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

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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。