移动通信多址技术与扩频通信.ppt

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1、第五讲 多址技术与扩频通信,在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道与用户带来的两重动态特性。移动通信与有线通信的最大差异在于固定通信是静态的，而移动通信是动态的。为满足多个移动用户同时进行通信，必须解决以下两个问题，首先是动态寻址，其次是对多个地址的动态划分与识别。这就是所谓多址技术，在多址技术中重点研究的是利用扩频技术来实现码分多址CDMA。,5.1 多址技术的基本概念,移动用户要建立通信，首先要实现动态寻址，即在服务范围内利用开放式的射频电磁波寻找用户地址，同时为满足多个移动用户同时实现寻址，多个地址之间还必须满足相互正交特性，以避免产生地址间相互干扰。,5.1.1基本原理,多址划分从

2、原理上看与固定通信中的信号多路复用是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计技术。不同点是多路复用的目的是区别多个通路，通常是在基带和中频上实现，而多址划分是区分不同的用户地址，通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址，同时为了实现多址信号之间互不干扰，信号之间必须满足正交特性。,5.1.1基本原理,信号的正交特性具体是通过信号的正交参量,i=1,2,n来实现的。即1)在发送端，设计一组相互正交信号如下(5.1.1)(5.1.2)其中 为第i个用户的信号，为第i个用户的正交参量，为第i个用户地址的保护区间。式(5.1.1)是纯理论上的表达式，而式(5.1.2)为实际表达式。而且正交

3、参量应满足：,5.1.1基本原理,2)在接收端，设计一个正交信号识别器，如下所示：图5.1 正交信号识别器原理图,5.1.2 多址分类,FDMA：称为频分多址，其原理图如下：理论上划分：实际上的划分：图5.2 频分多址原理图移动通信中最典型的频分多址方式：北美：800MHz的AMPS体制；欧洲与我国：900MHz的TACS体制。,5.1.2 多址分类,TDMA：称为时分多址，其原理图如下：从理论上划分：实际上划分：图5.3 时分多址原理图移动通信中最典型的时分多址方式：北美：D-AMPS；欧洲与我国：GSM-900、DCS-1800；日本：PDC。,5.1.2 多址分类,CDMA：称为码分多址

4、，有两种主要形式：直扩码分DS-CDMA：多用于民用系统，原理图如下：图5.4 直扩码分原理图CDMA与FDMA、TDMA划分形式不一样，FDMA与TDMA属于一维(频域或时域)划分，CDMA则属于二维(时、频域)划分。CDMA所有用户占有同一时隙、同一频段，区分用户特征是用户地址码的相关特性。FDMA、TDMA的地址划分是基于简单的非此即彼、非共享型，即两个以上用户不可能同时占有同一频段(或时隙)；CDMA的地址划分是基于特征，是相容的，即两个以上用户可以同时占有同一频段、同一时隙，是共享型的，其条件是只要它们具有可分离的各自特征(码的相关特性)即可。,5.1.2 多址分类,跳频(FH)：在

5、不同的时隙按照某种伪随机规律选取某个频段，实际上是一种时、频编码，比DS-CDMA要复杂，主要用于军事通信。其原理图如下：图5.5 跳频扩频多址原理图,5.1.2 多址分类,将整个占用的时域划分为若干个子时隙，将整个占用的频段也划分为若干个子频段。每个用户可以在不同时隙占用不同的频段，其规律可按照某种伪随机数表格或某个伪随机序列的规律进行，实现伪随机跳动。移动通信中最典型的码分多址方式：第二代的窄带CDMA系统：IS-95体制；第三代的CDMA2000体制及WCDMA体制。,5.1.2 多址分类,SDMA:称为空分多址，原理图如下：图5.6 空分多址原理图空分地址的实现是利用无线的方向性波束，

6、将服务区(小区内)划分为不同的子空间进行空间正交隔离。移动通信中的扇区天线可以看作是SDMA的一种基本实现方式。智能自适应天线是将来移动通信中准备采用的一项新的关键技术，是典型的空分方式。,5.1.3 其它多址方式,除上述基于物理层的时分、频分、码分与空分多址接入方式以外，还有一种基于网络层的网络协议的分组无线电(PR)ALOHA随机多址接入协议方式。ALOHA多址接入不同于前面介绍的时分、频分与码分的多址接入方式，它实际上是一种自由竞争式的随机接入方式，是以网络协议的形式来实现的。ALOHA原本是夏威夷俚语，用于对人到达或离开时致意的问候语。1968年夏威夷大学将解决夏威夷群岛之间数据通信的

7、一项研究计划命名为ALOHA。,5.2 移动通信中的典型多址接入方式,5.2.1 FDMA第一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址FDMA方式，最典型的有北美的AMPS和欧洲及我国的TACS体制。下面以TACS为例讨论FDMA方式：TACS多址划分,5.2.1 FDMA,TACS的总可用频段：(与GSM频段相同)上行：890915MHz，占用25MHz；下行：935960MHz，占用25MHz。TACS采用频率双向双工FDD 方式。收/发频段间距为45MHz，以防止发送的强信号对接收的弱信号的影响。每个话音信道占用25KHz频带，采用窄带调频方式。TACS系统可以支持的信道数为：其中，为

8、TACS的可用频段带宽，为信道(话音)带宽。,5.2.1 FDMA,FDMA的主要技术特点：每个信道传送一路电话，带宽较窄。TACS为25kHz，AMPS为30kHz。只要给移动台分配了信道，移动台与基站之间会连续不断收、发信号。由于发射机与接收机(基站与移动台都一样)同时工作，为了发、收隔离，必须采用双工器。共用设备成本高，FDMA采用每载波(信道)单路方式，若一个基站有30个信道，则每个基站需要30套收、发信机设备，不能共用。与 TDMA相比，连续传输开销小、效率高，同时无需复杂组帧与同步，无需信道均衡。,5.2.2 TDMA,第二代移动通信是数字式移动通信，它主要采用两类多址方式：一类是

9、欧洲大多数国家采用的时分多址TDMA方式，另一类是北美等采用的码分多址CDMA方式，我国两类方式都有。这里先介绍最典型的TDMA方式GSM体制。,5.2.2 TDMA,在GSM中最多可以八个用户共享一个载波，而用户之间则采用不同时隙来传送自己的信号。GSM一个TDMA帧的结构图如下所示。GSM系统一个TDMA帧的结构,5.2.2 TDMA,GSM系统的时隙结构可划分为四种类型：常规突发序列、频率校正突发序列、同步突发序列、接入突发序列。GSM采用频率双向双工FDD方式，与TACS相同。上、下行频段(发、收)间隔为45MHz，每个话音信道占用200kHz，采用GMSK调制。GSM系统总共可提供频

10、点数为：而每个频点提供8个时隙，因此GSM总共可提供的时分信道数为：,5.2.2 TDMA,TDMA的主要技术特点：每载波8个时隙信道，每个信道可提供一个数字话音用户，因此每个载波最多可提供8个用户。突发脉冲序列传输。每个移动台发射是不连续的，只是在规定的时隙内才发送脉冲序列。传输开销大，GSM的TDMA帧层次结构如图5.9所示，共分为五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧、超高帧，每个层次都需占用一些非信息位的开销，这样总的开销就比较大，以致影响整体传输效率。,5.2.2 TDMA,GSM五层次帧结构,5.2.2 TDMA,GSM每个信道比TACS宽8倍，传输速率270.8Kbps，在这个速

11、率上就不能不考虑多径传输时延扩展的影响。因为GSM的码元周期为3.7us，而繁华城区的多径时延扩展可达3us左右，已完全可以比拟。为了克服多径时延扩展，GSM采用了自适应均衡技术，增加了设备的复杂性。GSM中由于每个载波可提供8个用户，这8个用户由于时分特性可以共用一套收、发设备，与 FDMA比较，减少了七倍的用户设备，降低了成本。GSM是数字式移动通信，它对新技术是开放的，这里的开放是指对新技术适应性比模拟的FDMA强。GSM的时隙结构灵活，不仅可以适应不同数据速率(一般指单个信道速率低于8倍的整数倍)的数据传送，还可以利用时隙的空闲省去双工器(利用时隙间切换)。,5.2.3 CDMA,第二

12、代移动通信中的两种主要多址方式之一，最典型的是IS-95。在第三代移动通信中，五种体制中最主要的三种也是采用CDMA，它们是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA，TDD的TD-SCDMA。,5.2.3 CDMA,以IS-95体制中的码分多址方式来说明。在IS-95中，一个基站共有64个信道，采用正交的Walsh函数来划分信道，在完全同步的情况下，64个Walsh函数是完全正交的。下行(前向)信道配置如下图所示：IS-95下行(前向)信道配置其中 代表第 路Walsh函数。64个信道中一个导频信道，一个同步信道，七个寻呼信道，其余五十五个为业务信道。,5.2.3 CDMA,上行(反向)信

13、道配置如下图所示：IS-95下行(前向)信道配置其中，即接入信道最多为32个，业务信道最多为64个。,5.2.3 CDMA,IS-95采用频率双向双工FDD方式(与AMPS相同)。下行：824849MHz，占用25MHz。上行：869894MHz，占用25MHz。上、下行频段间隔(即FDD间隔)为45MHz。IS-95最大能提供的码分信道数：一个基站可提供 业务信道，一个频段1.25MHz提供最大基站数(不含导频相位规划)，IS-95总占用25MHz，所能提供最多的频段数为。IS-95总共能提供最多码分多址业务用户数(不含导频相位规划)为,5.2.3 CDMA,IS-95中的CDMA的主要技术

14、特点：CDMA系统中所有用户共享同一时隙、同一频隙。CDMA采用扩频通信，其信道占用1.25MHz，属于宽带通信系统，它具有扩频通信的一系列优点比如抗干扰性强、低功率谱密度等。宽带信号有利于采用Rake接收机抗频率选择性衰落。CDMA是一个干扰受限或者认为是信噪比受限系统，其容量不同于FDMA、TDMA中的硬容量，它是软容量。CDMA中的多个地址间的干扰由于选码不理想，将是系统中最主要干扰，且随用户数增多而增大。,5.3 扩频通信的基本概念,由于码分多址是通过扩频通信来实现的，在2G中的IS-95、3G中的CDMA2000与WCDMA均采用码分多址，它已成为移动通信中最主要的多址方式实现技术。

15、扩频通信应称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上已称它为扩频。扩频通信属于宽带通信系统，它与传统的窄带通信系统不同，其主要特征是扩频前信源提供的消息码元带宽(或速率)远远小于扩频后进入信道的扩频序列(chip)信号带宽(或速率)。,5.3.1窄带与宽带通信系统,设R为待传送的信源码元速率(或带宽)，T为码分的持续时间，F为传送至信道的扩频序列(chip)信号速率(或带宽)。若，即当 或者(带宽)，称该系统为窄带通信系统。通常数字通信系统中的移幅、移频、移相均属窄带通信系统。若，即，则称该系统为宽带通信系统。宽带通信系统是窄带通信系统通过扩频方式来实现的。码分多址CDMA就

16、是一类最典型的扩频通信系统。,5.3.2 直扩式码分多址DS-CDMA,扩频技术可以划分为直扩式和非直扩式两类，直扩式实现较简单，民用移动通信中多采用这类方式，非直扩方式中常采用的有跳频、跳时、时频编码等方式，尤其是跳频在军事通信中经常采用。本节重点介绍直扩，首先以一个最简单的7位伪随机的序列为例加以说明。,5.3.2 直扩式码分多址DS-CDMA,扩频后的性能分析：有效性性能：扩频后频带扩展七倍，直接有效性下降七倍，但是若不考虑实际多径影响，七位扩频码每错开一位可供一个新用户，共可供七个用户用，这正好抵消了扩展频带的七倍下降位。但是实际上必须要考虑多径影响，这时有效性性能将会产生下降。可靠性

17、性能：根据伪码自相关特性，当码位对齐时可以将7位伪码(chip)信号能量累加起来增加7倍，码位不对齐时均下降至-1。若采用自相关接收，其接收门限可定在3.5V上(假设信号电平均归一化为1伏)，然而，若不扩频，接收信号的门限值只能定在0.5伏上，两者相比，扩频后抗干扰增加倍。实际上在扩频系统中抗干扰的改善是与扩频成正比的。,5.3.2 直扩式码分多址DS-CDMA,DS-CDMA系统实现框图如下所示。发送端：,5.3.2 直扩式码分多址DS-CDMA,接收端：DS-CDMA发、收端实现框图与传统的通信系统相比较，发送端增加扩频调制部分，收端则增加相应的扩频解调部分。,5.3.3 直扩系统的主要技

18、术指标,直扩系统的主要技术指标有两项：扩频处理增益与干扰容限。处理增益：表示扩频系统通过扩频与解扩以后信噪比的改善程度。它有两个等效定义：表示发送端信息码元(速率)扩展的倍数或表示发送端信号带宽扩展的倍数 干扰容限：表示在正常工作的条件下，接收机输入端所允许的干扰最大强度值(用分贝表示)。,5.3.4扩频通信的优缺点,扩频通信的主要优点包括：1、抗干扰性强2、低功率谱密度3、保密性能好 4、潜在地址多，容量大,5.3.4 扩频通信的优缺点,扩频通信的主要缺点包括：1、占用信号频带宽，扩频的后码序列(chip)带宽远远大于扩频前的信源信息码元带宽，这对于频率资源极其宝贵的无线通信是一个主要弱点。

19、2、系统实现复杂，它与不扩频相比系统实现显然要复杂得多。3、在衰落时变信道中实现同步、实现信道估值都比较困难，比较复杂。4、目前在寻求性能好、数量多的扩频码分多址方面仍存在不少问题。,5.4 码分多址CDMA中的地址码,由于在移动通信中2G的IS-95与3G中的主流体制CDMA2000与WCDMA均采用码分多址，本节将重点讨论CDMA中的地址码，并侧重从应用角度介绍。,5.4.1 地址码分类与设计要求,在CDMA中地址码主要可以划分为三类：1、用户地址码：用于区分不同移动用户。2、信道地址码：用于区分每个小区(或扇区)内的不同信道，它又可分为：单业务、单速率信道地址码，主要用于2G移动通信IS

20、-95；多业务、多速率的信道地址码，主要用于3G移动通信WCDMA与CDMA2000。3、基站地址码：在移动蜂窝网中用于区分不同的基站小区(或扇区)。,5.4.2 信道地址码,工程中往往需要寻找一类有限元素的正交函数系，数学上符合条件的有很多函数，比如离散付氏级数、离散余弦函数、Hadamard函数、Walsh函数等等。CDMA的信道地址码选用Walsh函数系构成正交信道地址码。1、IS-95系统的地址码在IS-95中选用正交Walsh函数系作为信道地址码。即采用64种长度为64位的等长Walsh码作为信道地址码。Walsh函数有多种等价的构造方法，而最常用的是采用Hadamard编号法，IS

21、-95所采用的就是这一方法。在IS-95标准中所给出的“64阶Walsh函数”表实际上是按Hadamard函数序列编号列出的表。二进制0/1码序列与实数值序列具有下列转换关系：，。,2阶哈达码矩阵 H2 为：,或,4阶哈达码矩阵 H2 为：,或,其中 为H2取反。,Walsh序列的递推产生：,8 阶哈达码矩阵为：,一般关系式为：,根据上式，不难写出 H16、H32和H64，即,5.4.2 信道地址码,2、WCDMA系统的地址码WCDMA系统为了支持多速率、多业务的，只有通过可变扩频比才能达到同一要求的信道速率。在同一小区中，多个移动用户可以在相同频段同时发送不同的多媒体业务(速率不一样)，为了

22、防止多用户业务信道之间的干扰，必须设计一类适合于多速率业务和不同扩频比的正交信道地址码，即OVSF(Orthognal Variable Spreading Factor)码。显然，OVSF码是一组长短不一样的码，低速率的扩频比大，码组长，而高速率的扩频比小，码组短。在WCDMA中，最短的码组为4位，最长的码组为256位。但是不管码组长短是否一致，各长、短码组间仍然要保持正交性，以免不同速率业务信道之间产生相互干扰。,可变长度正交码的码树结构,5.4.3用户地址码,1、用户地址码选取原则主要用于上行(反向)信道，用户地址码由移动台产生，便于区分不同的用户，下行信道中由基站产生的扰码主要用于数据

23、加扰。2、IS-95中用户地址码设计IS-95是全球第一个民用码分多址CDMA系统，其用户地址码设计是CDMA中最典型的方式，在IS-95中采用一个超长序列的m序列伪码，它由42节移位寄存器产生(长码)，然后每个用户按照一定规律选取其中局部的有限位作为用户地址。,长码序列发生器结构,5.4.3用户地址码,3、CDMA2000 1X中的用户地址码CDMA2000 1X是IS-95体制的延续和发展，其用户地址码与IS-95完全相同。4、WCDMA中的用户地址码在WCDMA中的地址码为了绕过IS-95以m序列为基础产生扰码的知识产权争论，采用了Gold码。Gold码是由两个本原m序列相加而构成的伪随

24、机序列，它与m序列一样具有产生简单、自相关性能优良、且数量较多的优点。WCDMA中用户地址码分为两类：长码和短码。,5.4.4基站地址码,1.基站地址码选址原则为了尽可能减少基站间的多用户干扰，基站地址码应满足正交性能，同时满足序列数量足够多。基站地址码主要用于上、下行信道区分不同的基站。在IS-95中采用两个较短的PN码，码长，分别对下行同相(I)与正交(Q)调制分量进行扩频。,5.4.4基站地址码,2.IS-95中基站地址码的产生在IS-95中，同相(I)信道使用的短PN码特征多项式与逆多项式如下：在IS-95中，正交(Q)信道使用的短PN码特征多项式与逆多项式如下：,5.4.4基站地址码

25、,3.CDMA2000系统的基站地址码CDMA2000-1X基站地址扰码与IS-95完全相同。CDMA2000-3X基站地址扰码不同于IS-95，它是仍由m序列(附加一个0)产生，其速率为3.6864Mchip/s。其生成多项式为：I序列起始码片是位于连续19个“0”之后的“1”位置，Q序列起始码片位置要比I序列延迟1/2个码片(chip)。,5.4.4基站地址码,4.WCDMA系统的基站地址码WCDMA系统的基站地址码主要用于区分小区(基站或扇区)，为了绕过IS-95的知识产权，也采用了Gold码。WCDMA基站地址扰码是采用两个18阶移位寄存器产生的Gold序列为基础，共计可产生 个扰码，

26、但是实际上仅采用前面8192个。扰码长度取一帧10ms的38400个码片。,5.5 伪随机序列(PN)和扩频码的理论基础,5.5.1 伪随机(PN)序列的主要性质,1967年Golomb提出了伪随机序列应满足的三项随机性公设：(1)平衡性：在序列的一个周期内，0与1的个数至多相差1个。(2)游程平衡性：在序列的一个周期内，长为1的游程 占总游程；长为2的游程占总游程 长为 的 游程占总游程，且在等长游程中，0游程与1游程各占一半。(3)自相关函数为一个二值函数，理想为 函数。,5.5.1 伪随机(PN)序列的主要性质,目前，已找到的能完全满足上述三个随机性公设的序列并不多，它们主要分为两大类：

27、线性移位寄存器序列和非线性序列。1m序列最长线性移位寄存器(MLSR)，即m序列是最为典型的满足Golomb三个随机公设的序列。,5.5.1 伪随机(PN)序列的主要性质,2.Gold序列1967年R.Gold提出了一类伪随机序列，后来人们命名为Gold序列，其周期序列数为N+2，且彼此最大自相关旁瓣和最大互相关旁瓣为,5.5.2 扩频序列的相关特性,在蜂窝移动通信系统中，由于在同一个小区/同一个扇区内同时通信的用户不是一个而是多个，因此相互之间可能存在干扰。特别是对于码分多址方式，由于多个用户均占用相同时隙、相同频段，不同的仅是所选取的地址码不一样。这就是说各用户之间的干扰仅靠所选用的地址码

28、的互相关特性较好来消除，然而实际上理想的互相关系数处处为0的地址码是不存在的，因此在码分多址系统中多址干扰总是客观存在的。当小区/扇区中同时通信的用户数较多时，多址干扰是最主要的干扰，其次是多径干扰，而加性高斯白噪声干扰影响最小。扩频码的码型设计是克服多址干扰的最本质也是最理想的措施，这样可以从理论上设计一大类完全正交的互相关为0的理想扩频地址码，利用码组间互相关为0完全消除多用户之间的多址干扰。,5.5.2 扩频序列的相关特性,理想的扩频地址码序列是不存在的。若放松一些先决条件，比如不要求互相关函数每时刻的值都为0，而只要求在一定的窗口内为0，以及采用复合序列构造方法等，也可能找到一些比较理

29、想的地址码序列。比如LAS-CDMA系统中采用的LA/LS码等。但扩频码数量能否满足要求，同时经过恶劣的时变信道以后，理想性能是否能保持以及如何进行大范围组网仍然需要进一步研究。,5.5.2 扩频序列的相关特性,在实际应用时，可以将不可兼顾最佳性能的自、互相关特性码分开，利用具有较理想自相关函数的伪随机码(PN码)作为地址码，同时又利用具有理想互相关函数的Walsh码作为信道正交码，在保持信道同步状态下，是一个实际可取的实现方案。这一思想目前被所有的CDMA系统广泛采用。但是可惜的是已知互相关为零的Walsh码对同步误差太敏感，而实际上恶劣移动信道又不可能保证严格的同步性能，因此多址干扰总是实

30、际存在的。,5.6 小结,讨论了多址技术与扩频通信两个问题。在多址技术方面：首先介绍了频分、时分、码分和空分的基本概念。其次重点介绍了移动通信中几种典型的多址接入方式：第一代(1G)的FDMA，第二代(2G)GSM的TDMA、IS-95的CDMA，第三代(3G)三个主流制式的CDMA。在扩频通信方面：首先介绍了扩频通信的基本原理、直扩方式的主要技术指标：扩频处理增益和干扰容限，并讨论了扩频的主要优缺点。其次结合不同的码分系统：IS-95、CDMA2000和WCDMA，重点分析和介绍了CDMA的三种不同形式地址码：用户、信道、基站地址码的结构与组成。最后对地址码的理论基础进行了进一步的分析讨论。,谢谢！,