第10章 多用户通信.docx
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第10章多用户通信
第10章多用户通信
基本内容:
多用户通信近些年来得到了很大发展,特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的CDMA等典型多址技术应用,更具长足发展的前景。
本章主要介绍多用户通信基本概念,并重点介绍几种多址技术原理和应用,涉及内容较为广泛,并直接联系到专业技术。
知识点及层次
(1)M多用户通信概念和分类。
(2)复用/多址的关系与多址原理。
(3)移动无线、卫星通信和局域网等多址特点。
(4)三代移动通信中的多址技术概述。
(5)无线信道特征和多径衰落环境下的分集技术
第10章多用户通信 返回本章
本章要点
掌握信道资源正交分割和多用户共享通信资源的机理;
认知复用与多址模式具体特点———卫星FDMA、TDMA,蜂窝无线网TDMA和CDMA及LAN多址特征;
理解无线传播损耗,区分几种多径衰落特点,了解分集技术和Rake接收的基本原理;
认识三代移动通信系统的多址技术原理。
10.1关于多用户通信
多用户通信近些年来得到了很大发展,特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的CDMA等典型多址技术应用,更具长足发展的前景。
10.1.1多用户通信描述
1.通信资源正交分割与信道化(Channelization)
●信道不同域资源正交分割———通信资源从根本上说是传输信道可用带宽,但为共享通信资源,可根据业务流量、性质和级别,将其从各种资源“域”进行均等或不均等分割,提供多个子信道。
这种分割可在频域、时域、空(间)域,以及光传输波长,正交编码,甚至时-频、空-时等进行“域”分割。
其中,正交编码、时-频复用基于扩频技术,属于携带信息的正交码序列而使信道同时提供全时、全频带的正交通信方式;空-时编码则并不等同于一般正交传输方式。
●由通信资源的正交分割,而提供大量子信道,可实现多用户通信,并包括复用与多址模式。
2.多用户通信(定义)
●多个用户通过一定接入方式和基于通信资源的某种正交分割方式,同时共享该信道资源。
简言之,多用户通信就是一个通信信道被多个用户同时使用。
●由定义,表明多用户通信覆盖广泛的通信领域,并包括较为传统的各种复用和近些年大量发展的光波分复用,各种多址模式和随机接入(多址)方式,以及广播系统等。
10.1.2复用与多址特点
1.复用特点
●在复用系统中,多用户的接入、分插、交换、分路等操作,大都是在固定地点集中完成。
●各种多址模式,从传输信道的共享角度,都包含着不同的复用方式。
2.“多址”的含义
●在相应复用形式的基础上脱颖而出的多址技术,突出强调了多用户的“接入”特点———多用户(比一般复用系统大得多的用户数)可在地球广阔领域(地、空、海域)实施个体分布性、遥远分散性的灵活与随机接入。
多址模式就是如此超出已有复用概念的特殊接入方式下的复用。
3.多址类型
●类型———FDMA,TDMA,CDMA;SDMA,PDMA;LAN中多址技术—CSMA,CSMAˉCD;ALOHA;光接入系统中的各种多址方式。
●CDMA系列———CDMA通常指基于扩频调制技术的直接序列扩频CDMA(DSˉCDMA),它与复用和FDMA、TDMA等多址概念的不同在于:
CDMA多用户共享信道资源,并非信道本身的“域”资源正交分割,而是相互正交的PN码(m序)系列为极大量多址用户提供携带各自信码的多址码(地址)而达到全时、全带宽(DSˉCDMA是同一个载波)的信道共享。
光接入中的CDMA是在多用户进入ONU中的运行模式采用CDMA。
4.3种主要多址方式的示意表示
下图列出了FDMA、TDMA和CDMA的多址模式。
10.2卫星网的多址模式
10.2.1每载波多信道方式(MCPC)
卫星系统中的单路单载波(SCPC)方式的FDMA;MCPC运行机制是为多信宿(多个接收用户)预分配模式:
FDM/FM/FDMA。
10.2.2卫星系统TDMA的帧结构举例
1.适于欧洲A律PCM的高速TDMA帧结构
●基于A律PCME1基群帧结构的TDMA帧
TDMA帧:
利用PCME1中的16个帧构成1个TDMA帧。
帧周期:
125μs×16帧=2ms/TDMA帧,帧比特数:
256×16=4096bit,1个4096bit的TDMA帧在PCME1系统占2ms.
●INTELSAT系统中TDMA帧
1个TDMA高速数据帧———占时间33.9μs
卫星高速数据比特率:
RINT=120.832Mbit/s或帧周期为Tf=33.9μs
2.适于北美洲的高速TDMA帧
●基于μ律PCMT1基群,同样取16帧———每帧193bit.
1个TDMA帧比特数:
193×16=3088bit或1.544×106×2ms=3088bit
●INTELSAT系统中TDMA帧比特率仍为RINT
3.匹配速率的压一扩缓存器
●由于A律与μ律各16帧比特数,均以2ms时间映射到INTELSAT高速TDMA帧结构时,分别占用33.9μs和25.6μs,因此各需一对匹配(缓冲)速率的缓存器。
进入缓存的速率分别为2.048Mbit/s和1.544Mbit/s
两缓存输出比特率均为卫星高速帧的比特率RINT=120.832Mbit/s。
●接收端从高速帧中分下的各比特流要进入相应的PCM解复用系统。
因此各4096和3088比特数据段仍各以2ms返回到PCMA律E1或μ律T1基群系统。
10.3无线信道空间传输损耗
10.3.1直线传播和自由空间损耗
超高频和微波波段信号的空间传播,会对信号带来多种传输损伤、很大衰减和多径衰落。
1.直线传播损伤
●衰减和失真;
●自由空间损耗;
●噪声;
●大气吸收;
●多径和折射。
2.衰减因素
第1章中给出了导向电磁信道的各波段及其波长。
这里从双绞线、电缆到光纤、波导等传输媒体,都是导向媒体,而在自由空间长距离的电磁波传播,属于非导向媒体传输;因此衰减是较为复杂的距离函数,并在地球周围受到充满大气层的影响。
传播衰减主要影响因素是:
传播频段f,传播距离L,电磁波速率C(近于光速)。
10.3.2自由空间传播损耗
1.微波段信号远程传播如卫星到地面约36000km。
信号波束随传播距离而发散。
上行链路的发射信号功率,由大功率速调管可达上千瓦,而卫星转发器只能靠太阳能供电,由于卫星表面积受限,因此下行链路发射功率很难达到上百瓦。
因此地球站接收信号功率不过微瓦级,并且还包含了收、发天线增益几十个dB的补偿效果。
2.空间传播损耗(dB)
10.3.3多径传播和多径衰落
1.多径传播
在第1章提到过天线辐射的信号以三种方式传播:
地波、天波和空间波(后者即称谓的直线波);
●当电磁波遇有比其波长要大的障碍物时,则发生反射;
●并在该物体边界进行衍射(绕射);
●若障碍物尺寸不大于电磁波长,会发生散射,即散射成几路弱信号———多径衰落。
2.多径传播后果
●多径到达的信号,由于相位不同,强弱相差很大,若无序混迭、相位抵消,就使接收信号难以检测与恢复质量良好的信息;
●产生严重的码间干拢(ISI);
●特别是在较高速度的移动台天线发出的信号,运动方向、障碍物环境较快变化,多径信号中主路径不稳定等因素导致的接收信号更难处理。
3.衰落类型
●慢衰落(平坦衰落—flatfading);
●快衰落(fastfading);
●选择性衰落(Selectivefading)。
4.衰落信道的3种类型
●高斯信道———是最简单的信道模型,同时它更符合于通信恒参传输媒体。
本书各种传输系统,均是基于高斯信道进行性能分析。
●瑞利衰落信道———多径衰落导致多条均很弱的路径信号,而不存在一条主路径。
●赖斯衰落信道———是较瑞利衰落利于处理的情况,它具有明显的主路径和多个较弱的间接路径。
5.多径衰落环境下的信号接收
●选用适当的分集技术与合并处理
●自适应均衡
●前向纠错编码
●高性能传输技术———如TCM,复合编码,OFDM等
10.4随机接入模式
10.4.1随机接入模式的适应环境
1.适用环境
●在局域环境中的通信网,如LAN(计算机局域网或无线数据网,WLAN),由于覆盖区域小,以宽带高速网络设备投入并非昂贵;在网用户数也不算太多。
因此传统操作模式属于“面向无连接”通信方式,在高速(如带宽10M或100M)、数据量不太大及非实时业务占多数情况下,这种随机接入方式较“面向连接”方式快捷简便。
2.广播网与媒体接入控制协议(MAC)
●通信网两大类型:
交换网(电路交换与分组交换、报文交换)和广播网。
●广播网之所以简单,是网中所发出的所有信息均可被其所有用户所接收。
因此就不像交换网那样建立连接或按路由表寻路、寻址,而是直接寻址、选路,将信息传给特定用户。
MAC协议就是使多个用户(站点)共享同一传输媒体,而各能寻址所望接收用户的接入机制。
●多用户对通信资源或传输媒体的共享,基本方式有两种:
第一类是静态而无碰撞的———信道化机制(如各种复用/多址);第二种是基于分组数据的媒体动态共享方式,以适应突发业务。
将这类方式称作“媒体接入控制”(MAC)机制。
●MAC协议的两种常用形式———随机接入和预定方式。
10.4.2随机接入和预订方式
1.ALOHA(属随机接入)
●纯ALOHA
●时隙ALOHA(SˉALOHA)
2.预定ALOHA(RˉALOHA)
●对于PˉALOHA和SˉALOHA均因媒体利用率低,若某用户业务量大将会使分组数据产生很大延时变化。
采用预定方式,利用率将不受Smax限制。
一般每个站点均可随时利用预定子时隙v(v一般只占1个分组长度Lbit时间的5%)。
3.轮询
10.4.3载波侦听随机接入(多址)
●由于ALOHA系统因碰撞和尽量避免碰撞耗费了带宽和时间,各种ALOHA的效率都很低。
●载波侦听多址技术的几种模式———CSMA、CSMAˉCD和CSMAˉCA,都是通过侦听信道上有否载波,使各站点据情况来决定能达到成功发送信息的时机。
1.CSMA
●1ˉ坚持CSMA(1ˉpersistentCSMA)———为尽快发送,各站点一直在侦听,一旦空闲便即发送分组。
多站点均如此做,则因碰撞而失败的概率很大。
●非坚持CSMA(nonˉpersistentCSMA)———侦听的站点,如果检测到信道有载波,则即执行“退后”(补偿)算法,而重新预定下次侦听时间。
当然如果信道空闲则即发送。
这样较1ˉ坚持等待时间长而减少碰撞。
●pˉ坚持CSMA———综合上述两种CSMA方式,某欲发送信息的站点,侦听遇忙后仍继续侦听,直至遇闲后,则以概率p发送其分组,以1-p继续等待系统最大传播延时tmax后再行侦听。
2.CSMAˉCD
10.5蜂窝无线通信原理
蜂窝无线移动通信已有三代技术应用和国际标准,其中
●“1G”系统———模拟移动系统,已基本淘汰;
●“2G”系统———为目前主流应用,以GSM网为代表主要利用TDMA多址模式;同时也推广了窄带CMDA。
●“3G”系统———是目前营造宽带CDMA移动通信环境的主流技术。
相继推出三个国际性标准:
WˉCDMA,cdmaˉ2000和TDˉSCDMA,将在全球以三足鼎立之势争夺“3G”市场和未来发展。
10.5.1蜂窝无线网构成特征
下图是围绕基站子系统(BSS)的数字移动通信系统的基本组成部分。
1.移动台(MS)
是移动系统中直接由用户使用的移动设备,并分为“手机”和车载台两种
●功能———执行接入无线网、控制与处理主被叫通信;提供人—机接口:
送、受话器、显示器与键盘;适配器—与计算机、其他设备连接,独立上网功能。
●注册与管理———具备用户识别号码,并由电话局一次性注入相应移动台。
内置包括用户信息的SIM卡(SubscriberIdentityModule)。
2.基站分系统(BSS)
●是无线移动网的通信部分的所有地面基础设施。
BSS通过无线接口与移动台连接,通过基站控制器(BSC)与移动交换中心连接;BSS完成无线发送、接收和管理功能,还接受网管系统控制。
3.交换子系统(MSS)
●MSS包括移动交换中心(MSC)和存储用户数据和移动管理信息库。
MSS还管理移动网中用户与其他通信网的通信。
4.操作和维护分系统
以电信管理网TMN的概念规定管理目标,网内所有操作维护设备形成一个完整的系统,对网内业务控制设备进行全面管理。
10.5.2蜂窝小区特点
1.蜂窝形状
●采用六边形小区(hexagohalcellpattern),有效覆盖率大:
。
●七小区蜂窝制———中心小区与周边6个小区天线间等距离:
。
●小区中心到各顶角距离等于边长,便于合理的重复使用(reuse)频率。
2.频率重用
●根据总频率数与小区规模确定小区簇大小如N=7。
这样若网络总频率数为395个,则各小区平均频率数目为395/7=56个。
一般小区分配10~50个频率。
●同一重用频率小区天线间最小距离D=4.6R。
3.小区容量及其扩展
当小区移动用户增多而移动网频率数有限,小区可能发生堵塞,解决办法如下:
●开通未使用的频道;
●频率借用———动态调用邻近频率不紧张小区的频率。
●蜂窝小区分割———将小区再分割为微小区,甚至微微小区,仍为六角形结构。
如:
通常蜂窝小区为6.5~13km(半径),可分割为最小为1.5km的微小区。
●蜂窝小区扇形化———(CellSectoring)如在小区中心向每隔一个顶角连线分成的3个扇区构成3个平行四边形;若向每个顶角连线则形成6个楔形(锐角正三角形)。
●微蜂窝小区———(microcells)仅有1.0km或几百米范围的微小区,基站功率将大大降低,体积也更小,甚至挂在电杆上。
10.5.4蜂窝系统中的CDMA
1.基于扩频的CDMA
●在第9章已经具体讨论了基于扩频码———PN序列的伪随机性和扩展带宽的特点而实现的特殊调制方式。
●正交编码也是CDMA常用的扩频码,如Walsh-Hadarmad(沃尔什-哈德玛)码,是由n×n方阵的各行构成。
如IS-95(2G)系统窄带CDMA前向链路64个逻辑信道采用64×64Walsh矩阵的64bit正交码来区分信道(号码)。
当用这种互相关系数ρ=0的正交码作为多址码时,当各用户码片不能保持同步时,则彼此不再正交,引起很大自干扰。
(参见下面例10-10与例10-11)。
●蜂窝系统的CDMA采用直接序列扩频(DS-SS),总的系统带宽中,前向、反向信道各占一半。
前向信道,对于数据和话音是以8.55kbit/s附加检错位后为9.6kbit,再进行(n0,k0,N)=(2,1,9)卷积编码,速率为19.2kbit/s,并进行一定交织深度的块交织编码———20ms的24×16阵列,则速率为19.2kbit/s。
●IS-95系统的DS-SS功能是,将19.2kbit/s的信息流,利用64×64Walsh矩阵中的1行———将Rb=19.2kbit/s扩展到Rc=64Rb=64×19.2=1.228Mbit/s。
●发送信号———以QPSK调制方式,发射速率为1.228Mbit/s的射频信号(到移动站用户)。
2.蜂窝CDMA特点与优点
●任何用户可全时、全频带利用系统。
●具有软容量特点,可方便地增加用户数,但同时也提高了背景噪声电平,性能随之下降。
●抗多径衰落,特别是因带宽大,抗频率选择性能强。
●PN码具有极短的码片宽度Tc,比信道相关时间小得多,因为PN序列有低自相关性,因此超过一个码片Tc的同步延时被认为是噪声,可利用Rake机进行分集接收。
●移动用户越过小区边界采用软切换方式。
3.蜂窝CDMA缺点
●自干扰———N个用户在一个小区内,对于接收者来说若各个PN码不能完全相干,而会对其产生N-1倍于接收信号功率的干扰量。
因此扩频处理增益Gp必须以它提供的干扰容限Jm来“吃掉”这一自干扰,并做到Jm/(N-1)尚有余量来抗外来干扰。
●远-近效应(near-fareffect)———这是DS-SSCDMA多用户共用同一频道所特有的问题。
如基站接收各移动站信号,距其近的站较距其远的站接收信号强度大,因此强接收信号就提高了弱信号在基站解调器的背景噪声电平。
●功率控制———针对远-近效应,蜂窝移动系统采用了功率控制,如基站向小区内各移动站不断发出800Hz导频,各移动站凭收到导频电平大小,向相反大小调整发射信号电平,以达到基站收到远近不同移动站的电平趋于相等。
4.软切换(softhandoff)
(1)软切换:
是CDMA系统特有的越区切换功能,移动用户在越过小区边界时,未放弃旧小区通道之前便获得新进小区的通道。
(2)软切换过程:
DS/CDMA系统中没有频率重用问题,邻区干扰不大,因此软切换机制将通话中的移动台临时连接到邻近多个基站。
在通话且行走的移动用户若正在走近小区的边界,则就进入了一个能比较来自两个基站的传输(在某一相互的门限值中)的区域中,这时该移动机就进入了连接两基站的软切换状态,直到被一个基站明确地控制,于是移动用户以及对话双方均无所察觉地完成了越区切换。
(3)MSC主导软切换在软切换状态中,从上述移动台到两个基站的比较传输状态均被送至MSC,由MSC进行比较来择其—。
在软切换中的移动台对话及数据信息,MSC均发给两基站转发给移动台,移动台由同时接收的两路信息来恢复收取信号。
10.5.5跳频模式的CDMA(FHMA)
跳频方式同样可提供多用户共享同一宽带资源的多址应用,并且能体现更多优势。
通常,将基于扩频的CDMA称为扩频多址(SSMA),又将基于直接序列的扩频多址称为CDMA,而基于跳频的CDMA称为跳频多址(FHMA)。
1.FHMA机理●跳载频的控制源为PN序列———以k个码片的码组去控制频率合成器,随机产生N=2k个跳载频,并且该载频数等于该FHMA系统的跳频处理增益,即GP=2k
●无论是慢跳频(SFH)或快跳频(FFH),码元符号转换时刻总是与跳频同步;由PN序列的k码片提供的2k个跳载频,即2k个跳频信道,收发端在PN发生器与频率合成器间均有相同的“信道表”,如下图所示。
每次跳频所对应的信道表中2k个信道号的一个号码,收、发双方通过同步系统总是准确对应的,因此任何随机跳频,当解扩时总能恢复出原MFSK符号的频率(解扩)。
2.FHMA特点和优势
●可以不像TDMA那样要求严格的网同步,属于系统的异步传输方式。
●PN序列所提供的跳频数取决于PN码周期和码片组合k的大小,以及频率合成器性能。
一般地,FHMA较DS/CDMA可有更大的扩频处理增益。
●FHMA实质上是时-频复用机制,很少“自干扰”,如上述4000个跳频,出现重复跳频的碰撞概率只有1/4000=0.025%的时间比例。
因此远-近效应也就较DS/CDMA缓和。
●抗外来干扰能力强。
尤其是FFHMA,窃取者不可能截获到一个完全的MFSK符号,因此保密性能很高。
3.FHMA系统的信号分析
现以2FSK调制进行跳频,并且为简单起见设每个比特符号发生1次可能的跳频,即Rb=Rh。
(1)跳频信号构成
设2FSK信号表示式为
频率合成器提供的跳载频为ωi,即
为跳载波信号,因此FSK信号跳变到ωi的传号跳频信号表示为
式中实际上是以跳频ωi为载频的双边带DSB,宜由单边带(SSB)传输,以节省带宽,现取上边带作为传输的跳频信号。
该FH信号的带宽仍为FSK带宽,若原为MSK调制方式,则BFSK=2.5Rb(Hz),那么该FHMA系统的2k个子信道,每个子道带宽Wi=2.5Rb,FHMA总带(扩频)为WFH=2kWi=2.5×2kRb。
(2)解扩
经传输的FHMA信号,可能混入干扰j(t),则混合信号为x(t)=sFH(t)+j(t)
●解扩———接收端通过同步系统,提供本地载波(相干)cr(t)=c(t)=cosωit
然后以FSK信号的中心频率ω0及其带宽对上式取带通BPF,得检测输出为
●解调———若权且不考虑噪声干扰jo(t),则已解扩的FSK传号So(t),再经相干或非相干解调可以恢复原信息1码。
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