第2讲 无线通信的多址技术
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sij(t) t
t1
t2
t3
t4
t5
Mnk() t t4
工作原理（续）
这时，nk的选址输出为：
M nk rk t M nk t rk t Lik aij M nk t sij t M nk t nk t
各种系统（续）
蜂窝移动 通信系统 高级移动电话系统（AMPS） 全球移动通信系统（GSM） 美国数字蜂窝（USDC） 日本数字蜂窝（JDC） CT2（无绳电话） 欧洲数字无绳电话（DECT） 多址技术 FDMA/FDD TDMA/FDD TDMA/FDD TDMA/FDD FDMA/TDD TDMA/TDD
FDMA的非线性效应
由于发射机功率放大器的非线性，会产生： 频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，会产生频 谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。 信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，会产生大 信号抑制小信号的现象，影响通信效果。 交调噪声：多载波的发送信号经过非线性信道，在发送信 号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成 干扰。
信道配置
FDMA/FDD、TDD信道配置图 代码
频率 信 信信 道 道道 1 2 3 时间 信 道 n
技术特点
FDMA通常在窄带系统实现； 符号时间远大于延时扩展，不需要均衡； 不间断发送，系统额外开销少； 系统简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤 波器来消除相邻信道干扰，消除基站的杂散 辐射。 信道非线性是FDMA系统的主要矛盾。
第二讲：无线通信的多址技术
概要
电信网络的技术体系
电信网络技术体系的关键：复用/多址问题 （类似于“群众同路而行”），寻址问题（即 交换问题，类似于“个人寻找归宿” ）。
电信网络技术体系共分4类 按复用方式分类有：确定复用和统计复用 按寻址（交换）方式分类有：有连接操作寻址 （即电路交换）和无连接操作寻址（即分组交 换）。
应用实例
宽带TDMA（如卫星通信系统），信道带宽几兆。 中频宽TDMA（如GSM），信道带宽100~500kHz。 窄带TDMA（如北美IS-54），信道带宽低于50kHz。 说明：GSM系统的总带宽25MHz，一个信道200kHz，具 有8个TDMA用户，未设保护带宽，总用户数为： Bc＝200/8＝25KHz， N＝25×106 /25 ×103＝1000
扩频调制的三个主要特征：[1]信号带宽远大于所传信 息需要的带宽；[2]扩频调制用扩频码，扩频码独立于 所传数据；[3]接收端的解扩是用同步扩频码和接收信 号进行相关。 编码及调频等也可以使信号带宽大于所需，但它们不 属于扩频。
扩频的作用
使信号隐蔽在背景噪声下，使其难以被发现（所以它 最初应用在军事中）。 可以抗码间干扰ISI和窄带干扰。 采用RAKE接收机的扩频系统可以把不同的多径信号进 行合并。 可以使多个用户共享相同的频带。 宽带的扩频信号对定时和获取定时信息有利。
1932 1934 n=1 1926 n=2 1922 n=3 1918
1924
1936 1938
1920
1940 1942*
1916
1944* 1946*
关键技术问题
需要很好解决信道的非线性问题 目标：希望保持发送频谱的形状，主瓣不会展宽，旁 瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率 分量。 方法： （1）采用高线性度的功率放大器； （2）合理配置频率避开交调分量； （3）功率放大器的输出功率倒退法； （4）功率放大器的线性补偿法。
i 1 j 1 i j N N
snk t , M nk t sij t o,
i n, j k i n或 j k
M nk rk t Lnk a nk snk Βιβλιοθήκη Baidut M nk t n k t
多址接入与随机接入
如何高效地将通信系统资源（包括空、时、 频、码等信号自由度和功率等）分配给多个 用户？ 多址接入（multiple access）：给每个用户 分配专用信道的方式（将系统的信号自由度 分配给不同的用户）。适合于连续传输且时 延受限的业务，如语音或视频。 随机多址或随机接入（random access）:采 用某种随机形式的信道分配将信号自由度分 配给用户。适合于突发性数据业务。
典型应用实例（2）
无绳电话CT-2（欧洲标准）为FDMA/TDD方式：频段 864.15-868.14MHz；带宽4MHz，分为40个信道，每 个信道100kHz；双工方式为TDD。
CT-2的帧结构（速率:72kb/s）：
时分多址
工作原理
这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行 分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符 集采用相应时隙的选择开关。
多址传输模型(1)
共有N个地址，第k个地址发送的信号为：
s k (t ) a kj s kj (t )
j 1 jk N
其中skj(t)为kj的信号，akj =1或0
sk(t) k rk(t) 多址信道
多址传输模型(2)
第k个地址接收的信号为：
rk (t ) Lik aij sij (t ) nk (t )
其中，抗窄带干扰的特性使其用于无绳电话，抗码间 干扰和共享频带的特性使其适用于蜂窝系统和无线局 域网。
扩频增益
扩频增益G，也称为处理增益（processing gain）或扩 频因子（spreading factor）：将干扰的功率扩展到比 信号维M更大的N维空间后，信干比增加的倍数，即 G=N/M。 因为N≌2BsT，M≌2BT，所以G ≌Bs/B，即扩频信号 带宽与信息信号带宽的比值。 处理增益一般定义为带宽比，但其内在含义是指干扰 条件下相对于未扩频系统的性能增益。
TDMA的效率
系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不 包括系统开销； 帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。
TDMA系统的信道数
总的信道数：总的TDMA时隙数。即每一信道的TDMA时 隙数乘以有效信道数。
N＝[m(Btot－2B保护)]/Bc
m为每个信道所支持的TDMA用户数，Btot信道带宽，B 保护保护带宽，Bc用户带宽。
信道配置
代码
信道N
时隙
信道3 信道2 信道1
频率
时间
TDMA/TDD、FDD
信道配置图
TDMA帧结构
TDMA帧
头比特 信息 尾比特
时隙1
时隙2
时隙3
……
时隙n
尾比特
同步比特
信息数据
保护比特
技术特点
多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和 调制技术等； 数据分组发送，不连续发送，需开关； 由于速率较高，往往需要采用均衡器； 系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等； 采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。
扩频实现的方式
直序扩频 DSSS（direct-sequence spread spectrum）。 它将已调的数据信号s(t)与一个扩频信号或扩频码sc(t) 相乘，其中sc(t)在时间Tc内的取值是固定的1或-1。扩频 码的比特称码片（chip），称Tc 为码片时间（chip time），称1/ Tc为码片速率（chip tate）。 跳频扩频 FHSS（frequence-hopping spread spectrum）。它在一个宽广的频带内，根据扩频码sc(t) 的值不断改变已调信号的载频。如果跳变时间大于码元 周期，则称为慢跳频（SFH）；如果在一个码元周期内 跳多次，则称为快跳频（FFH）。 正交可变扩频因子OVSF（原理与过程；条件；OVSF码 集的构造方法。Ref：《现代无线通信》p202-203）
典型应用实例（1）
美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分 配频率； 同时支持的信道数： N＝（Bt－2B保护）/Bc Bt 系统带宽，Bc信道带宽， B保护为分配频率时的保护带宽。
例：如Bt为12.5MHz，B保护为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系 统的有效信道数。 解：N＝（Bt－2B保护）/Bc 将上述数值代入即有N＝416
M nk
s nk (t ), sij (t ) 0,
i n, j k i n, j k
多址传输的主要问题是选择合适的波形集sij(t)和相应的算符 集 Mnk()，以满足正交分割的要求。
信号分割技术
信号的分割 正交 FDMA TDMA SDMA 非正交 CDMA
应用实例（续）
GSM系统的复用方式： FDMA/TDMA/FH混合系统。 为叠加在FDMA上的TDMA， 一个信道200kHz，具有8个 TDMA用户（时隙），未设保 护带宽，其帧结构如图。
Ref:《现代无线通信》p177 与跳频结合的方式（与交织 相结合的跳频）及作用。 GSM的编码/调制方式（时间 带宽乘积参数WT的作用）
i 1 j 1
N
N
其中Lik为ik的传输系数，nk(t)为k的接收机噪声。
多址传输模型(3)
M1k() rk(t) s1k(t)
M2k()
s2k(t)
MNk()
sNk(t)
要实现多址通信，必需在k站分离出其它各站送给它的信号。
多址传输模型(4)
图中Mnk()是对r(t)进行某种运算的算符，在不考虑噪声的 情况下：
i 1 j 1 i j N N
snk t , M nk t sij t o,
i n, j k i n或 j k
M nk rk t Lnk a nk snk t M nk t nk t
双工技术
多址还要考虑双工方式 FDD：收发频率分开、接收和发送通过滤波器来 完成； 特点：合理安排频率； TDD：收发共用一个频率、接收和发送通过开关 来完成； 特点：收发存在时间间隔。
各种系统
双工方式和多址方式要统一考虑； 主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA； 窄带系统采用方式： FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD； 宽带系统采用方式： TDMA、CDMA/FDD、TDD； 空分多址（SDMA）是一种辅助方式。
分帧同步技术
分帧同步系统的重要性
分帧同步的指标：建立时间、保持时间、同步精度
分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率 为了减少传播延时变化所带来的影响，需要采用自适 应时隙跟踪方法
码分多址
本节包括2部分： （1）扩频技术； （2）码分多址CDMA
扩频的含义
扩频是一种数字调制技术，其发送信号的带宽远大于 所传信息需要的带宽。
美国窄带扩频（IS－95）
CDMA/FDD
频分多址
工作原理
这是频率域上的正交分割。信号集采用在频谱上互不重 叠载频，算符集采用不同载频的带通滤波器。
Sij(f) f
f1
f2
f3
f4
f5
f6
Mnk() f
f5
工作原理（续）
这时，nk的选址输出为：
M nk rk t M nk t rk t Lik aij M nk t sij t M nk t nk t
交调举例
例：IM＝mf1+nf2，m,n为任意整数，如：f1=930MHz， f2=932MHz，求落在工作频率为1920～1940MHz的交调 频率。 解：可能的频率有：（2n+1）f1（2）－2nf2（1）， （2n+2）f1（2）－（2n+1）f2（1）等等，n=0,1,2…. n=0 1930 1928
TDMA的关键技术问题
数据缓冲技术
突发解调技术
分帧同步技术
数据缓冲技术
实现均匀突发和突收均匀的变换
发缓冲 发送突发数据
发送均匀数据
接收突发数据
收缓冲
接收连续数据
突发解调技术
关键技术是解调过程中的载波快速同步与时钟快速 同步。 载波快速同步的一种方法：延时相干解调
时钟快速同步的一种方法：步进相位选择
t1
t2
t3
t4
t5
Mnk() t t4
工作原理（续）
这时，nk的选址输出为：
M nk rk t M nk t rk t Lik aij M nk t sij t M nk t nk t
各种系统（续）
蜂窝移动 通信系统 高级移动电话系统（AMPS） 全球移动通信系统（GSM） 美国数字蜂窝（USDC） 日本数字蜂窝（JDC） CT2（无绳电话） 欧洲数字无绳电话（DECT） 多址技术 FDMA/FDD TDMA/FDD TDMA/FDD TDMA/FDD FDMA/TDD TDMA/TDD
FDMA的非线性效应
由于发射机功率放大器的非线性，会产生： 频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，会产生频 谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。 信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，会产生大 信号抑制小信号的现象，影响通信效果。 交调噪声：多载波的发送信号经过非线性信道，在发送信 号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成 干扰。
信道配置
FDMA/FDD、TDD信道配置图 代码
频率 信 信信 道 道道 1 2 3 时间 信 道 n
技术特点
FDMA通常在窄带系统实现； 符号时间远大于延时扩展，不需要均衡； 不间断发送，系统额外开销少； 系统简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤 波器来消除相邻信道干扰，消除基站的杂散 辐射。 信道非线性是FDMA系统的主要矛盾。
第二讲：无线通信的多址技术
概要
电信网络的技术体系
电信网络技术体系的关键：复用/多址问题 （类似于“群众同路而行”），寻址问题（即 交换问题，类似于“个人寻找归宿” ）。
电信网络技术体系共分4类 按复用方式分类有：确定复用和统计复用 按寻址（交换）方式分类有：有连接操作寻址 （即电路交换）和无连接操作寻址（即分组交 换）。
应用实例
宽带TDMA（如卫星通信系统），信道带宽几兆。 中频宽TDMA（如GSM），信道带宽100~500kHz。 窄带TDMA（如北美IS-54），信道带宽低于50kHz。 说明：GSM系统的总带宽25MHz，一个信道200kHz，具 有8个TDMA用户，未设保护带宽，总用户数为： Bc＝200/8＝25KHz， N＝25×106 /25 ×103＝1000
扩频调制的三个主要特征：[1]信号带宽远大于所传信 息需要的带宽；[2]扩频调制用扩频码，扩频码独立于 所传数据；[3]接收端的解扩是用同步扩频码和接收信 号进行相关。 编码及调频等也可以使信号带宽大于所需，但它们不 属于扩频。
扩频的作用
使信号隐蔽在背景噪声下，使其难以被发现（所以它 最初应用在军事中）。 可以抗码间干扰ISI和窄带干扰。 采用RAKE接收机的扩频系统可以把不同的多径信号进 行合并。 可以使多个用户共享相同的频带。 宽带的扩频信号对定时和获取定时信息有利。
1932 1934 n=1 1926 n=2 1922 n=3 1918
1924
1936 1938
1920
1940 1942*
1916
1944* 1946*
关键技术问题
需要很好解决信道的非线性问题 目标：希望保持发送频谱的形状，主瓣不会展宽，旁 瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率 分量。 方法： （1）采用高线性度的功率放大器； （2）合理配置频率避开交调分量； （3）功率放大器的输出功率倒退法； （4）功率放大器的线性补偿法。
i 1 j 1 i j N N
snk t , M nk t sij t o,
i n, j k i n或 j k
M nk rk t Lnk a nk snk Βιβλιοθήκη Baidut M nk t n k t
多址接入与随机接入
如何高效地将通信系统资源（包括空、时、 频、码等信号自由度和功率等）分配给多个 用户？ 多址接入（multiple access）：给每个用户 分配专用信道的方式（将系统的信号自由度 分配给不同的用户）。适合于连续传输且时 延受限的业务，如语音或视频。 随机多址或随机接入（random access）:采 用某种随机形式的信道分配将信号自由度分 配给用户。适合于突发性数据业务。
典型应用实例（2）
无绳电话CT-2（欧洲标准）为FDMA/TDD方式：频段 864.15-868.14MHz；带宽4MHz，分为40个信道，每 个信道100kHz；双工方式为TDD。
CT-2的帧结构（速率:72kb/s）：
时分多址
工作原理
这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行 分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符 集采用相应时隙的选择开关。
多址传输模型(1)
共有N个地址，第k个地址发送的信号为：
s k (t ) a kj s kj (t )
j 1 jk N
其中skj(t)为kj的信号，akj =1或0
sk(t) k rk(t) 多址信道
多址传输模型(2)
第k个地址接收的信号为：
rk (t ) Lik aij sij (t ) nk (t )
其中，抗窄带干扰的特性使其用于无绳电话，抗码间 干扰和共享频带的特性使其适用于蜂窝系统和无线局 域网。
扩频增益
扩频增益G，也称为处理增益（processing gain）或扩 频因子（spreading factor）：将干扰的功率扩展到比 信号维M更大的N维空间后，信干比增加的倍数，即 G=N/M。 因为N≌2BsT，M≌2BT，所以G ≌Bs/B，即扩频信号 带宽与信息信号带宽的比值。 处理增益一般定义为带宽比，但其内在含义是指干扰 条件下相对于未扩频系统的性能增益。
TDMA的效率
系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不 包括系统开销； 帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。
TDMA系统的信道数
总的信道数：总的TDMA时隙数。即每一信道的TDMA时 隙数乘以有效信道数。
N＝[m(Btot－2B保护)]/Bc
m为每个信道所支持的TDMA用户数，Btot信道带宽，B 保护保护带宽，Bc用户带宽。
信道配置
代码
信道N
时隙
信道3 信道2 信道1
频率
时间
TDMA/TDD、FDD
信道配置图
TDMA帧结构
TDMA帧
头比特 信息 尾比特
时隙1
时隙2
时隙3
……
时隙n
尾比特
同步比特
信息数据
保护比特
技术特点
多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和 调制技术等； 数据分组发送，不连续发送，需开关； 由于速率较高，往往需要采用均衡器； 系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等； 采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。
扩频实现的方式
直序扩频 DSSS（direct-sequence spread spectrum）。 它将已调的数据信号s(t)与一个扩频信号或扩频码sc(t) 相乘，其中sc(t)在时间Tc内的取值是固定的1或-1。扩频 码的比特称码片（chip），称Tc 为码片时间（chip time），称1/ Tc为码片速率（chip tate）。 跳频扩频 FHSS（frequence-hopping spread spectrum）。它在一个宽广的频带内，根据扩频码sc(t) 的值不断改变已调信号的载频。如果跳变时间大于码元 周期，则称为慢跳频（SFH）；如果在一个码元周期内 跳多次，则称为快跳频（FFH）。 正交可变扩频因子OVSF（原理与过程；条件；OVSF码 集的构造方法。Ref：《现代无线通信》p202-203）
典型应用实例（1）
美国AMPS系统：FDMA/FDD，模拟窄带调频（NBFM），按需分 配频率； 同时支持的信道数： N＝（Bt－2B保护）/Bc Bt 系统带宽，Bc信道带宽， B保护为分配频率时的保护带宽。
例：如Bt为12.5MHz，B保护为10KHz，Bc为30KHz，求FDMA系 统的有效信道数。 解：N＝（Bt－2B保护）/Bc 将上述数值代入即有N＝416
M nk
s nk (t ), sij (t ) 0,
i n, j k i n, j k
多址传输的主要问题是选择合适的波形集sij(t)和相应的算符 集 Mnk()，以满足正交分割的要求。
信号分割技术
信号的分割 正交 FDMA TDMA SDMA 非正交 CDMA
应用实例（续）
GSM系统的复用方式： FDMA/TDMA/FH混合系统。 为叠加在FDMA上的TDMA， 一个信道200kHz，具有8个 TDMA用户（时隙），未设保 护带宽，其帧结构如图。
Ref:《现代无线通信》p177 与跳频结合的方式（与交织 相结合的跳频）及作用。 GSM的编码/调制方式（时间 带宽乘积参数WT的作用）
i 1 j 1
N
N
其中Lik为ik的传输系数，nk(t)为k的接收机噪声。
多址传输模型(3)
M1k() rk(t) s1k(t)
M2k()
s2k(t)
MNk()
sNk(t)
要实现多址通信，必需在k站分离出其它各站送给它的信号。
多址传输模型(4)
图中Mnk()是对r(t)进行某种运算的算符，在不考虑噪声的 情况下：
i 1 j 1 i j N N
snk t , M nk t sij t o,
i n, j k i n或 j k
M nk rk t Lnk a nk snk t M nk t nk t
双工技术
多址还要考虑双工方式 FDD：收发频率分开、接收和发送通过滤波器来 完成； 特点：合理安排频率； TDD：收发共用一个频率、接收和发送通过开关 来完成； 特点：收发存在时间间隔。
各种系统
双工方式和多址方式要统一考虑； 主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA； 窄带系统采用方式： FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD； 宽带系统采用方式： TDMA、CDMA/FDD、TDD； 空分多址（SDMA）是一种辅助方式。
分帧同步技术
分帧同步系统的重要性
分帧同步的指标：建立时间、保持时间、同步精度
分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率 为了减少传播延时变化所带来的影响，需要采用自适 应时隙跟踪方法
码分多址
本节包括2部分： （1）扩频技术； （2）码分多址CDMA
扩频的含义
扩频是一种数字调制技术，其发送信号的带宽远大于 所传信息需要的带宽。
美国窄带扩频（IS－95）
CDMA/FDD
频分多址
工作原理
这是频率域上的正交分割。信号集采用在频谱上互不重 叠载频，算符集采用不同载频的带通滤波器。
Sij(f) f
f1
f2
f3
f4
f5
f6
Mnk() f
f5
工作原理（续）
这时，nk的选址输出为：
M nk rk t M nk t rk t Lik aij M nk t sij t M nk t nk t
交调举例
例：IM＝mf1+nf2，m,n为任意整数，如：f1=930MHz， f2=932MHz，求落在工作频率为1920～1940MHz的交调 频率。 解：可能的频率有：（2n+1）f1（2）－2nf2（1）， （2n+2）f1（2）－（2n+1）f2（1）等等，n=0,1,2…. n=0 1930 1928
TDMA的关键技术问题
数据缓冲技术
突发解调技术
分帧同步技术
数据缓冲技术
实现均匀突发和突收均匀的变换
发缓冲 发送突发数据
发送均匀数据
接收突发数据
收缓冲
接收连续数据
突发解调技术
关键技术是解调过程中的载波快速同步与时钟快速 同步。 载波快速同步的一种方法：延时相干解调
时钟快速同步的一种方法：步进相位选择