移动通信第八课 多址技术系统容量分析以及数据链路层技术

系统定时


定时保护时间

码分多址 (CDMA)

基本概念：基于码型结构分隔信道，频率、时间共享。 特点：




每个基站只需一个射频系统； 小区内以CDMA建立信道 连接； 每个码传输一路数字信号； 各用户共享频率和时间； 是一个多址干扰受限系统； 需要相当严格的功率控制， 使系统复杂； 需要定时同步； 具有软容量； 具有软切换能力； 语音激活技术可扩大系统 容量； 抗衰落、抗多径能力强。

扇区化


基站的全向天线被分为G 个扇区。 假设在其它扇区内的用户不对本扇区产生干 扰。 每个扇区的用户数Ns=N/G (干扰减小G 倍)。 基站需处理扇区之间的越区切换。
语音激活 当用户不讲话时就不发射信 号。 语音激活因子α=0.35～0.4 (减少60～65%的干扰)。 每次话音突发需进行再同步。
移动通信---第八课
多址技术与系统容量分析 以及数据链路层技术
目录 多址技术 系统容量分析 DLC 层技术

MAC协议 链路控制技术


动态信道分配

无线媒介 所有用户共享无线资源； 信道接入成为中心问题，它决 定了网络的基本容量，并且对 系统复杂度和/或成本有极大 的影响。

双工方式

FDMA/TDMA的系统容量：每小区的信道数(m)
CDMA 的系统容量


蜂窝系统采用CDMA的目的：增大系统容量 同信道干扰：本小区的用户多址干扰，邻小区 的用户干扰→多址干扰或多用户干扰 CDMA的系统容量

信道数：频带+时隙+扩频码 有效用户数(m) 考虑语音激活因子---α (~35%) 考虑扇区化因子---G 考虑频率复用效率---F

总 BW 分割成 200Khz 信道； 小区信道复用基于对信号和干扰的测量结果； 所有信号用一个 FH 扩频码调制

同一小区的 FH 扩频码正交； 不同小区的 FH 扩频码半正交。

FH 减轻了频率选择性衰落的影响； FH 通过伪随机调频图案平均了干扰。
IS-95 (CDMA) 接入


话音激活因子从 0.375 变为 0.5，容量 降低 30%； 路径损耗指数从 4 变成 3，容量降低 20%； 多径衰落造成容量降低 45%； 越区切换门限从 0 变成 6 dB，容量降 低 40%； 功率控制误差从 0 变成 1 dB，容量降 低 35%。
比较三种多址方式的容量
区域频谱效率


造成用户掉话率更高。
爱尔兰（Erlan）B公式

ErLan B描述系统的阻塞率，源于有线电话的话 务量分析。 假设电话呼叫的发起过程符合泊松分布，服务 时间符合负指数分布，

CDMA具有软容量的概念

CDMA是一个干扰受限系统，任何降低干扰的方法将 增加容量，同时降低QoS要求也将增加容量
TDMA 的系统定时

TDMA系统突发定时关系


移动台的移动性导致各移动台到基站的距离不同因此发送信号 的延时也不相同导致基站接收的信号相互交叠干扰； 解决办法用户提前发送 ； 重要问题系统定时保护时间和定时提前量。 全网同步切换； 位/时隙/帧/复帧同步。 Guard Periods； 根据基站覆盖小区的半径 和电波传播时延确定。
D-AMPS
频谱使用同 AMPS系统。 业务信道被分成每帧6个时隙。 每个频道可为多个用户使用。 信道的数据速率为 8.1kbps，但信道 可集中起来使用，以支持更高速业 务。 信道接入近似 AMPS。
f4 f3 f2 f1 s1 s2 s3 s4 Time slot sN-1 sN
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动态信道分配
蜂窝系统的容量

系统的容量包括两方面的概念：
用户容量，即系统可以同时接纳的用户 数目。 业务容量，即系统允许同时传输的数据 量(满足一定的QoS要求)。

缺点：

码分（CD）


通常用正交或半正交码来调制每个用户的信 号，接收机则根据用户的专用码分离用户。 优点：


在系统中没有用户数的硬性限制 (软容量——系统是 干扰受限的)； 使用干扰减小技术增加容量； 无需同步； 采用多码道或多速率技术可为一个用户分配多个“信 道”。 复杂； 存在“远近效应”问题。
前向链路还是反向链路容量

反向链路：

非相干接收； 每个用户经历的衰落相互独立； 需功率控制。 导频辅助的相干解调； 多径同步合并。 其它小区的干扰均衡了各个方向的性能。

前向链路：


结论：反向链路是容量限制因素。

CDMA前向链路容量
CDMA反向链路容量
CDMA 容量降低


FDMA 中的干扰问题

互调干扰


概念：指系统内由于非线性器件(功率放大器)产生的 各种组合频率成分落入本频道接收机通带内，造成对 有用信号的干扰 解决办法：减小产生互调干扰的条件，尽可能提高系 统的线性程度，并选用无互调的频率集(频率规划) 概念：指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道 带内，造成对有用信号的干扰 原因：带外抑制不够，非线性器件产生寄生辐射 解决方法：规定收发信机的技术指标，即规定发射机 的寄生辐射和接收机的中频选择性，还可采用加大频 道间的隔离度

收发如何复接在一起 频分双工-FDD：上下行信流在不同的频段同时传送。

没有同步问题； 上下行链路信道衰落相互独立； 需用双工器来分离上下行信号。 双工装置简单； 一个方向上的信号传输可用于另一个方向的信道测量； 上下行链路之间的带宽分配灵活； 需要同步，并要考虑收发无线切换的时间； 需保护时隙来防止上下行时隙混叠； 引起额外的延时和缓冲器的开销； 半正交码不能克服“远近效应”； 正交码的正交性在多径信道中被恶化； 在任何现有系统中没被采用过。
三种多址技术的比较
举例
AMPS GSM (EDGE) IS-54 和 IS-136 JDC IS-95 IMT-2000

FDMA/FDD TDMA/FDD TDMA/FDD TDMA/FDD CDMA/FDD CDMA/FDD
GSM 接入


上下行链路用FDD分隔。
接入方式结合了 FD、TD 和慢 FH


对于单小区系统，在加性白高斯噪声 下，FDMA/TDMA/CDMA具有相同 容量，CDMA容量大的原因是从多小 区的角度。
容量比较

香农容量：

香农容量没有计入复用距离的作用。 有些结果得自具有联合基站处理的 TDMA 系统。 可支持的具有规定性能要求的用户数量。 结果与业务流量、话音激活因子和传播模型密切相 关。 可通过减小干扰技术提高用户容量。
在多址接入信道上决定“Who does next” ； 根据系统需求和应用（例如 QoS 需求）可能发生改变； 很多无线 MAC 协议源于有线系 统； 很多 MAC 协议主要为满足网络 的 ad hoc 需求而变得复杂。

AMPS




基于 FDMA 的蜂窝系统。 共划分成 832 全双工信道 (组成控制信道 和业务信道)。 每个小区有1个全双工控制信道和45-50 个全双工业务信道。 采用基于 CSMA (可能发生碰撞) 的协议 接入控制信道。 由基站分配业务信道。

分类

频分多址 (FDMA)

基本概念：总带宽被分隔成多个正交的频道，每个用户占用一个 频道。 用户地址：频道号。 FDMA的特点：

比较简单，容易实现，适用于模拟和数字； 是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区； 需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统； 以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟/数字话路； 对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置； 基站是多部不同载波频率发射机同时工作； 频谱效率低，不宜在大容量的系统中使用。
ASE vs. 小区半径
fc=2 GHz 10 平均区域频谱效率 [Bps/Hz/Km2]
1
D=4R D=6R
10
0
D=8R
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
小区半径 R [Km]
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MAC 协议 链路控制技术


动态信道分配
一般概念
无线网络节点通过无线电波交换 信息（例如数据包）； 在 MAC 层，数据包可以是：

单播（Unicast）数据包—— 寻址 特定的节点； 组播（Multicast）数据包 (或在特 殊情况下的广播)——寻址一组节 点。

MAC 层的位置

MAC 层在简单协议栈内的位置：
MAC 的功能

用户容量：



区域频谱效率。
FDMA 和 TDMA 系统的容量

蜂窝系统容量的限制因素——同信道干扰。 FDMA与TDMA系统中：


信道正交，同一时间的小区内只允许一个用户占用一 个信道(频带或时隙)，小区内无同信道干扰； 同信道干扰来自相邻同频小区，频率复用因子； 邻信道干扰：FDMA(带外辐射)，TDMA(信号时 延)。

每个用户单独分配一个 DS 扩频码 扩频码在每个小区中复用