专注SIP通讯产品与方案

多址技术

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。