多址技术在无线网络中的应用.doc

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多址技术在无线网络中的应用

摘要：

在过去的20年中，通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大地推动了社会的发展。

在通信网络发展过程中，随机多址接入控制协议促进了通信网络的迅速发展，成为IEEE802.3,802.11和HIPERLAN等协议标准的核心，对以太网、Intemet、无线局域网和移动通信网络起到了重要的支撑作用。

关键词：

多通道;固定分配多址;随机多址;无线网络

Multi-sitesTechnologyinWirelessNetworkApplication

AuthorhezhujianInstructorliangpingyuna

Abstract：

Inpasttwentyyears,rapiddevelopmentandabroadplicationo

communicationtechnologyhavegreatlypromotedthedevelopmentofsociety.Communicationnetworkhasbeenacceleratedgreatlybyrandomaccessprotocols,whichhavebeenthestandardofIEEE802.3,802.11,hiperlanandplayaimportantroleinEthernet,Internet,WLANandmobilecommunicationnetwork.

Keywords：

manypassways;muchlocationatrandom;wirelessnetwork

1引言

多址技术一直都是无线通信的关键技术之一，甚至是移动通信换代的一个重要标志。

多址技术所要解决问题的特点是：

通信（子）网中的登记用户数常常远大于同一时刻实际请求服务的用户数。

其实就是研究如何将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量的一门技术。

其中对通信资源的切割与分配也就是对多维无线信号空间的划分，在不同的维上进行不同的划分就对应着不同的多址技术。

常见的维有信号的时域、频域和空域，此外还有信号的各种扩展维。

信号空间划分的目标是要使得各用户的无线信号之间在所划分的维上达到正交，这样这些用户就可以共享有限的通信资源而不会相互干扰。

例如，假设和分别为对应于用户i和j的无线信号；积分变量x为划分信号空间的维，如可以为时间、频率、空间或扩展维变量。

实际中不同用户之间的无线信号往往不能做到完全正交，而只能做到准正交，也就是说在积分区间中的积分应是趋近于零。

---多址通信技术在现代通信中起着重要作用。

在卫星通信、计算机通信、移动通信等通信网络中，当多个用户通过一个公共信道与其他用户进行通信时，就必须采用某种多址技术。

所谓多址技术是指允许两台或两台以上的发射机通过一个公共信道发送信号的技术按照信道资源的共享方式，多址技术通常又可分为两类：

固定分配多址（FAMA-FixedAssignmentMultipleAccess）和随机多址（RandomMultipleAccess）。

FAMA又分为频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）。

FDMA只适用于用户数比较少，通信业务量又比较稳定的网络。

DAMA根据用户的需要为其分配一定的信道容量，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况，但实现DAMA需要一个专用信道，供所有用户以固定分配或随机接入方式提出呼叫申请。

随机多址又称随机接入，它的特点是所有用户都可以根据自己的愈愿随机地发送信息，并期望不会与其它节点发生碰撞.但是如果多个用户同时发送，就会发生多个用户的信息分组在物理信道上粗互重受（即碰撞），使得碰撞用户的发送都告失败。

因此随机多址实际上就是争用接入，争用胜利者才可获得信道，从而获得信息的发送权.随机接最初是在20世纪70年代初期在夏威臾大学试验成功的。

为了使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机，夏威夷大学建立了一种叫ALOHA（AdditiveLinkOn-lineHAvvaiisystem）的协议，又称为纯ALO队协议11）其基本思想是:

若一个空闲的节点有一个分组到达，则立即发送该分组，井期望不会与其他节点碰撞.实脸和理论分析表明，当负载为0.5时，系统的最大平均吞吐f为0.184。

但随粉负载的进一步加大.则由于碰撞的分组数增多，吞吐1t迅速下降，系统进入不稳定工作区。

为了提高系统吞吐f和网络的稳定性，则必需在负载增大的同时，尽可能的减少碰撞的分组数。

只有实现这样的控制技术，才能改善网络的性能.将时间划分为时隙（slot），所有站点在时间上同步，要发送分组的站点只能在时隙开始发送分组，这就是有名的Slot时ALOHA系统t1。

当该系统负载为1时其最大平均吞吐f为0.368.显然.系统的性能有了较大提高。

2固定分配多址技术

FAMA分为频分多址（FDMA），时分多址（TDMA），空分多址（SDMA），码分

多址（CDMA）。

2.1频分多址（FDMA）

频分多址（FDMA）是应用最早的一种多址技术，AMPS、NAMPS、TACS、NTT和JTACS等第一代移动通信系统所采用的多址技术就是FDMA，此外在卫星通信中FDMA也得到了广泛的应用。

每个FDMA信道每次只能承载一路业务信息，在信道空闲时也不能被其他用户共享，频谱利用率较低，系统容量较小。

FDMA信道的带宽窄（30kHz），限制了系统业务的进一步拓展。

FDMA系统中的基站需要采用带通滤波器以消除寄生辐射的影响，在移动台则需要使用双工器以支持收发器的同时工作，从而增加了基站与移动台的成本。

当然，FDMA相对于下面的TDMA也有优势。

比如，FDMA系统中的码间干扰小，几乎无需均衡；用于同步控制等的系统开销小；分配了信道的基站和移动台可以同时进行连续的信号发射。

2.2时分多址（TDMA）

时分多址（TDMA）在第二代移动通信系统中得到了广泛应用，如GSM、NADC和PACS等；此外在不少新建的卫星通信系统中也有所采用。

TDMA系统中的各用户仅在所分配的时隙工作，可以共享频带资源，因此频谱利用率高，系统容量较大。

同样是由于用户工作的非连续性，所以电源效率高。

TDMA系统的发射和接收均在不同的时隙，所以无须双工器。

而且TDMA系统还可以根据用户需求灵活地进行时隙分配。

TDMA系统的缺陷是由于发射速率较高，为了消除码间干扰的影响需要采用自适应均衡；此外就是用于同步控制等的系统开销较大。

2.3空分多址（SDMA）

空分多址（SDMA）是一种新发展的多址技术，在由中国提出的第三代移动通信标准TD－SCDMA中就应用了SDMA技术；此外在卫星通信中也有人提出应用SDMA。

SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束；这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。

实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等结合使用；也就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。

应用SDMA的优势是明显的：

它可以提高天线增益，使得功率控制更加合理有效，显著地提升系统容量；此外一方面可以削弱来自外界的干扰，另一方面还可以降低对其他电子系统的干扰。

如前所述，SDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用SDMA的难点。

特别是对于移动用户，由于移动无线信道的复杂性，使得智能天线中关于多用户信号的动态捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂，从而对DSP（数字信号处理）提出了极高的要求，对于当前的技术水平这还是个严峻的挑战。

所以，虽然人们对于智能天线的研究已经取得了不少鼓舞人心的进展，但仍然由于存在上述一些在目前尚难以克服的问题而未得到广泛应用。

但可以预见，由于SDMA的诸多诱人之处，SDMA的推广是必然的。

2.4码分多址（CDMA）

码分多址都是利用了地址码的正交性来实现多址接入，但通常可根据扩频的不同实现手法，将码分多址分为以下几种：

2.4.1直接序列码分多址（DS－CDMA）

这是用得比较多的一种扩频多址方式。

众所周知，DS－CDMA在现在的第二代移动通信中已经得到了成功应用；而且它还是第三代移动通信的核心技术，在IMT－2000的众多标准中，大部分都采用了DS－CDMA。

此外，在军事通信和卫星通信中，DS－CDMA也都受到了青睐。

从原理上来说，DS－CDMA是通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘而获得的宽带扩频信号。

收端需要用与发端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。

根据Shannon定理，在信号平均功率受限的白噪声信道中，系统的极限信息传输速率C（b/s）与信道带宽B（Hz）、信噪比S/N之间应满足如下的约束关系：

C=Blb（1+S/N）

实际上，该式也体现了上述各变量之间的一种互换关系。

也就说，在所需的最高信息传输速率C不变的条件下，通过应用地址码展宽信号带宽B，就可以在信噪比S/N很低的条件下实现可靠通信。

DS－CDMA正是这一思想的应用。

通过DS扩频，将信号功率谱在一个很宽的频谱上进行了“平均”；或者说是在背景噪声不变的情况下，信噪比S/N变得很低，好像是将信号在噪声中“隐藏”了起来。

因此DS－CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。

此外，关于DS－CDMA的优点还可以罗列很多：

许多用户可以共享频率资源，无须复杂的频率分配和管理；具有“软容量”特性，即在一定限度内的用户数增加，只会使得信噪比下降，而不会终止通信，也就是说DS－CDMA没有绝对的容量限制；具有“小区呼吸功能”，即小区负荷量可以动态控制，相邻小区可通过覆盖范围的互动来重新分担负荷；可以通过“软切换”实现移动台的越区管理，保证越区时通信的连续性。

当然，DS－CDMA也存在一些问题，如多址干扰问题，这是由于不同地址码之间的非完全正交性而造成的，通信过程中不同用户的发射信号会相互干扰。

多址干扰是DS－CDMA系统中相当严重的一个问题，这还需要人们通过对地址码选择的进一步研究来解决。

此外，在DS－CDMA系统中还存在“远近效应”，就是说离基站近的强信号用户会对远离基站的弱信号用户的通信形成干扰，本质上说这还是由于地址码的非完全正交性所致，但现阶段人们已通过在移动通信系统中引入“自动功率控制”技术削弱了远近效应的影响。

2.4.2跳频码分多址（FH－CDMA）

跳频码分多址（FH－CDMA）在民用通信中并不多见，但在军事抗干扰通信中则是一种常见的通信方式。

FH－CDMA的基本原理是优选一组正交跳频码（地址码/扩频码），为每个用户分配一个唯一的跳频码，并用该跳频码控制信号载频在一组分布较宽的跳频集中进行跳变。

事实上，我们可以简单地将FH－CDMA看作是一种由跳频码控制的多进制频移键控（MFSK）。

当然从每一时隙来看我们也可以将其视为一种FDMA；但与普通FDMA的最大不同是，FH－CDMA的频率分配是由一组相互正交的具有伪随机特性的跳频码来控制实现的，所以我们仍然将其归属于码分多址，同时它又是一种扩频多址。

因为，虽然单独从每一跳变时隙的内部来看，FH－CDMA是一个窄带系统，但从一个较长时间的整体效应来看，FH－CDMA就是一个宽带扩频系统。

从抗干扰的角度来区分FH－CDMA与上述的DS－CDMA，FH－CDMA就是一种依靠跳频码控制的快速“躲避式”抗干扰技术。

2.4.3跳时码分多址（TH－CDMA）

跳时码分多址（TH－CDMA）同样主要是用在军事抗干扰通信领域。

与FH－CDMA不同的是，TH－CDMA用一组正交跳时码控制各个用户的通信信号在一帧时间