第10章 多址技术课件.pptx

第十章 多址技术引言 多址技术是多用户通信系统的关键技术之一，其核心就是让多个用户能够在给定的通信资源下同时通信。 多址技术总体上可以分为两大类， 一类是有中心的集中控制， 一类是无中心的分布式控制（也称为随机多址）。 本章主要讨论有中心的集中控制多址技术，这种多址方式的主要特点是单点对多点， 其中的“单点”通常称为基站、中心站或者接入点， “多点”是多个通信节点的集合，其中的每个通信节点称为用户或者移动台。 多点通信必须保证系统的有序性，也就是说，系统的时间、频率、空间及功率等通信资源在分配给不同的用户使用时，要按照一定的规则来进行。 多址技术不仅要满足多用户都能正常通信的要求，还要尽可能优化地分配有限的通信资源，在一定频谱资源的条件下，使系统能够容纳的用户数尽可能多或传输速率尽可能高。第10章 多址技术210.1 概述 多址技术的实现方式主要有两大类，即受控的集中式多址和分布式随机多址。 集中式多址存在一个集中式的协调机构（即基站或接入点）来管理和分配通信资源，这种方式需要较高的信令成本，但易于保证通信质量，因此特别适用于连续的、且对实时性要求较高的业务，移动通信运营商多采用此类多址方式。 分布式随机多址则无需协调机构来统一管理，每个用户基于本地知识自主使用通信资源，可能导致相互冲突干扰。产生冲突的各方可以通过某种协调机制，从而在冲突发生后自主解决冲突所产生的问题，保证通信的有序进行。 随机多址的典型技术有ALOHA、时隙ALOHA、载波侦听多址接入（Carrier Sensing Multiple Access，CSMA）等。 选用什么样的多址方式取决于通信系统的应用环境和要求，无论哪种多址方式，其核心议题都是在通信资源有限的条件下努力容纳更多的用户和业务，提高通信系统的容量。第10章 多址技术310.1.1 上行链路和下行链路 根据多用户位于接收端还是发射端，可以将通信链路分为下行链路和上行链路两种类型 下行链路实现单点到多点的通信，也称前向链路 上行链路完成多点到单点的通信，也称为反向链路第10章 多址技术410.1.2 双工方式 通信系统的双工方式，一般可以分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种。 单工通信是指通信双方中，一方只能进行发送，另一方只能进行接收，也即通信发生在一个发射机和一个接收机之间。单工通信的典型例子是寻呼系统。 半双工通信是指通信双方都可以进行发射或者接收，但是对任意一方来讲，发射和接收不是同时进行，而是交替进行的。对讲机普遍采用了半双工的通信方式。 实现半双工通信时，既可以采用同频半双工方式，也可以采用异频半双工方式。 全双工通信是指通信双方中的任何一方，都可以同时进行发送和接收。在无线通信环境下，传统的全双工通信方式主要有两种，即频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。第10章 多址技术510.1.2 双工方式 FDD利用不同的频率范围（一般称为频道）来区分发送和接收信道，也就是说发送和接收分别在不同的频道上进行。 在采用FDD的集中式多址技术中，通常下行频率高于上行频率。 在FDD中收发往往共用一副天线, 需要在收发单元和天线之间插入双工器。双工器是一种特殊的双向三端滤波器，既要将天线接收到的微弱信号有效地耦合到接收机，又要将较大功率的发射信号有效地馈送到天线上去，同时还要求经由双工器泄露到接收机的发射功率特别低才行，即保证收发之间足够的隔离度。第10章 多址技术610.1.2 双工方式 TDD利用不同的时间来区分发送和接收信号。在TDD中收发信机一般工作在相同的频道上，但它们在不同的时刻进行发送和接收。 为了降低对通信双方同步精度的要求，同时避免发送和接收之间的相互影响，接收和发送的时间应互不重叠，并应保留一定的时间间隔。 这里特别需要注意TDD和半双工的差别。 TDD的优点是 由于收发是在相同频道上进行的，收发信道的衰落特性具有一致性，也称为信道互易性。 收发信机在共用天线时，不需要采用双工器 在使用TDD的集中式多址技术中，还可以根据具体业务的特点灵活的调整上下行链路占用的时间，第10章 多址技术710.1.3 多址技术分类 多址技术将通信资源分配给不同的用户使用，具体的通信资源不同，对应的多址技术也不同。 频分多址（FDMA）将不同的频率分配给不同的用户，各个用户使用不同的频率同时通信 时分多址（TDMA）将不同的时隙分配给不同的用户，各个用户使用同一频率上的不同时隙顺序通信 码分多址（CDMA）将不同的扩频码序列分配给不同的用户，各个用户同时使用相同的频率，依靠扩频码序列区分彼此。 这三种多址方式既可单独使用，也可混合使用，而且在无线通信网中通常混合使用 除以上三种基本的多址技术以外，随着OFDM及大规模多天线技术的使用，进一步出现了空分多址（SDMA）、正交频分多址（OFDMA）以及非正交多址（NOMA）等多种新型多址技术。 频道和信道两个容易混淆的概念。通常将分配给用户使用的通信资源称为信道，而频道则是特定的一段频率范围。第10章 多址技术810.1.3 多址技术分类第10章 多址技术910.2 频分多址 FDMA 频分多址是指将系统的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（也称信道）供不同的用户使用。 每个用户分配一个频道，不同用户占用的频道不同，同一时刻一个频道只能供一个用户使用，频道之间一般设有保护频段。 由于移动台的发射频率范围（即上行频段）与接收频率范围（即下行频段）不同，因此移动台之间不能直接传输信息，需要基站中转，两个移动台相互通信需要占用两对双工信道（4个频道）。第10章 多址技术1010.2 频分多址 FDMA第10章 多址技术1110.2 频分多址 FDMA 使用频分多址的第一代模拟蜂窝通信系统的特点 通常带宽较窄（25-30KHz），每个频道只能传输一个用户的业务； 用户分配FDMA信道后，即使没有话音传输，信道也不能被其他用户使用； 移动台和基站在建立通信链路后，连续不断发射信号，由于传输不间断，故同步开销小； 传输速率低，符号周期通常远大于多径时延扩展，码间干扰不明显，信号经历平坦衰落，一般不需要采用均衡技术。 由于基站同时在多个频道上发送多个用户的信号，因此具有较大的峰均比，当采用非线性放大器时，易产生互调干扰。第10章 多址技术1210.3 时分多址 TDMA第10章 多址技术1310.3 时分多址 TDMA TDMA系统的双工方式可以采用FDD，也可以采用TDD。 在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上传输第10章 多址技术1410.3 时分多址 TDMA 在TDD方式中，时间划分成上行帧（用于移动台发送）和下行帧（用于移动台接收）两部分，上/下行帧工作在相同的频率上。 上/下行帧再进一步分成若干时隙，其具体的组织方式又有两种。第10章 多址技术1510.3 时分多址 TDMA第10章 多址技术1610.3 时分多址 TDMA 时分多址系统的特点主要有 由于用户仅在特定时隙发送信息，因此移动台的发送是不连续的。这个特点能够有效降低移动台的电量消耗，因为可以在非工作时隙（大多数时间）关闭移动台的发射机电源。 由于用户仅在特定时隙接收信息，因此移动台的接收也是不连续，这个特点在移动通信系统中非常有用。因为移动台可以在空闲期间监测其他相邻基站的信号质量，利于实现移动台辅助的过区切换，从而极大地提升系统用户容量。下一章专门讨论该问题。 即使在FDD方式下，只要上下行时隙错开一段时间，发射和接收无需同时进行，这样就可以在收发共用一副天线时使用单刀双掷电子开关来代替双工器，从而减小设备的成本和体积。 每个用户只能在给定的时隙发送和接收，而且每个时隙采用的是突发的传输方式，因此每个时隙均需进行同步和信道估计，系统开销较大。 由于一个频道要传输多个用户的信息，因此传输速率通常较高，占用带宽较大，符号周期通常小于多径时延扩展，更容易受到频率选择性衰落的影响，码间串扰严重，接收机需要使用均衡器来消除ISI。 可以根据用户的业务不同，为其分配不同数目的时隙，将多个时隙捆绑在一起为用户提供按需使用带宽的服务，从而实现变速率通信。第10章 多址技术1710.3.1 时隙结构设计 设计TDMA时隙结构，需考虑下面几个主要问题： 随路信令信息的传输：在每个时隙中，专门划出部分比特用于随路信令信息的传输。 多径传播的影响：由于一个频道要传输多个用户的信息，因此传输速率通常较高，占用带宽较大，符号周期通常小于多径时延扩展，更容易受到频率选择性衰落的影响，码间干扰ISI严重，接收机必须使用均衡器消除ISI，为此需要在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列；由于信道通常是时变的，因此需要周期性插入训练序列，通常训练序列的周期要小于信道的相关时间。 多用户间上行同步：上行链路的每个时隙中要留出一定的保护间隔（不传输任何信号）， 即每个时隙传输信息的时间要小于时隙长度。设置保护间隔是为了避免上行用户时隙碰撞，实现多用户之间的上行同步。节将对保护间隔进行详细的说明。 接收机的定时同步：每个时隙中都要传输同步序列，以帮助接收机获得载波同步和位定时同步。同步序列和训练序列可以分开传输，也可以合二为一。第10章 多址技术1810.3.1 时隙结构设计 典型的TDMA时隙结构如图所示 在时隙中设置一定的功率上升和功率下降时间，为发射机的打开和关闭设置保护时间。 前置序列、中置序列以及后置序列都是对接收端已知的冗余数据，用作载波同步、位同步及训练序列等。 保护间隔是一段空闲时间，在其中不传输任何数据，用于保证各个时隙之间的正交性不被破坏（即互不重叠）。 数据字段为实际传输的有效载荷，也即业务数据。在时隙结构设计时，需要尽可能增大数据部分所占的比重，以提高频谱效率。第10章 多址技术1910.3.2 保护间隔与时间提前量第10章 多址技术2010.3.2 保护间隔与时间提前量第10章 多址技术2110.3.2 保护间隔与时间提前量第10章 多址技术2210.3.2 保护间隔与时间提前量第10章 多址技术2310.3.2 保护间隔与时间提前量第10章 多址技术2410.3.2 保护间隔与时间提前量第10章 多址技术2510.3.2 保护间隔与时间提前量第10章 多址技术2610.4 码分多址CDMA CDMA技术基于直接序列扩频调制，所有用户同时工作在相同的载波频率上，不同的用户使用不同的扩频码序列分别进行扩频调制，这些扩频码序列相互正交或者准正交。 在CDMA通信系统中，不同用户的传输信号不是靠频率或时间来区分的，而是用各不相同的扩频序列来区分的。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号在这两个维度上是完全重叠的，接收机必须使用相关器从叠加信号中选出其中使用预定扩频码序列的信号。 在CDMA蜂窝通信系统中，为了实现双工通信，下行链路和上行链路可以使用不同的频道，即频分双工FDD；也可以使用不同的时间，即时分双工TDD。第10章 多址技术2710.4.1 扩频码序列 在CDMA系统中，扩频序列除了需要具备良好的自相关特性外，还需具备以下两个条件： 序列族中不同序列之间具有良好的互相关特性，即要求接近于零的互相关值； 序列族中应该包含足够数量的序列分配给用户使用，从而保证用户容量。 兼具理想的自相关特性和互相关特性且具有大量序列的单一类型的伪随机序列是不存在的，此时可以考虑采用复合序列。 通常采用具有理想互相关特性（即完全正交）的序列族作为CDMA系统的扩频序列。 Walsh序列族就是一种具有理想互相关特性的正交序列族，不同阶数的Walsh序列族可由哈达玛（Hadamard）矩阵得到。第10章 多址技术2810.4.1 扩频码序列第10章 多址技术2910.4.2 多址干扰与远近效应 在CDMA系统中，为了保证足够的扩频码个数，不同信道采用的扩频序列是准正交的，这样不同的信道之间就会产生CDMA特有的多址干扰（MAI）。 CDMA系统中所有用户使用相同的频率，多个用户各自发送的直扩信号叠加在一起进入基站接收机。当基站需要从中解调任意一个用户的信息时，除了所希望的有用信号外，还收到了其它用户的信号，且不同用户使用的扩频码序列不是完全正交的，因此解扩时，就不能把它们完全抑制，从而会对该用户信号造成干扰。这种由于采用码分多址技术而引入的用户间干扰，称为MAI。第10章 多址技术3010.4.2 多址干扰与远近效应 多址干扰的强弱与扩频码的正交性有关，同时还与干扰信号的强度有关。 远近效应 假设不同的移动台发射功率相等，在整个工作过程中保持不变 移动台在小区内的位置是随机变化的，某个移动台在某一时刻可能处于小区边缘，但其他时刻又可能靠近基站。 如果移动台的发射机功率按照最大通信距离设计，则某个移动台驶近基站时，它的信号就会变强，对于基站接收机来讲，能够从接收信号中更好地检出该移动台的信号，但同时必然会对其它距离基站比较远的移动台的信号产生非常严重的干扰，不利于基站检出其他移动台的信号。 “远近效应”，靠近基站的移动台的信号很好，但远离基站的移动台的信号很差 为了解决这个问题，可以采用功率控制技术或者多用户检测技术。第10章 多址技术3110.4.2 多址干扰与远近效应 功率控制是指控制基站或者移动台的发射功率，使其信号在到达接收机时刚好满足通信质量的信干比要求。过大的功率不会显著提高接收信号的质量，反而会对其他用户形成不必要的干扰。 按照功率控制的目标和方向，功率控制可以分为反向功率控制和正向功率控制。 反向功率控制也称上行链路功率控制，其主要目标是使任意位置的移动台发出的信号在到达基站接收机时，都具有相同的电平，而且刚好达到满足通信质量要求的信干比门限. 正向功率控制也称下行链路功率控制，其目标是在保证本小区移动台的信号质量的前提下，对其它小区下行链路上的多址干扰最小化。第10章 多址技术3210.4.2 多址干扰与远近效应 功率控制的类型，按移动台和基站是否同时参与，可将分为开环功率控制和闭环功率控制两大类。 开环功率控制不需要接收机参与反馈，发射机直接按照某种策略对其发射功率进行控制。一般采用的方法是，根据接收到的对方的信号质量，判断其与对方的距离，从而调整其发射功率。但是在FDD双工方式中，上行和下行链路的信道衰落情况并不一定相关，此时实施开环功率控制的精度不会很高，只能起到粗略控制的作用。 闭环功率控制则需要接收机的参与和反馈，它的原理是接收方根据接收到的信号质量好坏，通过额外的链路向发送方进行反馈，发送方根据反馈信息对其发射功率进行调整。闭环功率控制的优点是控制精确，但需要额外的信令信道来实现信息反馈。 在移动通信系统中，一般上行链路采用闭环功率控制，以便移动台能有最小的功率消耗，而下行链路则多采用开环功率控制，以减小信令的开销。第10章 多址技术3310.4.2 多址干扰与远近效应 多用户检测 每个用户使用的扩频码对于基站来说都是已知的，基站可以利用这一点同时解调所有用户的信息，即多用户检测。多用户检测可以在充分考虑多用户之间相互干扰的基础上，解出每个用户发送的扩频信号，因而在CDMA移动通信系统的基站侧特别有用。第10章 多址技术3410.4.3 码分多址的容量第10章 多址技术3510.4.3 码分多址的容量第10章 多址技术3610.4.3 码分多址的容量第10章 多址技术3710.4.3 码分多址的容量 画出了不同用户数条件下，CDMA系统中单个用户的归一化信道容量曲线，作为对比，还画出了FDMA和TDMA系统下单个用户的归一化信道容量曲线。第10章 多址技术3810.4.4 码分多址的特点 CDMA的主要特点可以概括如下： 多址干扰和远近效应：CDMA系统中特有的多址干扰很容易产生远近效应。解决这个问题的的最简单有效的技术是功率控制技术，功率控制是CDMA系统得以商用的核心关键技术之一。 软容量：CDMA系统的全部用户共享一个无线信道，完全依靠扩频码来区分每一个用户信号，系统可容纳的用户数量主要受限于多址干扰。也就是说码分多址系统的容量没有硬限制，可以在一定的范围内浮动。因此当系统重载运行时，再增加少数用户只会引起话音质量的轻微下降（或者说信干比稍微降低），而不会出现没有可用信道分配的现象。 软切换：CDMA蜂窝系统具有“软切换”功能。即在越区切换的起始阶段，由原小区的基站与新小区的基站同时为越区的移动台服务，直到该移动台与新基站之间建立起可靠的通信链路后，原基站才中断它和该移动台的联系。软切换功能既可以保证越区切换成功的概率，又可以利用两个基站的分集效果提高越区切换时的通信质量。 抗衰落：CDMA蜂窝系统以扩频技术为基础，因而它具有扩频通信系统所固有的优点，如抗干扰、抗多径衰落等。另外还可以使用RAKE接收机充分利用多径信号以提高接收信号质量。第10章 多址技术3910.5 空分多址SDMA 空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）的基础是具有尖锐方向性且方向可以灵活变动的定向天线，通过利用这种定向天线的方向性来区分信道，实现信道在空间上的划分。 若采用自适应阵列天线实现空分多址，可在不同的用户方向上形成不同的波束，理想情况下，自适应天线具有极窄的波束和快速的跟踪速度，可为小区内每个用户提供不同指向的波束。第10章 多址技术4010.5 空分多址SDMA SDMA可以从多方面改善通信系统的性能，减少干扰和多径衰落，提高频谱利用率，其主要特点如下： 减小干扰；SDMA技术具有空间滤波器的作用，将信号辐射限制在某个较小的角度内，减少了在其它方向上的干扰。 减少时延扩展和多径衰落；时延扩展是由多径传播引起的，使用SDMA后，在期望信号方向上形成定向波束，抑制了其他方向上的多径信号，从而消除了部分多径时延分量，降低了小尺度衰落的强度，在某些空旷的传播环境中，甚至可以消除多径衰落。 增加用户容量；可以在有限频谱内支持更多的用户，从而成倍提高用户容量和频谱效率。第10章 多址技术4110.6 正交频分多址接入OFDMA 正交频分复用OFDM能够很好地对抗无线信道中的频率选择性衰落，获得很高的频谱利用率，非常适用于无线宽带信道下的高速数据传输。 这种技术也可以用作多址方式，正交频分多址接入（OFDMA）技术将一系列正交的子载波看作是信道，进而将不同的子载波分配给不同的用户即可实现多址。 在OFDMA中，能够按照业务需求、信道状态及用户分布等多种因素，在不同的时刻给用户分配不同的子载波，从而实现极为灵活的资源分配策略，按需配置系统资源。 在OFDMA中，根据子载波分配方法不同，可以分为子信道OFDMA和跳频OFDMA。第10章 多址技术4210.6.1 子信道OFDMA 子信道OFDMA将整个OFDM系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括一组子载波，不同的子信道可以分配给不同的用户使用，一个用户可以占用多个子信道。 OFDM子载波可以按连续子载波分配法、规律间隔子载波分配法和随机间隔子载波分配法三种方式组成子信道。 在连续子载波分配法中，子信道由相邻的若干个连续子载波构成。 好处是简单，同时也简化了信道估计 其不足之处是可能某个用户的多数子载波都处于深度衰落状态，第10章 多址技术4310.6.1 子信道OFDMA 规律间隔子载波分配中，子信道由规律间隔的一组子载波构成，每个用户在工作带宽内使用分散的子载波，如果这些子载波间隔超过了相干带宽，则同时深度衰落的概率就会很小，可以在一定程度上获得频率分集效果。 考虑到小区间干扰的影响，可以采用随机间隔子载波分配方案，分配给用户的子信道具有随机的子载波间隔。相邻小区使用不同的伪随机序列，产生不同子载波间隔的子信道，从而随机化小区间干扰。第10章 多址技术4410.6.2 跳频OFDMA 在跳频OFDMA中，分配给一个用户的子载波资源快速变化。 在每个时隙内，用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，不同用户选用不同的子载波组； 在不同的时隙内，各用户使用的子载波组也随之变化 在小区内部各用户仍然正交，并可获得频率分集的效果。 在小区之间不需进行协调，使用的子载波可能冲突，但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来，大大降低干扰的危害。第10章 多址技术45