移动通信第3章 多用户接入技术

分时隙Aloha：

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Aloha 协议
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载波侦听技术




在发送前先侦听信道来决定是否发射。 比Aloha 效率高➙ 重传较少 在有线网中，载波侦听常与碰撞检测相结 合（如以太网） ➙不可在无线环境应用 当前的无线LAN 中采用的是碰撞避免 （WaveLAN 和IEEE802.11 等）。

TDMA、FDMA、CDMA（如前面面向语音多址接入的介绍）； 预约协议； 5 相预约协议（FPRP）； 时间扩展多址（TSMA）。
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预约协议

按需分配：

使用一个公共预约信道来按需分配带宽； 预约信道需用额外带宽； 若开销的流量是消息流量的百分之几时就非常有效。 控制信道通常使用Aloha。

邻信道干扰：


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。
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时分多址（TDMA）



基本概念：信道是基于时间分割并组成帧 的时隙。 用户地址：时隙。 引入的概念：时隙、帧、复帧、Burst等。

从数据信道到控制信道Offloads 接入机制。



对短信息则效率极低。 对于CDMA，预约过程必须为发射机和接收机分配单独的 扩频码。 话音和数据技术：

PRMA； 可变速率CDMA。
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分组预约多址（PRMA）


时间轴被组成时隙和帧。 所有未预约的时隙开放用于竞争。 在未预约的时隙以概率发送信息P。 数据用户在每个时隙竞争发送（Aloha）。 对话音用户，在一个未预约时隙的成功发送即为候选的发 送预约了该时隙。延时超时的数据包则被丢弃。 得到话音激活的优点（预约的时隙在讲话spurt 结束后退 出）。
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混合协议


两种以上协议的结合。 可结合基于分配和基于竞争两类协议的最佳特性。 通常很复杂（但是是很好的解决方案）。 一个好的混合协议喜欢在低负载时采用基于竞争的协议， 而在高负载采用基于分配的协议。 混合协议举例：

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信道分配问题
静态信道分配或基于分配的MAC 协 议。（同步） 动态信道分配或基于竞争的MAC 协 议。（异步） 混合MAC 协议（合并静态和动态信 道分配）

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3.4.1 基于分配的协议


在同步传输媒介中使用排序算法。 发送schedule 决定了某时隙中允许哪个节点发送数据。 大多数情况下不会发生碰撞（但有例外情况！） 在负载重时进行预测，但在负载轻时不做预测，数据包时 延明显比基于竞争的协议大。 在各种负载条件下都浪费带宽资源。 基于分配的协议举例：

利用智能天线，按空间角度划分出正交的 波束，分配给不同的用户使用。 优点：


频谱利用率高； 抗干扰、抗衰落能力强； 发射功率低，电池寿命长，电磁污染少。

缺点：

算法复杂度高； RF 成本高。
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3.3 面向语音的多址接入




频分多址（FDMA）：频道划分，频带独享，时间 共享。 时分多址（TDMA）：时隙划分，时隙独占，频率 共享。 码分多址（CDMA）：码型划分，时隙/频率共享。 空分多址（SDMA）：空间角度划分，频率/时隙/ 码共享。 在数字移动通信系统中，都是混合应用各种多址 方式。


主要特征是缺少信道接入控制； 无论何时产生数据即发送数据包； 数据包的任何部分交叠都发生一次碰撞（非正交时隙），碰撞非常普遍； 接收出错后等待一个随机长度时间后重发（避免连续碰撞）。 与Aloha 类似，但数据包分时隙发送； 数据包在预定的时隙发送； 当数据包重叠时发生碰撞，但不存在包的部分重叠，减少了碰撞的发生； 当收到的数据包出错时在一段随机长度延时之后重发。

系统定时：


定时保护时间：

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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。 用户地址：扩频码字。
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空分多址技术（SDMA）


基本概念：基于空间角度分隔信道，频率、时间、码字共 享。 用户地址：角度号。
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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。


每个基站只需一个射频系统； 抗衰落、抗多径能力强； 采用多码道或多速率技术可为一个用户分配多个“信道”； 软容量——系统是干扰受限的； 可使用减小干扰技术增加容量； 具有软切换能力。

缺点：

需要相当严格的功率控制，使系统复杂； 存在“远近效应”问题。
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空分（SD）




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。
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MAC 层的位置

MAC 层在简单协议栈内的位置：
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MAC 的功能



在多址接入信道上决定“Who doesnext” ； 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 协议主要为满足无线网络的 ad hoc 需求而变得复杂。
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3.4.2wk.baidu.com基于竞争的协议

简单协议：

Aloha CSMA 忙音多址（BTMA） 接收机发起的BTMA（RI-BTMA） 无线碰撞检测（WCD） 碰撞避免多址（MACA） MACAW、MACA-BI、MACA/PR
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碰撞避免协议：



Aloha

数据分组化。 数据包占用给定的时间间隔（TD 技术）。 纯Aloha：

缺点：


需严格的系统定时同步； 系统是时隙受限和干扰受限的； 多径恶化了时隙的正交性； 通常需采取措施减轻ISI 的影响； 空闲信道可能被浪费； 短时传送信号使均衡和动态资源分配困难。
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码分（CD）

通常用正交或准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：
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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。
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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。
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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）



发送端接收到其目的节点回应的CTS 消息后 就立即发送数据。 解决了隐形终端问题。 只能用于单播发送。 需要快速无线切换。
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RTS-CTS 握手---RTS
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RTS-CTS 握手---CTS
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RTS-CTS 握手---DATA
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高速无线数据的实现



重传降低了功率和频谱效率； Aloha 效率低，不能满足高速数据吞吐量的 需求； 对短信息来说，预约协议效率也低，长数 据突发时预约协议效率高； 延时限制更使吞吐量受限。
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。
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码分双工-CDD
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。

缺点：




FD 没有在现有数字系统中单独使用。
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时分（TD）

时间被划分为正交的时隙，不同的时隙被分配给不同的用户使用。 优点：



用于以频率复用为基础的蜂窝结构，小区内以时隙分离用户； 在基站所有的用户公用无线电设备； 不连续传输信号使越区切换简单，并且功耗减小； 每个时隙传输一路数字信号，时隙可以按需动态分配； 容易为一个用户分配多个信道； 对功控要求不严格； 无需双工器； TDD 模式下，上下行信道信息可以共享

为克服“远近效应”需采用功率控制。




当移动台决定要越区切换到另一个小区时，需严 格进行功率控制。 移动台可同时与多个基站进行通信。 cdma2000 是IS-95 的3G 版本。
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3.4 面向数据的多址接入

无线分组数据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：
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载波侦听多址（CSMA）


在试图发送之前，节点先侦听信道，检查 正在进行的传输。 CSMA 协议可具有不同的持续程度。
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碰撞避免载波侦听多址（CSMA/CA）
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碰撞避免多址（MACA）

采用握手对话（随路信令）：

发送端发出发送请求（RTS）； 接收端回应以清除发送（CTS）。

第3章 多用户接入技术
������ ������ ������ ������
双工方案 多址方式 面向语音的多址接入 面向数据的多址接入
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3.1 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。

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双工方式

针对问题：收发如何复接在一起。 分类：

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3.2 多址接入控制（MAC）
基本概念：实现不同地点、不同用 户接入网络的技术。 多址接入与信道：

信道：传输信息的通道。 无线信道：（f，t，C，S）。

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接入技术设计

FD、TD、CD、SD 或混合。


小区内的效率； 对其它小区的干扰； 蜂窝系统“容量”； 其它考虑的问题：



频分双工-FDD：上下行信流在不同的频段同时 传送。 时分双工-TDD：上下行信流在不同的时隙交替 传送。 码分双工-CDD：用正交和半正交码来分离上下 行链路。
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频分双工-FDD

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。


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时分双工-TDD


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GSM 接入

接入方式结合了FD、TD 和慢FH：


总BW 分割成200Khz 带宽的载波频道； 每个载波被分为一个帧长中有8 个时隙； 每个小区最多有200 个全双工信道； 基站为移动台分配信道； 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；



频率规划； 同步需求； 软切换； 功率控制需求； 频率复用需求。
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频分（FD）

所有的带宽被划分成正交的频道，再分配给不同的用户使用。 优点：



窄带信道（没有ISI）； 比较简单，容易实现，适用于模拟和数字； 用于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； 允许连续时间传送信号和进行信道估计 基站需采用多个无线电设备； 由于连续时间传送信号而导致越区切换复杂； 信道专用（空闲的用户也占有信道造成浪费）； 难以为一个用户分配多个信道； 频谱效率低，不宜在大容量的系统中使用。
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。
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IS-95（CDMA）接入

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。


无须频率规划； 若扩频码未被邻小区分配出去时，允许进行软切换。 小区边界的移动台增大了对邻小区的干扰功率。