通信原理教程多路复用和多址技术.ppt

1 多路复用和多址技术 9 1概述多路复用目的 在一条链路上传输多路独立信号基本原理 正交划分方法3种多路复用基本方法 频分复用 FDM 时分复用 TDM 码分复用 CDM 2 3种多路复用新方法 空分复用 SDW 极化复用 PDW 波分复用 WDM 复接目的 解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分 关键技术问题 多路TDM信号时钟的统一和定时问题 多址接入目的 多个用户共享信道 动态分配网络资源 方法 频分多址 时分多址 码分多址 空分多址 极化多址以及其他利用信号统计特性复用的多址技术等 3 9 2频分复用 FDM 方法 采用SSB调制搬移频谱 以节省频带 3路频分复用电话通信系统原理 4 5 国际电信联盟 ITU 建议 基群 12路 占用48kHz带宽 位于12 60kHz之间 超群 60路 由5个基群组成 占用240kHz的带宽 主群 600路 由10个超群组成 频分复用的主要缺点 要求系统的非线性失真很小 否则将因非线性失真而产生各路信号间的互相干扰 用硬件实现时 设备的生产技术较为复杂 特别是滤波器的制作和调试较繁难 成本较高 6 9 3时分复用 TDM 基本原理 见右图 7 基本条件 各路信号必须组成为帧 一帧应分为若干时隙 在帧结构中必须有帧同步码 当各路信号不是用同一时钟抽样时 必须容许各路输入信号的抽样速率 时钟 有少许误差 主要优点 便于信号的数字化和实现数字通信 制造调试较易 更适合采用集成电路实现 生产成本较低 具有价格优势 国际电信联盟 ITU 建议 准同步数字体系PDH同步数字体系SDH 8 9 3 1准同步数字体系 PDH E体系 我国大陆 欧洲采用 T体系 美国 日本等地采用 9 E体系结构图 10 PCM一次群的帧结构 11 随路信令 12 9 3 2复接与码速调整复接目的 解决来自若干条链路的多路信号的合并和区分 将低次群合并成高次群的过程称为复接 反之 将高次群分解为低次群的过程称为分接 关键技术问题 多路TDM信号时钟的统一和定时问题 码速调整低次群合成高次群时 需要将低次群信号的时钟调整一致 再作合并 为此 要增加一些开销 例如 一次群的速率是2 048Mb s 4路一次群的总速率应该是8 192Mb s 但是实际上二次群的速率是8 448Mb s 这额外的256kb s中就包括码速调整所需的开销 码速调整的方案 有多种正码速调整 负码速调整 正 负码速调整 13 正码速调整法 原理 复接设备对各路输入信号抽样时 抽样速率比各路码元速率略高 出现重复抽样的情况时 需减少一次抽样 或将所抽样值舍去 14 ITU建议的8 448Mb s二次群的复接帧结构 15 复接帧结构图 16 9 3 3同步数字体系 SDH SDH的体系结构在SDH中 信息是以 同步传送模块STM 传送的 同步传送模块 STM 由信息有效负荷和段开销SOH组成块状帧结构 其重复周期为125 s SDH分为若干等级 STM的基本模块是STM 1 STM 1包含一个管理单元群AUG和段开销SOH 17 SDH和PDH的关系通常都是将若干路PDH接入STM 1内 即在155 52Mb s处接口 这时 PDH信号的速率都必须低于155 52Mb s 并将速率调整到155 52上 例如 可以将63路E 1 或3路E 3 或1路E 4 接入STM 1中 SDH的结构以及和PDH连接关系图 18 SDH的结构 容器 C n 是一种信息结构 它为后接的虚容器 VC n 组成与网络同步的信息有效负荷 虚容器 VC n 也是一种信息结构 它由信息有效负荷和路径开销信息组成帧 每帧长125 s或500 s 支路单元 TU n 也是一种信息结构 它为低阶路径层和高阶路径层之间进行适配 19 SDH的帧结构 20 9 4码分复用 CDM 9 4 1基本原理码组正交的概念 设x和y表示两个码组 式中 i 1 2 N互相关系数定义 两码组正交的必要和充分条件 例 c 码分制 21 用 1 和 0 表示二进制码元方法 1 1 0 1 互相关系数定义式式中 A x和y中对应码元相同的个数 D x和y中对应码元不同的个数 上例中 优点 映射关系 22 码组自相关系数定义 设xi取值 1或 1 式中 x的下标i j应按模N运算 即xN i xi 例 设x x1 x2 x3 x4 1 1 1 1 则其自相关系数为 23 若设xi取值 0 或 1 则有自相关系数式中 A为xi和xi j中对应码元相同的个数 D为xi和xi j中对应码元不同的个数 的取值范围 按照互相关系数 值的不同 当 0时 称码组为正交编码当 0时 称码组为准正交码当 0时 称其为超正交码 例 正交编码和其反码还可以构成双正交码 例 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 24 四路码分复用原理方框图 25 9 4 2正交码阿达玛 Hadamard 矩阵 是一种方阵 仅由元素 1和 1构成 简称H矩阵 最低阶的阿达玛矩阵是2阶的 如下式为简单起见 将上式写为 阶数为2的幂的阿达玛矩阵可以用下面的递推公式求出 式中 直积 26 直积的算法 将矩阵HN 2中的每个元素都用矩阵H2代替 例 正规阿达玛矩阵 由上法构造出的H矩阵是对称矩阵 而且其第一行和第一列中的元素全为 称为正规H矩阵 27 H矩阵的性质 若交换正规H矩阵的任意两行或两列 或者改变任一行 或列 中的全部元素的符号 此矩阵仍为H矩阵 高于2阶的H矩阵的阶数一定是4的倍数 目前 除N 4 47 188外 所有N 200的H矩阵都已经找到 沃尔什 Walsh 矩阵 将H矩阵中各行按符号改变次数由少到多排列 得出沃尔什矩阵 简称W矩阵 例 W矩阵仍保有正交性 28 9 4 3伪随机码伪随机码 又称伪随机序列具有类似白噪声的随机特性但是又能重复产生 具有良好的相关特性 可以用于码分复用 多址接入 测距 密码 扩展频谱通信和分离多径信号等许多用途 伪随机序列有多种 其中以m序列最为重要 m序列m序列 由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的序列 29 m序列的产生举例 4级m序列产生器及其状态4级移存器共有24 16种可能状态 其周期p最长等于15 30 一般的线性反馈移存器方框图图中 ai i 0 n 移存器状态 ai 0或1 ci 反馈状态 ci 0表示反馈线断开 ci 1表示反馈线连通 31 递推方程设 此移存器的初始状态为a 1 a 2 a n 1 a n则经1次移位后 状态变为a0 a 1 a n 2 a n 1经k次移位后 状态变为ak 1 ak 2 ak n 1 ak n 当前状态 当再次移位时 移存器左端的输入ak为 称为递推方程 它给出移存器输入ak与移存器各级状态的关系 32 特征方程ci的值决定了反馈线的连接状态在上式和后面的公式中都将 简写为 式中xi本身并无实际意义 它仅指明其系数是ci的值例 表示上式中仅x0 x1 和x4的系数c0 c1 c4 1 而其余系数c2 c3 0 构成的方框图如右 特征方程f x 决定了一个线性反馈移存器的结构 从而决定了它产生的序列的构造和周期 33 本原多项式使一个线性反馈移存器产生最长周期序列的充分必要条件是其特征方程f x 为本原多项式 本原多项式是指满足下列条件的多项式 是既约的 即不能分解因子的 可以整除 xm 1 m 2n 1 即是 xm 1 的一个因子 除不尽 xq 1 q m 例 设计一个4级m序列产生器的特征方程f x 现在 级数n 4 故m 2n 1 15 所以 按照上述第 项要求 其特征方程f x 应该是 x15 1 的一个因子 现将 x15 1 分解因子如下 34 因要求设计的移存器有4级 故其特征方程式的最高次项应为x4项 上式右端前3个因子都符合这一要求 但是 可以验证前两个因子是本原多项式 而第3个因子不是本原多项式 因为因此 前两个因子和都可以作为特征多项式 用以产生m序列 寻找本原多项式不易 将常用本原多项式列表供查用 35 表中除了给出本原多项式的代数式外 还给出了其8进制数字表示形式 例如 当n 4时 表中给出的8进制数字是 23 它的意义如下 即c0 c1 c4 1 c2 c3 c5 0 由于反馈线和模2加法电路的数量决定于本原多项式的项数 为了使电路简单 所以应当选用项数最少的那些因子 由表可见 许多本原多项式的项数最少为3项 这时仅需用一个模2加法电路 本原多项式的逆多项式也是本原多项式 例如 和所以表中每个本原多项式可以构成两种m序列产生器 36 m序列的性质均衡性 在m序列的一个周期中 0 和 1 的个数基本相等 准确地说 1 的个数比 0 的个数多一个 游程分布 游程是指序列中取值相同的一段元素 并把这段元素的个数称为游程长度 例如 在上面的一个周期中 共有8个游程 其中长度为4的游程有1个 即 1111 长度为3的游程有1个 即 000 长度为2的游程有两个 即 11 和 00 长度为1的游程有4个 即两个 1 和两个 0 一般说来 在m序列中 长度为1的游程数目占1 2 长度为2的游程数目占1 4 长度为3的游程占1 8 或者说 长度为k的游程数目占游程总数的2 k 1 k n 1 并且长度为k 1 k n 2 的游程中 连 1 游程数目和连 0 游程数目相等 37 移位相加特性设 Mp是一个m序列 它经过任意次延迟移位后成为Mr 则式中 Ms是Mp的某次延迟移位序列 例 1110010 0111001 1001011上式右端是1110010向右移位5次的结果 自相关特性 周期性 38 功率谱密度功率谱密度和自相关系数构成一对傅里叶变换 求出如下 由于当m大时 m序列的均衡性 游程分布 自相关特性和功率谱密度等都近似白噪声的特性 但是它又有规律 可以重复产生 所以m序列属于一种伪噪声序列 39 9 5多址技术9 5 1频分多址 FDMA 每载波多路 MCPC 体制 预先分配的FDM FM FDMA体制INTELSATII和III卫星系统中采用 缺点 话路分配不灵活 40 按需分配多址 DAMA 体制INTELSATIV卫星中采用的DAMA体制为每载波单路按需分配多址 SPADE 体制 SPADE体制特点 1 载波只受单路64kb s的PCM信号调制 QPSK 2 信道间隔为45kHz 一个卫星转发器的带宽可以容纳800路载波 其中留有6个载频位置空闲备用 故可提供794路载波使用 3 各载波动态地按需分配 4 用一个160kHz带宽的公共信令信道作动态分配用 其比特率为128kb s 采用BPSK调制 工作原理 有公共信令信道 以固定分配的TDMA广播模式工作 每个地球站在公共信令信道内每50ms中有1ms的时隙可以用来请求或释放信道 信道分配是由所有地球站控制的 由于SPADE体制的按需分配 它的容量相当于提高到4倍 即800路的SPADE信道相当于3200路MCPC信道 41 FDMA的优缺点 主要优点 设备较简单 价格较低 不需要精确的时钟同步 主要缺点 要求传输信道的非线性失真要小 例如 在卫星通信系统中 若一个星上转发器内同时转发多个载波信号 则星上 行波管 放大器的非线性将在各载波信号间产生交叉调制 使星上 行波管 放大器只能工作在线性好的一段功率范围 42 9 5 2时分多址 TDMA 单路时分多址系统ALOHA系统工作原理 用随机接入的方法通过一颗卫星把几个地面计算机连接起来 用数据分组方式传输 分组的长度是一定的 工作模式 发送模式 用户在需要发送数据时可以随时发送 发送的分组具有纠错能力 收听模式 在发送后 该用户收听来自接收端的 确认 ACK 消息 当有几个用户同时发送信号时 由于信号间的重叠会造成接收数据中出现误码 我们称这种现象为碰撞 这时发送端将收到接收端送回的 否认 NAK 消息 重发模式 当发送端收到 NAK 后 将重发原来的数据分组 当然 若碰撞对方也立即重发 将再次发生碰撞 所以 要经过一段随机延迟时间后再重发 超时模式 若发送后在规定时间内既没有收到ACK 也没有收到NAK 则重发此数据分组 43 基本性能分析设 每个数据分组的长度 b比特 总业务到达率 每秒 t个分组 成功接收率 每秒 个分组 拒收 碰撞 率 每秒 r个分组 则有 t r成功传输量 吞吐量 定义为 总业务量定义为 归一化通过量定义为 式中 R 系统容量 最大传输速率 b s 归一化总业务量定义为 由于平均吞吐量p 不可能大于系统的容量R 所以归一化通过量p不可能大于1 即归一化总业务量P可以大于1 一般说来 44 一个分组 pkt 的 最小 传输时间等于 s pkt 故有及为了避免冲突 一个分组至少需要2 的空闲时间 归一化通过量p和归一化总业务量P之间关系的分析泊松分布 在 秒时间内有K个新消息到达的概率式中 为消息的平均到达率 在 时间间隔内没有消息到达的概率 令 t K 0 得到 45 在ALOHA系统中 一个消息成功传输的概率Ps应该是相邻两个 内都没有消息到达 故有 另一方面 由上两式联立 得出将及代入 最终得到归一化通过量 46 的曲线 下图中 纯ALOHA 曲线由图可见 随着P增大 p逐渐增大p的最大值等于1 2e 0 18 它发生在P等于0 5时 由于碰撞大量增加 p开始下降 为了提高信道利用率 需要将ALOHA系统改进 47 时隙ALOHA S ALOHA 系统改进之处 卫星向所有地球站发送一同步脉冲序列 将时间划分为等于分组长度的时隙 分组开始发送的时间必须在时隙 的起点 这样的一种简单规定就能使碰撞率减少一半 因为只有在同一时隙中发送的消息才可能发生碰撞 工作原理 48 这时的归一化通过量p和归一化总业务量P的关系式变为按上式画出的曲线示于下图中 时隙ALOHA 曲线 此曲线的最大值等于1 e 0 37 它是纯ALOHA系统的两倍 重发的延迟时间决定于各站的随机数产生器 一旦发生再次碰撞 则使用另一个随机数再次重发 49 预约ALOHA R ALOHA 系统两种基本模式 未预约模式 静止状态 将时间分为若干小的子时隙 用户使用这些子时隙来预约消息时隙 在发出预约请求后 用户等待收听确认和时隙分配的信息 预约模式 一旦有了一个预约 时间将被分成帧 每帧又分成M 1个时隙 前M个时隙用于消息传输 最后一个时隙再分成N个子时隙 用于请求和分配预约 用户只能在M个时隙中分配给他的时隙内发送消息分组 50 R ALOHA系统的一种实现方案 51 S ALOHA系统和R ALOHA系统的性能比较 52 多路时分多址系统多路TDMA优缺点 只需用一个载波 不会发生FDMA的交叉调制 当需要和大量对象通信时 TDMA体制比FDMA经济在多波束系统中 可以方便地实现每个波束和其他波束的通信 在各地球站间以及地球站和卫星之间需要精确的同步系统 这增加了TDMA系统的复杂度和价格 53 工作原理 以INTELSAT系统为例发射地球站 以低速连续数字流进入缓存器之一 另一个缓存器则用高速取出 在一个TDMA帧中 缓存器交替地工作 高速时钟必须精确控制突发时间 接收地球站 接收到的突发信号存入一个扩展缓存器 另一个缓存器则以所需的低速取出 54 同步方法 指定一个地球站为主站 它周期性地发射参考定时脉冲 其他地球站为从站 它们也发射自己的定时脉冲 从站的下行链路除了接收自己发送的定时脉冲外 还收到主站发射的参考定时脉冲 两者的时间差就是主站和从站定时之间的误差 于是从站可以调整自己的时钟以减小此误差 55 9 5 3局域网中的多址技术载波侦听 冲突检测多址 CSMA CD 技术 例 以太网中应用基本原理 假设一个设备在接入网络之前能够侦听网络的状态 只有当侦听到电缆上没有其他信号传输时 才能向电缆上发送信号 数据是分组传输的 56 数据格式 每组数据的最大长度为1526字节 最小长度为72字节 每组分为 前同步码8字节 报头14字节 数据1500字节 校验码4字节 组间最小间隔为9 6 s 前同步码包含64比特的 1 0 交替码 并且最后以两个比特 11 结束 即前同步码为 101010 101011 地址码的第1个比特指示地址类型 0表示单地址 1表示群地址 地址码若为全 1 表示是向所有站广播 类型域码决定数据域中的数据如何解释 例如 类型域中的码能用于表示数据编码 密码 消息优先级等 校验域中校验码的生成多项式如下 X32 X26 X23 X22 X16 X12 X11 X10 X8 X7 X5 X4 X2 X 1 57 接入步骤 延缓 当存在载波时或在最小组间隔时间内 用户不能发送 发送 若没有检测到冲突或在一组结束时没有延缓 用户可以发送 中断 若检测到冲突 用户必须终止传输 并发送一个短的阻塞信号 以确保所有冲突方注意到此冲突 重新发送 用户必须等待一个随机延迟时间 再试图重新发送 退避 延迟重新发送称为退避 第n次试图发送之前的延迟时间是一个在0 2n 1 间均匀分布的随机数 010 此区间仍为0 1023 重发延迟的时间单位是512b 51 2 s 58 侦听方法 以双相码 10Mb s速率传输格式为例 存在跳变表明网上有载波存在 若从最后一次跳变开始在0 75 1 25个码元时间内看不到跳变 就表明载波没有了 即表示一组的终结 59 令牌环行多址技术典型单向令牌环形网的结构 60 基本工作原理接口有两种工作模式 收听和发送 在收听模式下 接口将收到的比特流先收下 再转发出去 所以最小有1比特的延迟 在发送模式下 环路断开 该计算机能将其数据发送到环上 令牌是一个特定的码组 例如 11111111 当环中所有计算机都空闲时 令牌在环中循环 为了防止在信息数据中出现令牌码组 方法之一是采用填充比特 例如 若令牌为连续的8个 1 则当信息数据中出现连续的7个 1 后就填入一个 0 在接收时 连续收到7个 1 后 就将下一个 0 删除 61 工作过程 希发送数据的站监视着接口处出现的令牌并将其截获 例如 当令牌的最后一个比特出现时 将它反转 使令牌变成11111110 然后 该站断开接口的连接 并将自己的数据发送到环上 数据是构成帧发送的 发送数据帧的长度没有限制 当发送的数据帧在环上环行一周后回来时 该发送站可以对该帧进行检查 了解其传输是否正确 在发送完这帧数据的最后一个比特之后 该站必须重新产生一个令牌 当发送的最后一比特数据环行一周返回后 将接口转换到收听模式 在令牌环形网中不会发生争用情况 当网络繁忙时 只要某站重新产生了一个令牌 则沿环行方向下一个要求发送的站会将此令牌马上取走 这样 将沿环依次允许各站发送数据 因为环上只有一个令牌 所以没有争用情况 在接口处于收听模式时 还应该时刻注意收到的比特流中有无本站地址 一旦发现本站地址 应立即将开关S闭合 使环上的该数据帧进入计算机 同时将该数据流转发到下一站 当某站不工作 关闭 时 该站的接口既不在发送模式也不在收听模式 而是处于短路状态 62 令牌环形网长度的设计 环网的总延迟时间不应小于令牌的 长度 最坏情况 当其他各站都处于关闭状态时 接口短路 环网只有电缆的延迟时间 故总电缆长度应该使延迟时间不小于令牌 长度 例 设信号发送速率是RMb s 则1码元占用 1 R 微秒 信号在典型同轴电缆中的传播时间约为200m s 所以 1码元在环上传输时相当占用200 R米长度 若令牌由8比特组成 信号发送速率为10Mb s 则令牌的持续时间等于8 10 s 令牌在电缆上占用的长度将为200m s 8 10 s 160m 所以 此环网的电缆总长度不应小于160m 63 令牌的设计 令牌必须不会出现在信息数据流中 例如 若传输码元采用的是双相码 由于双相码在一个码元的中间必然出现电平突变 所以这时可以采用中间无突变的码型作为令牌 64 CSMA CD网和令牌环形网的性能比较比较条件 电缆长度 2km 网内有50个站 平均组 帧 长度是1000b 报头长为24b 当传输速率 10Mb s时 若归一化通过量p 0 22 令牌环网好于CSMA CD 这是因为当通过量大时 CSMA CD网中频繁发生冲突 故延迟时间增大 65 9 6小结