴相特性/Tc0.511.5-0.5-1-1.5清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室远近效应与功率控制远近效应与功率控制什么叫做远近效应？首先说明CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地址码不可能完全正交。即使采用理想的正交码和理想的正交分割，但由于信道传输及同步电路的不理想，会产生码型噪声。假定所有的用户发送功率都一样，则来自不同地址的码型噪声由于传输距离不同（即传输衰减不同）就会有很大的差别，特别对于那些距离很近的用户，产生的码型噪声将会很大，因而造成接收干扰的提高，有效用户数的降低。这就是CDMA系统的远近效应。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室远近效应与功率控制（续）远近效应与功率控制（续）解决远近效应的方法之一：功率控制开环功率控制闭环功率控制基站移动台用移动台检测下行的衰落，控制移动台的发送功率用基站检测上行的衰落，并把信息发给移动台，控制移动台的发送功率清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室DS-CDMA的优点的优点用户共享一个频率，无需频率规划；PN码的正交性；远近效应：功率控制；具有软容量限制，用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好；抗多径衰落：固有的频率分集；利用宏分集可以实现软越区切换；多用户干扰：PN码不完全正交；利用多用户检测提高系统性能和容量；利用多径，采用RAKE技术提高系统性能。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室跳频码分多址跳频码分多址（FH-CDMA）实现方法：在发送端用PN码控制频率合成器，发射频率随PN序列在一定带宽跳变；在接收端实现本振的同步跳频，然后还原成某个固定中频，进行解调。处理增益：GW/B。多址通信时没有远近效应。具有良好的抗干扰特点。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室跳频码分多址（续）跳频码分多址（续）（FH-CDMA）发送信息码中频调制上变频跳频本振跳频码发送信号跳频本振下变频解调跳频码捕获参考中频接收信号接收信息码清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室进一步说明进一步说明采用跳频实现多址；每个地址分配不同的跳频序列；安全性能好、抗干扰能力强；跳频同步跟踪是关键技术难点；存在深度衰落、存在频率碰撞问题；一般要求采用纠错编码和交织编码措施；纯跳频系统多用于军方抗干扰通信中。空分多址空分多址62清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室概概 念念空分多址方法之一：蜂窝划分空分多址方法之二：扇区划分ABCDEFGHIABCDEFGH清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室利用天线实现空分多址利用天线实现空分多址控制用户的空间辐射能量；使用定向波束天线服务于不同用户；扇形天线是一种基本方式；自适应天线，效果更好；最适合和TDMA及CDMA系统结合。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室关键技术问题关键技术问题需要很好解决天线的自适应定向问题。目标：天线具有良好的波束，并能对用户进行快速跟踪。方法：天线阵技术和自适应技术。混合多址混合多址66清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室混合多址技术混合多址技术混合频分/码分多址（F/CDMA）混合直扩/跳频码分多址（DS/FH-CDMA）混合直扩/时分多址（DS/TDMA）混合跳频/时分多址（FH/TDMA）清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室混合频分混合频分/码分多址码分多址F/CDMA宽带CDMA频谱窄带CDMA频谱清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室混合直扩混合直扩/跳频码分多址跳频码分多址DS/FH-CDMA信道中的码组其它码组信道DS/FH-CDMA系统频谱清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室直扩直扩/时分多址时分多址（DS/TDMA）不同小区分配不同的扩频码；一个小区分配用户一个特定时隙；不存在远近效应；实际上是TDMA，扩频只是抗干扰。清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室CDMA移动通信技术多址技术清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室跳频跳频/时分多址（时分多址（FH/TDMA）实际上是TDMA；一帧一跳；避免邻近小区同信道干扰问题；抗严重衰落和碰撞事件；GSM标准采用，能成倍增加容量。