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无线通信工程

无线通信工程. 姚彦教授 清华大学微波与数字通信国家重点实验室 2001 年 12 月 1 日. 第八讲. 无线通信的多址技术 （ 1 ）. 内容提要. 概述 频分多址（ FDMA ） 时分多址（ TDMA ） 码分多址（ CDMA ） 空分多址（ SDMA ）. 概述. s k (t). k. 多址信道. r k (t). 多址传输模型 (1). 共有 N 个地址，第 k 个地址发送的信号为： 其中 s kj (t) 为 k  j 的信号， a kj =1 或 0. 多址传输模型 (2). 第 k 个地址接收的信号为：

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  1. 无线通信工程 姚彦教授 清华大学微波与数字通信国家重点实验室 2001年12月1日

  2. 第八讲 无线通信的多址技术（1）

  3. 内容提要 • 概述 • 频分多址（FDMA） • 时分多址（TDMA） • 码分多址（CDMA） • 空分多址（SDMA）

  4. 概述

  5. sk(t) k 多址信道 rk(t) 多址传输模型(1) • 共有N个地址，第k个地址发送的信号为： 其中skj(t)为kj的信号，akj =1或0

  6. 多址传输模型(2) • 第k个地址接收的信号为： 其中Lik为ik的传输系数，nk(t)为k的接收机噪声。 • 说明：

  7. s1k(t) M1k() rk(t) s2k(t) M2k() sNk(t) MNk() 多址传输模型(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：

  8. 多址传输模型(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。

  9. 信号分割技术 • 信号的分割 • 正交 • FDMA • TDMA • SDMA • 非正交 • CDMA

  10. 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。

  11. 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。

  12. 蜂窝移动 通信系统 多址技术 高级移动电话系统（AMPS） FDMA/FDD 全球移动通信系统（GSM） TDMA/FDD 美国数字蜂窝（USDC） TDMA/FDD 日本数字蜂窝（JDC） TDMA/FDD CT2（无绳电话） FDMA/TDD 欧洲数字无绳电话（DECT） TDMA/TDD 美国窄带扩频（IS－95） CDMA/FDD 各种系统（续）

  13. 频分多址

  14. 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。 Sij(f) f f1 f2 f3 f4 f5 f6 Mnk() f f5

  15. 工作原理（续） • 这时，nk的选址输出为：

  16. 信道配置 • FDMA/FDD、TDD信道配置图 代码 频率 信道3 信道1 信道2 信道n 时间

  17. 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。

  18. FDMA的非线性效应 • 由于发射机功率放大器的非线性，会产生： • 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。 • 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。 • 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。

  19. n=0 n=1 n=2 n=3 1930 1926 1922 1918 1928 1924 1920 1916 1932 1936 1940 1944* 1934 1938 1942* 1946* 交调举例 • 例：IM＝mf1+nf2，m,n为任意整数，如：f1=930MHz，f2=932MHz，求落在工作频率为1920～1940MHz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….

  20. 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。

  21. 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＝（Bt－2B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。

  22. 典型应用举例（续） 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：N＝（Bt－2B保护）/Bc 将上述数值代入即有N＝416

  23. 时分多址

  24. 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。 sij(t) t t5 t3 t4 t2 t1 Mnk() t t4

  25. 工作原理（续） • 这时，nk的选址输出为：

  26. 代码 信道N 时隙 信道3 信道2 频率 信道1 时间 信道配置 • TDMA/TDD、FDD 信道配置图

  27. TDMA帧 头比特 尾比特 信息 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 TDMA帧结构

  28. 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。

  29. TDMA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。

  30. TDMA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(Btot－2B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。

  31. 应用举例 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：Bc＝200/8＝25KHz N＝25×106 /25 ×103＝1000

  32. TDMA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

  33. 数据缓冲技术 • 实现均匀突发和突发均匀的变换 发缓冲 发送突发数据 发送均匀数据 接收突发数据 接收突发数据 收缓冲

  34. 突发解调技术 • 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

  35. 分帧同步技术 • 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

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