移动通信中的多址接入技术课件

第七章第七章 移动通信中的多址接入技术移动通信中的多址接入技术第七章 移动通信中的多址接入技术内容内容7.1 概概 述述7.2 FDMA方式方式7.3 TDMA方式方式7.4 CDMA方式方式7.5 SDMA方式方式7.6 系统容量系统容量 内容7.1 概 述7.1.1 多址接入的概念多址接入的概念n蜂窝系统中以信道来区分通信对象，一个信道只容纳一个蜂窝系统中以信道来区分通信对象，一个信道只容纳一个用户，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是用户，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。多址。n在无线通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无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连接是线信道连接是多址接入方式多址接入方式的问题的问题n多址接入技术多址接入技术:解决多址接入问题的方法。解决多址接入问题的方法。7.1.1 多址接入的概念蜂窝系统中以信道来区分通信对象，一7.1.2 多址接入方式多址接入方式n移动通信中基站是多路工作的，移动台是单路工作的。移动通信中基站是多路工作的，移动台是单路工作的。在移动通信业务区内，移动台之间或在移动通信业务区内，移动台之间或MS与市话用户之间与市话用户之间是通过基站同时建立各自的信道，从而实现多址连接。是通过基站同时建立各自的信道，从而实现多址连接。n基站是以怎样的信号传输方式接收、处理和转发移动台基站是以怎样的信号传输方式接收、处理和转发移动台来的信号呢？基站又以怎样的信号结构发出各种移动台来的信号呢？基站又以怎样的信号结构发出各种移动台的寻呼信号，并且使移动台从这些信号中识别出发给本的寻呼信号，并且使移动台从这些信号中识别出发给本台的信号呢？这就是多址连接方式的问题，即多址接入台的信号呢？这就是多址连接方式的问题，即多址接入方式的问题。方式的问题。7.1.2 多址接入方式移动通信中基站是多路工作的，移动台是7.1.2 多址接入方式多址接入方式n多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线信号可以表多址接入方式的数学基础是信号的正交分割原理。无线信号可以表达为时间、频率和码型的函数，即达为时间、频率和码型的函数，即式中，式中，c(t)是码型的函数；是码型的函数；s(f,t)是时间是时间(t)和频率和频率(f)的函数。的函数。n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，称频分频分多址（多址（FDMA）；为当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立；为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，称为多址接入时，称为时分多址（时分多址（TDMA）；以传输信号的码型不同来；以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为区分信道建立多址接入时，称为码分多址（码分多址（CDMA）。n目前在移动通信中应用的多址方式有：目前在移动通信中应用的多址方式有：FDMA、TDMA、CDMA以及它们的混合应用方式等。以及它们的混合应用方式等。7.1.2 多址接入方式多址接入方式的数学基础是信号的正交分多址接入方式信道3信道1信道N信道2ftc多址接入方式多址接入方式建立多址接入时区分信道的依据建立多址接入时区分信道的依据频分多址方式（频分多址方式（FDMAFDMA）传输信号的载波频率不同传输信号的载波频率不同时分多址方式（时分多址方式（TDMATDMA）传输信号存在的时间不同传输信号存在的时间不同码分多址方式（码分多址方式（CDMACDMA）传输信号的码型不同传输信号的码型不同信道1信道2信道3信道Nftcftc信道2信道1信道3信道NFDMA、TDMA、CDMA的示意图的示意图FDMA TDMA CDMA 多址接入方式信道3信道1信道N信道2ftc多址接入方式建立多频分多址（FDMA）方式频谱分割原理频谱分割原理主主 要要 干干 扰扰特特点点频分多址（FDMA）方式频谱分割原理主要干扰 特 FDMAFDMA频谱分割原理频谱分割原理nFDMAFDMA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，即为每个用户分配一个信道，呼叫的整个过程中，其他用户不能共享这一频段，即为每个用户分配一个信道，一对频谱。一对频谱。较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道n必须同时占用必须同时占用2 2个信道（个信道（2 2对频谱）才能实现双工通信对频谱）才能实现双工通信基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号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任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转n设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠前向信道与反向信道之间设有保护频带前向信道与反向信道之间设有保护频带用户频道之间，设有保护频隙用户频道之间，设有保护频隙FDMA系统频谱分割示意图系统频谱分割示意图 FDMA频谱分割原理FDMA为每一个用户指定了特定信道，这些FDMA的主要干扰干扰方式干扰方式起起 因因解决方法解决方法互调干扰互调干扰系统内非线性器件产生的各种组合系统内非线性器件产生的各种组合频率成份落入本频道接收机通带内频率成份落入本频道接收机通带内选用无互调的选用无互调的频率集频率集邻道干扰邻道干扰相邻波道信号中存在的寄生辐射落相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内入本频道接收机带内加大频道间的加大频道间的隔离度隔离度同频干扰同频干扰相邻区群中同信道小区的信号造成相邻区群中同信道小区的信号造成的干扰的干扰适当选择频道适当选择频道干扰因子干扰因子Q QFDMA的主要干扰干扰方式起 因解决方法互FDMA系统的特点（1）FDMA信道每次只能传送一个电话。信道每次只能传送一个电话。（2）每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足）每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足 传输信号带宽的要传输信号带宽的要求。信道的相对带宽较窄，即通常在窄带系统中实现。求。信道的相对带宽较窄，即通常在窄带系统中实现。（3 3）符号时间符号时间 平均延迟扩展（平均延迟扩展（Ts ），所以码间干扰较少，无需，所以码间干扰较少，无需自适应均衡。自适应均衡。（4）基站复杂庞大，重复设置收发信设备。易产生信道间的互调干扰）基站复杂庞大，重复设置收发信设备。易产生信道间的互调干扰（5）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。近信道间的相互干扰。（6）越区切换较为复杂和困难。因在）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，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。对于语音，瞬数十至数百毫秒，以把通信从一频率切换到另一频率去。对于语音，瞬时中断问题不大。时中断问题不大。FDMA系统的特点（1）FDMA信道每次只能传送一个电话。7.3 时分多址（TDMA）方式工作原理工作原理系统特点系统特点7.3 时分多址（TDMA）方式工作原理系统特点7.3.1 TDMA工作原理在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧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。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。每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙内收基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙内收发信号。发信号。MS3MSMS1 1MS2BSBS时隙时隙帧帧TDMA系统工作示意图系统工作示意图 7.3.1 TDMA工作原理在一个宽带的无线载波上，把时间分7.3.2 TDMA的帧结构的帧结构nTDMA帧是帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发（在时隙内传送的信号叫做突发（burst），各个用户的），各个用户的发射相互连成发射相互连成1个个TDMA帧，帧结构示意图如图帧，帧结构示意图如图7.5所所示。示。时隙N时隙3时隙2时隙1保护比特信息数据同步比特尾比特一个一个TDMATDMA帧帧图图7.5 TDMA帧结构帧结构7.3.2 TDMA的帧结构TDMA帧是TDMA系统的基本7.3.3 TDMA系统的同步与定时系统的同步与定时n同步和定时是同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前提。移动通信系统正常工作的前提。位同步位同步 帧同步帧同步 系统定时系统定时7.3.3 TDMA系统的同步与定时同步和定时是TDMA7.4.4 TDMA系统的特点突发传输的速率高，远大于语音编码速率，因为突发传输的速率高，远大于语音编码速率，因为TDMATDMA系统系统中需要较高的同步开销中需要较高的同步开销发射信号速率随发射信号速率随N N的增大而提高，引起码间串扰加大，所以的增大而提高，引起码间串扰加大，所以必须采用自适应均衡必须采用自适应均衡不需双工器不需双工器基站复杂性小，互调干扰小基站复杂性小，互调干扰小抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大越区切换简单，可在无信息传输时进行，不会丢失数据越区切换简单，可在无信息传输时进行，不会丢失数据7.4.4 TDMA系统的特点突发传输的速率高，远大于语音编7.4 码分多址（CDMA）方式工工作作原原理理系系统统特特点点存存在在问问题题7.4 码分多址（CDMA）方式工作原理系统特点存在问题7.4.1 CDMA的工作原理码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用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公共信道来传输信息CDMACDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在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，才能对接收系统的接收端必须有完全一致的本地地址码，才能对接收的信号进行相关检测的信号进行相关检测 MSMSN NMSMS1 1MSMS2 21c2c1C2CNcNCMSCBSCDMA系统工作示意图系统工作示意图7.4.1 CDMA的工作原理码分多址系统为每个用户分配了各7.4.2 CDMA中的地址码类型中的地址码类型 p用户地址：用于区分不同移动用户；用户地址：用于区分不同移动用户；p多速率多速率(多媒体多媒体)业务地址：用于多媒体业务中区分不同速业务地址：用于多媒体业务中区分不同速率类型的业务；率类型的业务；p 信道地址：用于区分每个小区或每个扇区内的不同信道；信道地址：用于区分每个小区或每个扇区内的不同信道；p 基站地址：用于区分不同基站或扇区。基站地址：用于区分不同基站或扇区。p常采用常采用m序列、序列、Gold序列、序列、Walsh、0VSF序列等。序列等。7.4.2 CDMA中的地址码类型 用户地址：用于区分不同移码序列应具有如下特性码序列应具有如下特性p有足够多的地址码；有足够多的地址码；p有尖锐的自相关特性；有尖锐的自相关特性；p有处处为零的互相关特性；有处处为零的互相关特性；p不同码元数平衡相等；不同码元数平衡相等；p尽可能大的复杂度。尽可能大的复杂度。码序列应具有如下特性有足够多的地址码；正交正交Walsh函数（函数（1）1.Walsh函数波形函数波形2.2.连续连续WalshWalsh函数的波形函数的波形如图如图7.77.7所示，利用所示，利用WalshWalsh函数的正交性，可作为函数的正交性，可作为CDMACDMA的地址码。的地址码。2.Walsh函数对应的矩阵函数对应的矩阵图7.7 连续Walsh函数的波形正交Walsh函数（1）Walsh函数波形2.Walsh函正交正交Walsh函数（函数（2）3.Walsh函数矩阵的递推关系函数矩阵的递推关系沃尔什函数矩阵由Hadamard矩阵递推过程产生。n其中其中N取取2的幂，的幂，是的是的 补。补。n利用利用Walsh函数矩阵的递推关系，可得到函数矩阵的递推关系，可得到64 64阵列的阵列的Walsh序列序列 nQualcomm-CDMA数字蜂窝移动通信系统中被作为前向码分信道数字蜂窝移动通信系统中被作为前向码分信道，可，可支持支持64个信道个信道。采用采用64位的正交位的正交Walsh函数来用作反向信道的编码调函数来用作反向信道的编码调制。制。正交Walsh函数（2）3.Walsh函数矩阵的递推关系其中正交正交Walsh函数（函数（3）v码字的互相关系数为：码字的互相关系数为：v完全正交：互相关系数为完全正交：互相关系数为0 0v若信号在加性高斯白噪声信道中传输，正交码若信号在加性高斯白噪声信道中传输，正交码可以保证在接收机处实现多用户抑制。可以保证在接收机处实现多用户抑制。v时延色散破坏了码字间的正交性时延色散破坏了码字间的正交性p接收机承受延迟扩展带来的附加干扰（用正交因子来接收机承受延迟扩展带来的附加干扰（用正交因子来描述干扰程度）。描述干扰程度）。p接收机在进行相干运算之前先让接收信号通过一个码接收机在进行相干运算之前先让接收信号通过一个码片间隔均衡器以消除延迟扩展的影响。片间隔均衡器以消除延迟扩展的影响。正交Walsh函数（3）码字的互相关系数为：完全正交：互相关7.4.3 m7.4.3 m序列伪随机码序列伪随机码 1.m序列的生成序列的生成p伪伪噪噪声声序序列列（PN序序列列）具具有有类类似似随随机机噪噪声声的的一一些些统统计计特特性性，但但和和真真正正的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。的随机信号不同，它可以重复产生和处理，故称作伪随机噪声序列。pPN序序列列有有多多种种，最最常常用用的的一一种种是是最最长长线线性性反反馈馈移移位位寄寄存存器器序序列列，也也称称作作m序序列列。由由m级级寄寄存存器器构构成成的的线线性性移移位位寄寄存存器器构构成成m序序列列发发生生器器结结构构如如下图。下图。p m序序列列的的发发生生器器是是由由移移位位寄寄存存器器、反反馈馈抽抽头头及及模模2加加法法器器组组成成的的。产产生生m序列的移位寄存器的网络结构不是随意的，必须满足一定的条件序列的移位寄存器的网络结构不是随意的，必须满足一定的条件。7.4.3 m序列伪随机码 1.m序列的生成m序列的产生序列的产生1 1 10 1 11 0 10 1 00 0 11 0 01 1 01 1 1Q1 Q2 Q3(B)D1Q1CP(1)D2Q2CP(2)D3Q3CP(3)时钟脉冲Tc输出1110100(A)m m序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。它的周期是器产生的周期最长的一种序列。它的周期是 （n n是移位寄存是移位寄存器的级数）器的级数）m序列的产生1 1 1Q1 Q2 Q3(B)D1Q1D2 非非m序列产生电路序列产生电路 D1Q1CP(1)D2Q2CP(2)D3Q3CP(3)时钟脉冲 Tc1 1 11 1 11 1 1Q1 Q2 Q3(b)1 0 01 1 00 1 10 0 11 0 0Q1 Q2 Q3(c)一个线性反馈移位寄存器能否一个线性反馈移位寄存器能否产生产生m m序列决定于它的反馈系数序列决定于它的反馈系数 非m序列产生电路 D1Q1D2Q2D3Q3时钟脉冲 Tc长码生成示意图长码生成示意图v 以以3阶为例阶为例v初始态：初始态：001v掩码（掩码（mask)：110v输出：周期为输出：周期为7的序列的序列v当掩码不同时，输出相当掩码不同时，输出相位不同位不同Out001110长码生成示意图 以3阶为例Out001110m序列的随机性质序列的随机性质（1）2.m系列的特性系列的特性m系列有许多优良的特性，但我们主要关心的是它的随机性和自相关性。系列有许多优良的特性，但我们主要关心的是它的随机性和自相关性。平衡特性平衡特性m序列一个完整周期序列一个完整周期P=2m-1内内1和和0的码元数大致相等（的码元数大致相等（1比比0只多只多一个）。一个）。游程特性游程特性v m序列中连续为序列中连续为“1”或或“0”的那些元素称为游程。的那些元素称为游程。m序列游程总数为序列游程总数为(P+1)/2，长度，长度为为k（1kn-1）的游程占总游程数的）的游程占总游程数的1/2k。m序列和其移位后的序列逐位模序列和其移位后的序列逐位模2加，所得的序列还是加，所得的序列还是m序列，只是相位不同。序列，只是相位不同。m序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全序列发生器中的移位寄存器的各种状态，除全0外，其它状态在一个周期内外，其它状态在一个周期内只出现一次。只出现一次。相关特性相关特性vm序列的自相关函数是周期的二值函数。序列的自相关函数是周期的二值函数。m序列的随机性质（1）2.m系列的特性m序列的随机性质序列的随机性质(2)(2)都是取离散值都是取离散值,下图是下图是 的自相关函数曲的自相关函数曲线线 nm序列的自相关性序列的自相关性m序列的随机性质(2)m序列的随机性质序列的随机性质(3)(3)nm序列的自相关性序列的自相关性 由图可见，当由图可见，当=0=0时，时，m序列的自相关函数序列的自相关函数R Ra a（）出现峰值出现峰值1；当；当偏离偏离0时，相关函数曲线很快下降；当时，相关函数曲线很快下降；当11P P-1-1，相关，相关函数值为函数值为-1/-1/P P；当时；当时=P P，又出现峰值；如此周而复始。当周，又出现峰值；如此周而复始。当周期期P很大时，很大时，m序列的自相关函数与白噪声类似。序列的自相关函数与白噪声类似。m序列的随机性质(3)m序列的自相关性 由图可见，当=0m序列的随机性质序列的随机性质(4)(4)pm序列的自相关性的计算序列的自相关性的计算m序列的随机性质(4)m序列的自相关性的计算m序列的随机性质序列的随机性质(5)(5)pm序列的互相关性的计算序列的互相关性的计算m序列的随机性质(5)m序列的互相关性的计算m序列的随机性质序列的随机性质(6)(6)p互相关函数为理想三值函数互相关函数为理想三值函数 p对对于于周周期期为为的的m序序列列组组，其其最最好好的的m序序列列对对的的互互相相关关函函数值只取三个，这三个值是：数值只取三个，这三个值是：p这这三三个个值值被被称称为为理理想想三三值值，能能够够满满足足这这一一特特性性的的m序序列列对称为对称为m序列优选对，它们可以用于实际工程。序列优选对，它们可以用于实际工程。m序列的随机性质(6)互相关函数为理想三值函数 对于Gold码（码（1）nm序列构成优选对的数目很少，不便于在码分多址系统中序列构成优选对的数目很少，不便于在码分多址系统中应用。应用。nR.Gold于于1967年提出了一种基于年提出了一种基于m序列优选对的码序列，序列优选对的码序列，称为称为Gold序列。序列。n由优选对的两个由优选对的两个m序列逐位模序列逐位模2加得到，当改变其中一个加得到，当改变其中一个m序列的相位（向后移位）时，可得到一新的序列的相位（向后移位）时，可得到一新的Gold序列。序列。nGold系列具有与系列具有与m序列优选对类似的自相关和互相关特性。序列优选对类似的自相关和互相关特性。Gold码（1）m序列构成优选对的数目很少，不便于在码分多址Gold码（码（2）nGold序列性质序列性质由两个优选的由两个优选的m序列异或而成序列异或而成自相关函数有多值，没有自相关函数有多值，没有m序列好序列好比比m序列多得多序列多得多n由于由于Gold序列具有良好的自相关性质，用于码分多址序列具有良好的自相关性质，用于码分多址中区分基站和用户中区分基站和用户Gold码（2）Gold序列性质Gold码（码（3）vGold序列序列的生成的生成 m序列发生器序列发生器1和和2产生的产生的m序列是一序列是一m序列优选对，序列优选对，m序列发生器序列发生器1的初始状态固定的初始状态固定不变，调整不变，调整m序列发生器序列发生器2的的初始状态，在同一时钟脉冲初始状态，在同一时钟脉冲控制下，产生两个控制下，产生两个m序列经序列经过模过模2加后可得到加后可得到Gold序列，序列，通过设置通过设置m序列发生器序列发生器2的不的不同初始状态，可以得到不同同初始状态，可以得到不同的的Gold序列。序列。m序列发生器1m序列发生器2初始状态设置Gold序列时钟脉冲Gold码（3）Gold序列的生成m序列发生器1m序列发生器Gold码（码（4）vGold序列的特性序列的特性 相关特性相关特性v具有与具有与m序列优选对相类同的自相关和互相关特性。序列优选对相类同的自相关和互相关特性。v当当=0=0时自相关函数与时自相关函数与m m序列相同；当序列相同；当11P P-1 -1 时自相关函时自相关函数取三个理想的值，即最大旁瓣是数取三个理想的值，即最大旁瓣是 。其中。其中t(n)=2t(n)=2(n+2)/2(n+2)/2+1,+1,表示取实数的整数部分表示取实数的整数部分Gold序列的数量序列的数量v 周期周期P=2n-1的的m序列优选对生成的序列优选对生成的Gold序列，总共有序列，总共有2n+1个。个。v 随着随着n的增加，的增加，Gold序列数以序列数以2的的n次幂增长次幂增长。Gold码（4）Gold序列的特性 Gold码（码（5）vGold序列的特性序列的特性 平衡的平衡的Gold序列序列v平衡的平衡的GoldGold序列是指在一个周期内序列是指在一个周期内11码元数比码元数比00码元数仅多一个。码元数仅多一个。v对于周期对于周期P P=2=2n n-1-1的的m m序列优选对生成的序列优选对生成的GoldGold序列，当序列，当n n是是奇数时，有奇数时，有2 2n-1n-1+1+1个个GoldGold序列是平衡的，约占序列是平衡的，约占50%50%；当；当n n是是偶数（不是偶数（不是4 4的倍数）时，有的倍数）时，有2 2n-1n-1+2+2n-2n-2+1+1个个GoldGold序列是序列是平衡的，约占平衡的，约占75%75%。v只有平衡只有平衡GoldGold序列才可以用到码分多址通信系统中去。序列才可以用到码分多址通信系统中去。在在WCDMA系统中，下行链路采用系统中，下行链路采用Gold码区分小区和用码区分小区和用户，上行链路采用户，上行链路采用Gold码区分用户。码区分用户。Gold码（5）Gold序列的特性 OVSF码树（正交可变扩频比）码树（正交可变扩频比）1n扩频过程中，不同的业务、不同的信息速率要采用扩频过程中，不同的业务、不同的信息速率要采用不同的扩频比，才能达到同一信道传送的码率。不同的扩频比，才能达到同一信道传送的码率。n同一小区，多个用户可以同时发送不同的多媒体业同一小区，多个用户可以同时发送不同的多媒体业务，为防止多个务，为防止多个 用户不同业务的干扰，设计一类用户不同业务的干扰，设计一类满足不同速率多媒体业务和不同扩频比的正交码。满足不同速率多媒体业务和不同扩频比的正交码。OVSF码树（正交可变扩频比）1扩频过程中，不同的业务、不同OVSF码树（正交可变扩频码）码树（正交可变扩频码）2信道化码生成式：信道化码生成式：CC1=(1)CC2=1 11 -1CCn=CCn/2 CCn/2 CCn/2-CCn/2CC1,0=(1)CC2,1=(1,-1)CC2,0=(1,1)CC4,0=(1,1,1,1)CC4,1=(1,1,-1,-1)CC4,2=(1,-1,1,-1)CC4,3=(1,-1,-1,1)CC256,0CC256,1CC256,2CC256,256CC256,255 SF=1SF=2SF=4SF=256同一生成分支同一生成分支的码组不能同的码组不能同时使用时使用码周期相同的所有码彼此正交；周期不同的码，仅当它们位于树的不同码周期相同的所有码彼此正交；周期不同的码，仅当它们位于树的不同分支上时才会彼此正交，如分支上时才会彼此正交，如CC2,1和和CC4,1是正交的，是正交的，CC2,1和和CC4,3是不正是不正交的。交的。OVSF码树（正交可变扩频码）2信道化码生成式：CC1=正交可变扩频码的产生正交可变扩频码的产生31111011111100101010011111111111110000110011001100001110101010101001011001100110010110Digital/Analog Mappinglogic 0 analog+1logic 1 analog-11100110011001100正交可变扩频码的产生31111011111100101010正交可变扩频码的空间个用户正交可变扩频码的空间个用户-4User with 4x Bit Rate=Unusable Code Space480 kb/s480 kb/s480 kb/s480 kb/s1.92 Mb/sChip Rate=3.840 Mcps1111011111100101010011111111111110000110011001100001110101010101001011001100110010110正交可变扩频码的空间个用户-4User with 4x7.4.5 CDMA系统的特点 多用户共享同一频率多用户共享同一频率通信容量大通信容量大容量的软特性容量的软特性 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由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落信道数据速率很高，无需自适应均衡信道数据速率很高，无需自适应均衡平滑的平滑的软切换软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断和有效的宏分集，不会引起通信中断低信号功率谱密度的好处低信号功率谱密度的好处抗窄带干扰能力强抗窄带干扰能力强对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段7.4.5 CDMA系统的特点 多用户共享同一频率CDMA系统的软切换过程每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态收合并这些信号，此时处于宏分集状态 当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换完成，称为软切换 PlayPlayCDMA系统的软切换过程每当移动台处于小区边缘时，同时有两个CDMA系统存在问题多址干扰多址干扰原因原因 不同用户的扩频序列不完全正交，扩频码集的非零互相关系数不同用户的扩频序列不完全正交，扩频码集的非零互相关系数会引起用户间的相互干扰会引起用户间的相互干扰“远远-近近”效应效应原因原因 移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存在，会使基站接移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存在，会使基站接收到的各用户信号功率相差很大，强信号对弱信号有着明显的收到的各用户信号功率相差很大，强信号对弱信号有着明显的抑制作用抑制作用解决方法解决方法 使用功率控制使用功率控制CDMA系统存在问题多址干扰7.5 空分多址（SDMA）方式n通过空间的分割来区别不同的用户，在移动通信中，通过空间的分割来区别不同的用户，在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束。在不同用户方向上形成不同的波束。n常与常与FDMA、TDMA、CDMA结合使用结合使用7.5 空分多址（SDMA）方式通过空间的分割来区别不同的用SDMA的工作原理使用使用定向波束天线定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束在不同用户方向上形成不同的波束相同的频率相同的频率（在（在TDMATDMA或或CDMACDMA系统中）或系统中）或不同的频率不同的频率（在（在FDMAFDMA系统中）用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域系统中）用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域SCDMA系统工作示意图系统工作示意图SDMA的工作原理使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的蜂窝系统中反向链路的困难蜂窝系统中反向链路的困难反向链路的困难反向链路的困难原因原因解决方法解决方法用户端的发射功率必须用户端的发射功率必须动动态控制态控制各用户和基站间无线各用户和基站间无线传播传播路径路径的不同的不同采用采用空分多址方式空分多址方式反向控制用户的空反向控制用户的空间辐射能量间辐射能量对用户端发射功率的对用户端发射功率的控制控制程度受限程度受限发射受到用户单元发射受到用户单元电池能电池能量量的限制的限制 蜂窝系统中反向链路的困难反向链路的困难原因解决方法用户端的发自适应式阵列天线自适应式天线提供了自适应式天线提供了最理想最理想的的SDMA SDMA 无穷小波束宽度无穷小波束宽度无穷大快速搜索能力无穷大快速搜索能力提供在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道提供在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道克服多径干扰和同信道干扰克服多径干扰和同信道干扰自适应式阵列天线自适应式天线提供了最理想的SDMA 7.6 蜂窝移动通信系统的容量分析 7.6 蜂窝移动通信系统的容量分析 蜂窝系统的无线容量可定义7.6.1 FDMA和TDMA蜂窝系统的容量对于模拟对于模拟FDMAFDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统,频率重用的小区数为频率重用的小区数为N N，N N由所需的载由所需的载干比决定，即干比决定，即则则FDMAFDMA的无线容量的无线容量 信道信道/小区小区对于数字对于数字TDMATDMA系统系统 数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小4 4 5dB5dB（因数字系统有纠（因数字系统有纠错措施），因而频率复用距离可以再近一些。可采用错措施），因而频率复用距离可以再近一些。可采用N=4N=4、3 3的复用方式。的复用方式。则则TDMATDMA的无线容量的无线容量 其中，设载波间隔为其中，设载波间隔为BcBc，每载波共有，每载波共有M M个时隙，则等效带宽为个时隙，则等效带宽为7.6.1 FDMA和TDMA蜂窝系统的容量对于模拟FDMA7.6.2 CDMA蜂窝系统的容量nCDMA系统的容量是干扰受限的，而系统的容量是干扰受限的，而FDMA和和TDMA系统系统的容量是带宽受限的。因此的容量是带宽受限的。因此干扰的减少将导致干扰的减少将导致CDMA容量容量的线性增加。的线性增加。n决定系统容量的主要参数决定系统容量的主要参数处理增益处理增益E Eb b/N/N0 0、话音负载周期、话音负载周期、频率再用效率、频率再用效率、以及基站天线扇区数以及基站天线扇区数7.6.2 CDMA蜂窝系统的容量CDMA系统的容量是干扰受一般扩频通信系统的容量p先不考虑蜂窝系统的特点，接收信号的先不考虑蜂窝系统的特点，接收信号的载干比载干比可写成可写成:式中式中 Eb Eb：信息的比特能量；信息的比特能量；Rb Rb：信息的比特速率；信息的比特速率；N N0 0：干扰的功率谱密度干扰的功率谱密度 W W ：信号所占的频谱宽度；：信号所占的频谱宽度；Eb/RbEb/Rb：类似于归一化信噪比，其取值决定于系统对误类似于归一化信噪比，其取值决定于系统对误 比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；W/RbW/Rb：系统的处理增益。系统的处理增益。一般扩频通信系统的容量先不考虑蜂窝系统的特点，接收信号的载干一般扩频通信系统的容量p若若m m个用户共用一个无线频道，显然每一用户的信号都受到其他个用户共用一个无线频道，显然每一用户的信号都受到其他m m11个用个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则则载干比载干比为：为：p即即 信道信道/小区小区p如果如果考虑背景热噪声考虑背景热噪声，则能够接入此系统的用户数可表示为：，则能够接入此系统的用户数可表示为：信道信道/小区小区 p结果表明结果表明在误比特率一定的条件下，在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率降低热噪声功率，减小归一化信噪减小归一化信噪比比，增大增大 系统的处理增益系统的处理增益都将有利于提高系统的容量。都将有利于提高系统的容量。p应该注意上式的假定条件应该注意上式的假定条件。一般扩频通信系统的容量若m个用户共用一个无线频道，显然每一用CDMA蜂窝通信系统的容量p考虑反向功率控制和考虑反向功率控制和CDMACDMA蜂窝通信系统的特点，对一蜂窝通信系统的特点，对一般公式进行修正般公式进行修正采用话音激活技术提高系统容量采用话音激活技术提高系统容量利用扇区划分提高系统容量利用扇区划分提高系统容量邻区干扰降低系统容量邻区干扰降低系统容量CDMA蜂窝通信系统的容量考虑反向功率控制和CDMA蜂窝通信采用话音激活技术-提高系统容量p在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）在典型的全双工通话中，话音的激活期（占空比）d d 通常小于通常小于35%35%，如，如果果CDMACDMA系统在话音停顿时停止信号发射，其他用户受到的干扰会相应地系统在话音停顿时停止信号发射，其他用户受到的干扰会相应地平均减少平均减少65%65%，从而使系统容量提高到原来的，从而使系统容量提高到原来的1/d=2.861/d=2.86倍倍p CDMACDMA系统的容量公式被修正为系统的容量公式被修正为 信道信道/小区小区 p当用户数目庞大并且系统是干扰受限而不是噪声受限时，用户数可表示当用户数目庞大并且系统是干扰受限而不是噪声受限时，用户数可表示为为 信道信道/小区小区 采用话音激活技术-提高系统容量在典型的全双工通话中，话音的利用扇区划分-提高系统容量p如利用如利用120120o o扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3 3个扇区时，处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之个扇区时，处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一，相应的各用户之间的多址干扰分量也就减少为原来的一，相应的各用户之间的多址干扰分量也就减少为原来的三分之一，从而系统的容量将增加近三分之一，从而系统的容量将增加近3 3倍（实际上，由于倍（实际上，由于相邻天线覆盖区之间有重叠，一般能提高相邻天线覆盖区之间有重叠，一般能提高G=2.55G=2.55倍左右，倍左右，G G为扇区分区系数）为扇区分区系数）pCDMACDMA系统的容量公式被修正为系统的容量公式被修正为 信道信道/小区小区 利用扇区划分-提高系统容量如利用120o扇形覆盖的定向天线邻区干扰-降低系统容量p在在CDMACDMA系统中，所有用户共享一个无线频率，因此任一小区的移动台系统中，所有用户共享一个无线频率，因此任一小区的移动台（基站）都会受到相邻小区基站（移动台）的干扰（基站）都会受到相邻小区基站（移动台）的干扰p假设各小区的用户数为假设各小区的用户数为M M，M M个用户同时发射信号，理论分析表明，正向个用户同时发射信号，理论分析表明，正向信道和反向信道的干扰总量对容量的影响大致相等。因而在考虑邻近蜂信道和反向信道的干扰总量对容量的影响大致相等。因而在考虑邻近蜂窝小区的干扰对系统容量影响时，一般按正向信道计算窝小区的干扰对系统容量影响时，一般按正向信道计算 p当系统采用正向功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因当系统采用正向功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因p移动台最不利的位置是处于移动台最不利的位置是处于3 3个小区交界处（图个小区交界处（图5-11 MS5-11 MS点）点）p在采用功率控制时，每小区同时通信的用户数将下降到原来的在采用功率控制时，每小区同时通信的用户数将下降到原来的60%60%，即，即信道复用效率信道复用效率F F=0.6=0.6，使系统容量下降到未考虑，使系统容量下降到未考虑 邻区干扰时的邻区干扰时的60%60%pCDMACDMA系统的容量公式被修正为系统的容量公式被修正为 信道信道/小区小区干扰的性质干扰的性质移动台位置移动台位置本小区基站和移动台的干扰本小区基站和移动台的干扰相邻小区基站的干扰相邻小区基站的干扰 靠近基站的移动台靠近基站的移动台基站发射信号的干扰基站发射信号的干扰 距离远的移动台距离远的移动台 小小小区边缘的移动台小区边缘的移动台基站发射信号的干扰基站发射信号的干扰 距离近的移动台距离近的移动台 大大.MS本小区本小区图图712CDMA系统移动台受干扰示意图系统移动台受干扰示意图 邻区干扰-降低系统容量在CDMA系统中，所有用户共享一个无数字数字数字数字GSMGSMGSMGSM系统系统系统系统（TDMATDMATDMATDMA方式）方式）方式）方式）设：载频间隔设：载频间隔设：载频间隔设：载频间隔 Bc=200kHzBc=200kHzBc=200kHzBc=200kHz 每载频时隙数为每载频时隙数为每载频时隙数为每载频时隙数为 8 8 8 8 频率重用的小区数频率重用的小区数频率重用的小区数频率重用的小区数 N N N N=4=4=4=4 得得得得GSMGSM系统容量系统容量系统容量系统容量 （信道（信道（信道（信道/小区）小区）小区）小区）数字CDMA系统 设：话音编码速率Rb=9.6kbit/s 话音占空比 d=0.35 扇形分区系数 G=2.55 信道复用效率 F=0.6 归一化信噪比 Eb/N0=7dB 得CDMA系统容量 （信道信道/小区小区）三种系统容量的计算 给定的一个窄带码分系统的总频宽给定的一个窄带码分系统的总频宽B Bt t=1.25MHz=1.25MHz模拟模拟TACSTACS系统系统（FDMAFDMA方式）方式）设：信道带宽设：信道带宽B Bc c=25kHz=25kHz 频率重用的小区数频率重用的小区数N N=7=7 得得TACSTACS系统容量系统容量 （信道（信道/小区）小区）数字GSM系统（TDMA方式）数字CDMA系统三种系统容量的FDMA/TDMA/CDMA三种系统容量的比较p理论理论可得：在总频带宽度为可得：在总频带宽度为1.25MHz1.25MHz时，三种体制的系统时，三种体制的系统容量的比较结果为：容量的比较结果为：p 实际实际的的CDMACDMA系统的容量比理论值有所下降，其下降多少系统的容量比理论值有所下降，其下降多少将随着其功率控制精度和某些参数的选取而变化将随着其功率控制精度和某些参数的选取而变化p当前比较当前比较普遍的看法普遍的看法是是CDMACDMA数字蜂窝移动通信系统的容数字蜂窝移动通信系统的容量是模拟量是模拟FDMAFDMA系统的系统的810810倍倍FDMA/TDMA/CDMA三种系统容量的比较理论可得：在总第八章第八章 移动通信网移动通信网8.1概概 述述8.2移动通信网的构成移动通信网的构成8.3信令系统信令系统第八章 移动通信网8.1概 述8.1 概概 述述n1.移动通信网的概念移动通信网的概念移动通信网的基本结构包括：移动台（MS：Mobile Station）、基站系统（BSS：Base Station subsystem）和构成网络节点的移动交换中心（MSC：Mobile Service Switching Center）等。8.1 概 述1.移动通信网的概念8.2 移动通信网的发展移动通信网的发展1.第一代移动通信网第一代移动通信网 通常人们所说的第一代移动通信系统是指模拟蜂窝移动通通常人们所说的第一代移动通信系统是指模拟蜂窝移动通信系统。它是频分多址接入（信系统。它是频分多址接入（FDMA）的移动通信系统）的移动通信系统2.第二代移动通信网第二代移动通信网 第二代移动通信（）系统为数字蜂窝移动通信系统。第二代移动通信（）系统为数字蜂窝移动通信系统。3.第三代移动通信网第三代移动通信网(1)第三代移动通信网的基本概念第三代移动通信网的基本概念 IMT-2000（2000年国际移动通信）年国际移动通信）(2)第二代数字移动通信系统向第三代移动通信系统的演进第二代数字移动通信系统向第三代移动通信系统的演进(3)第三代移动通信的标准第三代移动通信的标准以欧洲以欧洲ETSI提出的提出的UTRA，是欧洲提出的一个方案。，是欧洲提出的一个方案。以美国以美国-CDMA接口标准接口标准IS-95为基础的宽带为基础的宽带cdma2000中国提交的中国提交的TD-SCDMA(时分时分-同步同步/智能智能/软件软件)。8.2 移动通信网的发展1.第一代移动通信网8.2 移动通信网的发展移动通信网的发展图8.4 不同标准间互通的业务框架结构8.2 移动通信网的发展图8.4 不同标准间互通的业务框GSMGSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统，最初由欧洲电信联盟研制。定的蜂窝系统，最初由欧洲电信联盟研制。分级控制网络结构分级控制网络结构网络交换子系统（网络交换子系统（NSSNSS）基站子系统（基站子系统（BSSBSS）认为移动台（认为移动台（MSMS）是）是BSSBSS的一部分的一部分网络管理子系统（网络管理子系统（NMSNMS）接口接口MSMS与与BSSBSS间的接口称为空中接口间的接口称为空中接口在在BSSBSS和和NSSNSS间的接口称为间的接口称为A A接口接口BSSBSS、NSSNSS与与NMSNMS间的接口称为操作维护接口间的接口称为操作维护接口 现今的现今的GSMGSM标准只定义了两个开放接口：空中接口和标准只定义了两个开放接口：空中接口和A A接口接口GSM 网BSSNSSNMSO&MO&MMSMSAIRAIRA A图图8-2GSM的三个子系统及其接口的三个子系统及其接口GSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规GSMGSM网的子系统功能建立呼叫建立呼叫是由是由BSSBSS和和NSSNSS共同完成的共同完成的BSSBSS提供并管理着移动台和提供并管理着移动台和NSSNSS之间的无线传输通道。之间的无线传输通道。NSSNSS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由NSSNSS建立连接的。建立连接的。NMSNMS负责管理和维护整个负责管理和维护整个GSMGSM网络网络移动台移动台MSMS由终端设备和用户数据两部分组成由终端设备和用户数据两部分组成 终端设备称为移动设备，用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据终端设备称为移动设备，用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIMSIM卡）。卡）。GSMGSM网络中，三个网络子系统是由空中接口、网络中，三个网络子系统是由空中接口、A A接口和操作维接口和操作维护接口连接起来的。护接口连接起来的。GSM网的子系统功能建立呼叫是由BSS和NSS共同完成的N-CDMA网 CDMACDMA在网络结构上与在网络结构上与GSMGSM大同小异大同小异三个网络子系统三个网络子系统网络交换子系统（网络交换子系统（NSSNSS）基站子系统（基站子系统（BSSBSS）网络管理子系统（网络管理子系统（NMSNMS，即，即OMC-SOMC-S）接口接口由于无线接入方式的不同，二者的由于无线接入方式的不同，二者的空中接口空中接口在内容上和具体实在内容上和具体实现时有很大差别现时有很大差别在在地面接口地面接口方面两者不会有本质的差别方面两者不会有本质的差别图图8-3N-CDMA系统结构系统结构 Abis Abis 口口MMS SBTSBTSBTSBTSBTSBTSMSCMSCE EI IR RV VL LR RS SMME EHLRHLRACOMC-SOMC-SBSCBSCBSCBSCOMC-ROMC-RPDNPSTNISDNMMS SUm Um 口口A A 口口其他网络接口其他网络接口BSSBSSNSSNSSN-CDMA网 CDMA在网络结构上与GSM大同小异图8-8.3 移动通信网的信令系统 概述概述信令的任务和作用信令的任务和作用信令的发展信令的发展移动通信中的移动通信中的信令系统信令系统8.3 移动通信网的信令系统 概述信令的任务和作用信令信令是与通信有关的一系列控制信号是与通信有关的一系列控制信号作用作用 信令是用户以及通信网中各个节点相互交换信息的共同语信令是用户以及通信网中各个节点相互交换信息的共同语言，是整个通信网的神经系统言，是整个通信网的神经系统基本功能基本功能建立呼叫建立呼叫监控呼叫监控呼叫清除呼叫清除呼叫操作过程操作过程（右图）（右图）构成构成 信令由一系列信令消息集组成信令由一系列信令消息集组成消息类型单元消息类型单元一些强制或可选择的消息单元一些强制或可选择的消息单元图图8.7信令的操作过程信令的操作过程 信令的任务和作用信令是与通信有关的一系列控制信号图8.7 信令的发展随路信令随路信令（模拟电话网或早期的数字电话网中）（模拟电话网或早期的数字电话网中）信令与话音在同一链路内传送信令与话音在同一链路内传送信令传送速度低，信息容量及处理能力有限信令传送速度低，信息容量及处理能力有限只适应于基本的呼叫处理只适应于基本的呼叫处理公共信道信令（公共信道信令（CCSCCS）信令与语音分离信令与语音分离链路的利用率高链路的利用率高实际速度低于理论速度实际速度低于理论速度为了保证信令的可靠为了保证信令的可靠移动通信中，完成一次移动通信中，完成一次 接续需传的信令消息比接续需传的信令消息比 电话网中多的很多电话网中多的很多公共信道信令示意图公共信道信令示意图 信令的发展随路信令（模拟电话网或早期的数字电话网中）公共信道构成构成ISDNISDN的规定的规定交换机之间的信令（如公共信道信令系统（交换机之间的信令（如公共信道信令系统（No.7No.7）和交换机到用户之）和交换机到用户之间的信令（如间的信令（如D D信道协议），两者自成系统互不兼容。信道协议），两者自成系统互不兼容。移动通信中的接口信令（右图）移动通信中的接口信令（右图）典型协议典型协议NO.7 NO.7 公共信道信令系统公共信道信令系统用户用户网络接口协议网络接口协议公共陆地移动通信网的接口公共陆地移动通信网的接口PLMNPLMN协议模型协议模型移动通信中的信令系统移动通信中的信令系统移动通信中的信令系统移动通信中的信令系统移动通信中的信令系统移动通信中的接口信令示意图移动通信中的接口信令示意图构成移动通信中的信令系统移动通信中的信令系统与移动通信有关的NO.7 公共信道信令系统NO.7NO.7信令网的概念信令网的概念信令网编码信令网编码NO.7NO.7信令系统的分层结构信令系统的分层结构消息传送部分（消息传送部分（MTPMTP）信令连接控制部分（信令连接控制部分（SCCPSCCP）用户部分（用户部分（UPUP）NO.7 公共信道信令系统NO.7信令网的概念NO.7信令网的概念NO.7NO.7信令网信令网是独立于通信网专门用于传送信令的网络是独立于通信网专门用于传送信令的网络构成构成信令点信令点SPSP（signaling p