多址技术(多址通信是怎么回事)

更新时间:2023-04-16
释放双眼,带上耳机,听听看~!
00:00

00:00

1. 多址的基本原理

       在无线通信系统中是以信道来区分通信对象的,一个信道只容纳一个用户进行通话,许多同时通话的用户,可以共享无线媒体,用某种方式可区分不同的用户,这就是多址方式。在无线通信环境的电波覆盖区内,如何建立用户之间的无线信道的连接,是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。
       多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时间、频率和码型的函数,即可写作:
多址技术(图1)
        式(10-37)中,c(_f)是码型函数是时间⑴和频率(/)的函数。
        当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时,称为频分多址方式(FDMA);当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时,称为时分多址方式(TDMA);当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时,称为码分多址方式(CDMA)。图10.21分别给出了N个信道的FDMA.TDMA和CDMA的示意图。
FDMA\TDMA\CDMA示意图
图21    FDMA、TDMA和CDMA示意图
       目前在无线通信中应用的多址方式有:频分多址(FDMA),时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及它们的混合应用方式等。另外采用智能天线技术,可以构成空间上用户的分割,因此除了以上三种多址方式外,还有空分多址(SDMA)技术,一般空分多址需要与其他多址方式结合。
FDMA

2.频分多址技术(FDMA)

(1)FDMA系统原理

       频分多址为每一个用户指定了特定信道,这些信道按要求分配给请求服务的用户。在呼叫的整个过程中,其他用户不能共享这一频段。从图10.22中可以看出,在FDD系统中,分配给用户一个信道,即一对频谱多址技术(图4)多址技术(图5);一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道,另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号;任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转,因而必须同时占用2个信道(2对频谱)才能实现双工通信。在频率轴上,前向信道占有较高的频带,反向信道占有较低的频带,中间为保护频段。在用户频道之间,设有保护频带多址技术(图5),,以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠。
FDMA系统的工作示意图
图22  FDMA系统的工作示意图
       前向与反向信道的频带分割,是实现频分双工通信的要求;频道间隔(例如25kHz)是保证频道之间不重叠的条件。

(2) FDMA系统中的干扰问

      FDMA系统是基于频率划分信道。每个用户利用一对频道和九进行通信。若有其他信号的成分落入一个用户接收机的频道带内时,将造成对有用信号的干扰。就蜂窝小区内的基站动台系统而言,主要干扰有互调干扰和邻道干扰。在频率集重复使用的蜂窝系统中,还要考虑同频道干扰。所谓互调干扰是指系统内由于非线性器件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。所谓邻道干扰是指相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内造成对有用信号的干扰。

(3) FDMA系统的特点

       每信道占用一个载频,相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。为了在有限的频谱中増加信道数量,系统均希望间隔越窄越好。FDMA信道的相对带宽较窄,每个信道的每一载波仅支持一个电路连接,也就是说FDMA通常在窄带系统中实现。
       符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。FDMA方式中,每信道只传送一路数字信号,信号速率低,一般在25kbit/s以下,远低于多径时延扩展所限定的100kbit/s,所以在数字信号传输中,由码间干扰引起的误码极小,因此在窄带FDMA系统中无须自适应均衡。
FDMA
       基站复杂庞大,重复设置收发信设备。基站有多少信道,就需要多少部收发信机,同时需用天线共用器,功率损耗大、易产生信道间的互调干扰。
       FDMA系统每载波单个信道的设计,使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过,滤除其他频率的信号,从而限制临近信道间的相互干扰。
       越区切换较为复杂和困难。因在FDMA系统中,分配好语音信道后,基站和移动台都是连续传输的,所以在越区切换时,必须瞬时中断传输数十至数百毫秒,以把通信从一频率切换到另一频率去。对于话音,瞬时中断问题不大.对于数据传输则将带来数据的丢失。
       在模拟蜂窝系统中,采用频分多址方式是唯一的选择。而在数字蜂窝中,则很少采用纯频分的方式。
(1)TDMA系统原理
       时分多址是在一个宽带的无线载波上,把时间分成周期性的帧,每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的),每个时隙就是一个通信信道,分配给一个用户。如图23所示,系统根据一定的时隙分配原则,使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号(突发信号),在满足定时和同步的条件下,基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时,基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输.各移动台只要在指定的时隙内接收,就能在合路的信号(TDM信号)中把发给它的信号区分出来。所以TDMA系统发射数据是用缓存-突发法,因此对任何一个用户而言发射都是不连续的。这就意味着数字数据和数据调制必须与TDMA一起使用,而不像采用模拟FM的FDMA系统。
TDMA系统的工作原理
图23   TDMA系统的工作原理
(2)TDMA的帧结构
       TDMA帧是TDMA系统的基本时隙单元,各个用户的发射相互连成一个重复的帧结构,如图24所示。
TDMA帧结构
图24    TDMA帧结构
       从图可看出-TDMA帧是由若干时隙组成的,每一帧都是由头比特,信息数据和尾比特组成。在TDMA/TDD系统中,每帧信息中时隙的一部分用于前向链路,而另一部分用于反向链路。在TDMA/FDD系统中,前向传送和反向传送有一个完全相同或相似的帧结构,但前向和反向链路使用的载频和帧同步时间是不同的。TDMA/FDD系统在一个特定用户的前向和反向时隙间设置了几个延时时隙,以便在用户单元中不需要使用双工器。
       在一个TDMA帧中,头比特包含了基站和用户用来确认彼此的地址和同步信息。利用保护时间来保证不同时隙和帧之间的接收机同步。
(3)TDMA系统的特点
       突发传输的速率高,远大于语音编码速率,每路编码速率设为R(bit/s),共N个时隙,则在这个载波上传输的速率将大于NR(bit/s)。这是因为TDMA系统中需要较高的同步开销。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证。同步包括帧同步、时隙同步和比特同步。
       TDMA
       发射信号速率随N的增大而提高,如果达到100kbit/s以上,码间串扰就将加大,必须釆用自适应均衡,用以补偿传输失真。
       TDMA用不同的时隙来发射和接收,因此不需双工器。即使使用FDD技术,在用户单元内部的切换器,就能满足TDMA在接收机和发射机间的切换,而不使用双工器。
       基站复杂性减小。N个时分信道共用一个载波,占据相同带宽,只需一部收发信机。互调干扰小。
       相比FDMA,抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大。
       越区切换简单。由于在TDMA中移动台是不连续地突发式传输.所以切换处理对一个用户单元来说是很简单的,因为它可以利用空闲时隙监测其他基站,这样越区切换可在无信息传输时进行。因而没有必要中断信息的传输,即使传输数据也不会因越区切换而丢失。
       由于受频率选择性衰落信道的影响.TDMA的码速率受到限制,单载频的系统容量数是有限的。一般FDMA和TDMA结合起来,提供较大的系统容量。
1.码分多址技术(CDMA)
(1)CDMA系统原理
       CDMA的技术基础是直接序列扩频(DSSS)技术。使用CDMA技术,用户可获得整个系统带宽,系统带宽比需要传送信息的带宽宽很多倍。DSSS系统的优点是传输带宽超过相干带宽。解扩后可得到几个不同时延的信号。RAKE接收机可恢复多个时延信号,组成一个信号。可以对低频深衰落起到固有时间分集的作用。这对于移动通信是很有效的,另一优势在于解决了频率再利用的干扰。还有它对移动用户的数目无硬的限制。
       在CDMA蜂窝通信系统中,用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信,正向传输和反向传输各使用一个频率,即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输,除了传输业务信息外,还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息,需要设置相应的信道。但是-CDMA通信系统既不分频道又不分时隙,无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。图10.25是CDMA通信系统的工作示意图。
       码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码,利用公共信道来传输信息。CDMA系统的地址码相互具有准正交性,以区别地址,而在频率、时间和空间上都可能重叠。系统的接收端必须有完全一致的本地地址码,用来对接收的信号进行相关检测。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰,通常称之为多址干扰。
        码分物理信道正交特性的数学表达式为 
CDMA通信系统的工作示意图
图25      CDMA通信系统的工作示意图
码分多址技术(CDMA)(图2)
       其中,不同的PN.和PN,(£,j=l,2,3,・“)的不同码型代表不同的码分物理信道。
       码分多址系统的正交码可以通过构造具有式(10-38)特性的正交信号来产生,典型的正交码有沃尔什(Walsh)码等。
(2)CDMA系统的特点
       ① CDMA系统的许多用户共享同一频率。
       ② 通信容量大。理论上讲,信道容量完全由信道特性决定,但实际的系统很难达到理想的情况,因而不同的多址方式可能有不同的通信容量。CDMA是干扰限制性系统,任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。因此一些能降低干扰功率的技术,如话音激活(VoiceActivity)技术等,可以自然地用于提高系统容量。
       ③ 容量的软特性。FDMA和TDMA系统中同时可接入的用户数是固定的,无法再多接入任何一个用户,而DS-CDMA系统中,多增加一个用户只会使通信质量略有下降,不会出现硬阻塞现象。
       ④ 由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落。如果频谱带宽比信道的相关带宽大,那么固有的频率分集将减少快衰落的作用。
       ⑤ 在CDMA系统中,信道数据速率很高。因此码片(chip)时长很短,通常比信道的时延扩展小得多,因为PN序列有低的自相关性,所以大于一个码片宽度的时延扩展部分,可受到接收机的自然抑制,另一方面,如釆用分集接收最大合并比技术,可获得最佳的抗多径衰落效果。而在TDMA系统中,为克服多径造成的码间干扰,需要用复杂的自适应均衡,均衡器的使用增加了接收机的复杂度,同时影响到越区切换的平滑性。
       ⑥ 低信号功率谱密度。在DS-CDMA系统中,信号功率被扩展到比自身频带宽度宽百倍以上的频带范围内,因而其功率谱密度大大降低。由此可得到两方面的好处,其一,具有较强的抗窄带干扰能力。其二,对窄带系统的干扰很小,有可能与其他系统共用频段,使有限的频谱资源得到更充分的使用。
       CDMA
        CDMA系统存在着两个重要的问题,一是来自非同步CDMA网中不同用户的扩频序列不完全是正交的,这一点与FDMA和TDMA是不同的,FDMA和TDMA具有合理的频率保护带或保护时间,接收信号近似保持正交性,而CDMA对这种正交性是不能保证的。这种扩频码集的非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰——常称为多址干扰(MAI),在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更为严重。另一问题是'远-近'效应。许多移动用户共享同一信道就会发生'远-近'效应问题。由于移动用户所在的位置处于动态的变化中,基站接收到的各用户信号功率可能相差很大,即使各用户到基站距离相等,深衰落的存在也会使到达基站信号各不相同,强信号对弱信号有着明显的抑制作用,会使弱信号的接收性能很差甚至无法通信。这种现象被称为'远-近'效应。为了解决'远-近'效应问题,在大多数CDMA实际系统中使用功率控制。通过对每个用户功率的调整,使得每个用户到达接收机的能量相等,相互间干扰基本一致。
2、空分多址技术(SDMA)
       空分多址(SDMA)技术的原理是利用用户的地理位置不同,在与用户通信过程中采用天线的波束成形技术,使不同的波束方向对准不同的用户,达到多用户共享频率资源、时间资源和码资源。如图10.26所示,卫星上形成A、B、C站的天线波束,通过卫星上的空间交换矩阵可以实现A、B、C站之间的多址连接,通过这种方法可以在固定频带内大大提高通信的容量。陆地移动通信系统采用智能天线技术构成空分多址。
SDMA多址方式示意图
图26       SDMA多址方式示意图
3. 随机接入多址技术
       由于数据的传输和交换等业务越来越多地使用无线信道,与话音相比,数据传输和交换具有非实时、分组、突发等特点。很多无线数据接入釆用随机连接多址方式。
       在随机接入多址方式中,每个用户可以随意发送信息,如果发现碰撞,则釆用相应的退避算法重发,直至发送成功。随机接入多址方式可以采用纯ALOHA方式、时隙ALOHA方式、预约ALOHA方式等。
纯ALOHA方式是一种各站随意发送信息,如果发现信息碰撞(干扰很大,无法正常接收),则退避随机时间后重新发送,如图10.27所示。ALOHA的信道利用率不是很高,其最
大信道利用率为18%,并且会出现不稳的现象。
    ALOHA随机时延退避示意图
图27  ALOHA随机时延退避示意图
       由于纯ALOHA方式的信道利用率不高,因此提出了各种改进的随机多址方式,如时隙ALOHA采用在转发器输入口为参考点的时间轴上等间隔地分成许多时隙,各站发射的分组数据必须与时隙对齐,不像纯ALOHA是纯随机发送,因此减小了相互之间的碰撞概率,提高信道的利用率,其最大信道利用率能提高一倍,缺点是全网需要同步,增加系统的复杂性。
       预约ALOHA是为了解决数据传输中可能出现长、短报文的情况,由于长报文需要较长的传输时间.若经过碰撞,则可能造成接收端的时延太长而丢失报文的情况,因此为了解决长短报文的兼容问题,提出了预约ALOHA的方式。其主要思路是:各地球站要发送长报文时,先申请预约占用一段时隙,让其一次性发送一批数据,对于短报文则釆用非预约时隙ALOHA方式传输,这样既解决了长报文的传输问题,又保留了S-ALOHA的信道利用率高的特点。
       随机接入多址技术
       由于随机多址连接的性能强烈地依赖于业务模型和网络的业务量大小,因此没有一种随机多址方式是所有业务和网络最优的,经常是对这种业务该多址连接方式最好,但对其他业务则未必。
4、 双工技术
      一般通信是需要双方交换信息,因此系统要支持双向通信,对无线接入而言,实现双向通信的方式主要有两种:频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。对于频分双工系统,收发两个方向的通信是靠不同的频带进行的,一般两个频带之间保留一定的频带间隔,以减少两个频带的相互影响,频分双工可以使用任何多址方式;对于时分双工系统,收发两个方向的信号时间上分开,频率上使用相同资源,为防止两个方向信号发生冲突,当一个方向转换到另一个方向时,需保留一定的间隔时间,时分双工可与TDMA和CDMA多址方式结合。

下一篇

SBC是什么-企业为什么需要SB以及应用场景

通信百科

SBC是什么-企业为什么需要SB以及应用场景

sbc一种NAT穿透的方式。SBC可确保VoIP 安全,又可提供媒体代理服务器的套件。SBC架构于IMS网络之上,可作为IMS网络的SIP和RTSP的 Proxy Server,所有的SIP与RTSP讯息都会透过SBC来处理,SBC更具备N... ...

相关内容

光通信技术(应用前景和发展趋势)

光通信技术(应用前景和发展趋势)

随着科技的不断发展,光通信技术已经成为现代通信领域的重要组成部分。光通信技术利用......

通信系统集成

2023-12-01

北斗通信模块(应用领域、技术优势、市场前景)

北斗通信模块(应用领域、技术优势、市场前景)

如果您觉得北斗通信模块很难理解或者应用,那么这篇文章一定会带给您更多的信心和自信......

通信系统集成

2023-12-01

大数据工程师

大数据工程师

大数据工程师是信息技术 (IT) 专业人员,负责设计、构建、测试和维护处理大型数......

通信百科

2023-11-24