无线通信基础-教学课件-1.ppt

1、电子科学与工程学院 军事通信工程系第2页 共40页5.1 引言5.2 FDMA5.3 TDMA5.4 CDMA5.5 频谱效率第3页 共40页5.1 引言：两个或多个用户希望利用同一个传播信道 同时相互通信的一种信号传输方式 p 广播式传输（下行链路）：基站发射的信号被小区中的每个用户接收；p 多址接入（上行链路）：用户对基站发射信号是多对一的，多址接入即基站如何有效地分辨这些来自不同用户的信号。第4页 共40页5.1 引言多址接入的关键是使得来自不同用户的发射信号相互正交 p 两个或多个用户的信号同时达到基站接收机，若多个到达信号相互正交，则相互间无干扰：()()0,ijTx t x t d

2、tij第5页 共40页5.1 引言分为两类：（）和 FDMA：频分多址，Frequency Division Multi-Acccess TDMA：时分多址，Time Division Multi-Acccess CDMA：码分多址，Code Division Multi-Acccess SDMA：空分多址，Space Division Multi-Acccess（随机接入）：Aloha；载波侦听多址接入方式（CSMA）等 FDMA与与TDMA：属于固定容量的分配方案：属于固定容量的分配方案第6页 共40页5.1 引言CDMA/FDD美国窄带扩频（美国窄带扩频（IS-95）TDMA/TDD欧洲

3、数字无绳电话（欧洲数字无绳电话（DECT）FDMA/TDDCT2（无绳电话）（无绳电话）TDMA/FDD日本数字蜂窝（日本数字蜂窝（JDC）TDMA/FDD美国数字蜂窝（美国数字蜂窝（USDC）TDMA/FDD全球移动通信系统（全球移动通信系统（GSM）FDMA/FDD高级移动电话系统（高级移动电话系统（AMPS）多址技术多址技术蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统第7页 共40页5.2 FDMAFDMA（Frequency Division Multiple Access）：将通信系统的总带宽划分为若干等间隔的信道，分配给不同的用户。第8页 共40页控制信道控制信道890MHz915MHz935

4、MHz960MHz45MHz上行（移动台至基站）下行（基站至移动台）1 210001 2100025KHz25KHz实例：AMPS系统 AMPS系统采用FDMA/FDD多址方式，系统带宽为12.5MHz，边界保护间隔为10kHz，信道带宽为30kHz，分配给控制信令的信道数为21个。5.2 FDMA第9页 共40页5.2 FDMAp FDMA通常在窄带系统实现，符号时间远大于延时扩展，不需要信道均衡。p 需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰。p 非线性是FDMA系统的主要问题：互调干扰：fMI=m f1+n f2p 关键问题 合理配置频率避开互调分量；采用高线性度的功率放大器；功率放大器

5、的线性补偿。第10页 共40页5.3 TDMATDMA（Time Division Multiple Access）：信道时间被划分为不同的帧，每个帧又进一步分割为不同的时隙，每个用户在被指定的时隙逐帧发送。帧足够长，每个接受服务的用户都有机会发射至少一次。第11页 共40页1、经实验测试路径损耗因子=3，区群大小N=3，小区半径由原来的R变为R/2。为获得相同的边缘通信概率，比较分裂前后的基站发射功率变化。复习：复习：2、系统所要求的S/I不变，路径损耗指数为2，采用3扇区（120度定向天线）后，理论上蜂窝系统的容量是原来的 倍。t121012(dB)10 log()tP/PR/R第12页

6、共40页5.3 TDMA：建立连接时分配的时隙是固定的，各用户与其被指定的时隙保持同步。：时隙分配不固定，发送时隙在各帧动态分配。p 帧长度被用户数所固定。p 各帧长度不同，取决于该帧的激活用户数。第13页 共40页帧 帧头信息 帧尾时隙1 时隙2 时隙3时隙n头比特同步比特信息数据保护比特5.3 TDMAp 能够采用TDD或FDD两种双工方式。第14页 共40页5.3 TDMAp 根据频率分配的方式不同，STDMA可以是宽带的，也可以是窄带的。宽带宽带TDMA窄带窄带TDMA第15页 共40页5.3 TDMAp 对于移动用户而言，TDMA系统的数据传送不是连续的，电池消耗低。p 由于TDMA

7、中的不连续发射，切换处理对于一个用户单元来说是简单的。移动台辅助切换（MAHO）通过监听TDMA帧中的一个空闲实隙来执行。p在TDMA中，采用均衡器是必要的。因为相对于FDMA信道，TDMA信道的发射速率通常要高得多。pTDMA的一个优点是它有可能给不同用户分配一帧中不同数目的时隙。第16页 共40页实例2：GSM系统前向/反向信道的单向带宽：25MHz信道数：共有125个RF载波，每个载波带宽200kHz。5.3 TDMAGSM系统能同时容纳的用户数为：25810000.2K 上行：890MHz915MHz下行：935MHz960MHz收、发频率间隔为45MHz。第17页 共40页5.4 C

8、DMACDMA（Code Division Multi-Acccess）：直接序列扩频多址方式p它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除TDMA以外的另一种形式，最典型的是IS-95。p在第三代移动通信中，提出的最主要的三种体制也是采用CDMA，它们是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA，与TDD的TD-SCDMA。第18页 共40页5.4 CDMA（1）频段p下行：869MHz894MHz（基站发射）；p上行：824 MHz849MHz（移动台发射）。实例：IS-95系统（2）信道数p每一载频：64（码分信道）其中55个为业务信道，另外包括导频信道、同步信道等控制信道；p每一载频带

9、宽：1.25MHz第19页 共40页5.4 CDMA实例：IS-95系统（3）调制方式 移动台：OQPSK；基站：QPSK交错四相相移键控第20页 共40页5.4 CDMAp CDMA系统多用户共享同一频率，最小区群尺寸为1。p CDMA系统具有软容量控制，对于用户数目没有绝对的限制。当用户数目增加时，本底噪声增加，对用户而言系统性能下降。p CDMA中，信道数据率很高，符号周期很短，通常比时延扩展小得多。可以使用RAKE接收机，通过收集所需要信号中不同时延得信号来提高接收机的可靠性。p 由于不同用户的扩频序列不是完全正交形成的自干扰问题。p 远近效应问题。第21页 共40页5.5 频谱效率移

10、动通信系统中提高频谱利用率的常用技术：压缩数据以降低传输速率；减小带宽；信道分配；a.选择多址接入方法；移动通信系统总的频谱效率依据以下信息进行估计：以KHz为单位的信道间隔；以km2为单位的小区面积；频率复用因子；a.所采用的多址接入方法；调制方法在内的系统参数调制方法在内的系统参数第22页 共40页5.5 频谱效率取决于系统参数的取决于系统参数的频谱效率分量频谱效率分量取决于多址接入方式的取决于多址接入方式的频谱效率分量频谱效率分量移动通信系统的频谱效率：sysaccess系统的频谱效率的定义：2/MHz/km系统中用于数据传输的信道总数（信道）系统带宽 总的覆盖区域2/MHz/km系统所

11、承载的总的话务量（厄尔兰）系统带宽 总的覆盖区域第23页 共40页5.5 频谱效率FDMA数据传输的可用带宽系统带宽控制信道数：Nctr业务信道数：Ndata=Ns-Ncrt同时支持的信道数：2sgscBBNB频谱效率：1datacFDMAsNBB第24页 共40页5.5 频谱效率例：AMPS系统采用FDMA/FDD多址方式，系统带宽为12.5MHz，边界保护间隔为10kHz，信道带宽为30kHz，分配给控制信令的信道数为21个，求FDMA的频谱效率。解：可用信道数为：212.5 10002041630sgscBBNBFDMA的频谱效率为：30416210.94812.5 1000FDMA第2

12、5页 共40页5.5 频谱效率区群中的数据信道数小区中的数据信道数系统带宽 区群面积系统带宽 小区面积由系统频谱效率的定义，可有：总信道数：业务信道数：Ndata=Ns-Ncrt2sgscBBNBcscellNBA小区中的数据信道数系统带宽 小区面积小区中的业务信道数：Nc=(Ns Ncrt)/N第26页 共40页5.5 频谱效率例：AMPS系统采用FDMA/FDD多址方式，系统带宽为12.5MHz，边界保护间隔为10kHz，信道带宽为30kHz，分配给控制信令的信道数为21个，小区面积为6km2，区群尺寸为7，求FDMA的系统频谱效率。解：可用信道数为：212.5 10002041630sg

13、scBBNB241621 70.747/12.5 6MHz km小区中的数据信道数信道系统带宽 小区面积第27页 共40页5.5 频谱效率fptdW TDMAfsTLTL帧持续时间帧持续时间帧头持续时间帧头持续时间帧尾持续时间帧尾持续时间时隙中符号总数时隙中符号总数时隙中信息时隙中信息符号总数符号总数帧头帧尾ptfT时隙1时隙2时隙N.帧效率：同步头保护比特dLsL信息时隙效率：第28页 共40页5.5 频谱效率2fptsgucdN TDMAW TDMAsfssTBBN BLBTLB2sgucBBNB子带数目：ucsN BB频谱效率第29页 共40页5.5 频谱效率p 小区容量定义为小区能够同

14、时支持的最大移动用户数。p 对于TDMA而言，在可用频谱的一次占用期间，能够支持的同时用户的最大数目为：suslotNNNp 设一个区群中的小区平分系统容量，则TDMA系统的小区容量为：csNNN1,21,sgucWTDMABBNNTDMAB第30页 共40页5.5 频谱效率【定义】以比特/时间/带宽/小区为单位的TDMA系统频谱效率。21fptsgdbfsscTBBLRTLBBNN TDMA比特 带宽小区1fptdbfscTLRTLBNW TDMA第31页 共40页5.5 频谱效率cuslotNNNN解：（1）(250002*20)3357/307cN用户 小区例:IS-54系统为同步窄带T

15、DMA/FDD系统，其前向/反向信道的单向带宽为25MHz，被划分为30kHz的无线信道，每个信道支持的传输速率为16.2kbps，设保护带Bg=20kHz。帧长40ms，共有6个时隙。单个无线小区支持3个全速率话音信道，每个信道占用一帧中的2个时隙，每个时隙由324比特组成，其中260比特用于传输信息，其余64比特为控制开销。区群大小N=7，用户的编码速率为7.95kbps。求（1）小区容量；（2）TDMA的频谱效率；（3）小区的总频谱效率（系统频谱效率）。第32页 共40页5.5 频谱效率解：（2）2fptsgdN TDMAfssTBBLTLB260 25000-2200.80132425

16、000N TDMA例:IS-54系统为同步窄带TDMA/FDD系统，其前向/反向信道的单向带宽为25MHz，被划分为30kHz的无线信道，每个信道支持的传输速率为16.2kbps，设保护带Bg=20kHz。帧长40ms，共有6个时隙。单个无线小区支持3个全速率话音信道，每个信道占用一帧中的2个时隙，每个时隙由324比特组成，其中260比特用于传输信息，其余64比特为控制开销。区群大小N=7，用户的编码速率为7.95kbps。求（1）小区容量；（2）TDMA的频谱效率；（3）小区的总频谱效率（系统频谱效率）。第33页 共40页5.5 频谱效率例:IS-54系统为同步窄带TDMA/FDD系统，其前

17、向/反向信道的单向带宽为25MHz，被划分为30kHz的无线信道，每个信道支持的传输速率为16.2kbps，设保护带Bg=20kHz。帧长40ms，共有6个时隙。单个无线小区支持3个全速率话音信道，每个信道占用一帧中的2个时隙，每个时隙由324比特组成，其中260比特用于传输信息，其余64比特为控制开销。区群大小N=7，用户的编码速率为7.95kbps。求（1）小区容量；（2）TDMA的频谱效率；（3）小区的总频谱效率（系统频谱效率）。解：（3）21fptsgdbfsscTBBLRTLBBN26025000407.9510.0303/32425000307Hz比特/秒/小区第34页 共40页第

18、35页 共40页第1章 绪论第2章 无线信道的特性2.1 多径传播环境；2.2 线性时变信道模型；2.3 信道相关函数；2.4 大尺度路径损耗与阴影衰落；2.5 小尺度多径衰落；1.1 无线通信的定义与工作频段；1.2 无线通信的发展历程；1.3 无线通信的分类；1.4 无线通信的实例；1.5 无线通信的发展与展望；第36页 共40页第3章 移动无线系统的带通传输技术第4章 蜂窝通信基础3.1 引言；3.2 移动无线系统常用的数字调制方式；3.3 传输错误概率；3.4（补充）扩频通信系统；4.1 概述；4.2 频率复用与移动性管理；4.3 区群的概念；4.4 同信道与邻信道干扰；4.5 基站处的呼叫阻塞与延迟；4.6 扩大系统容量的其他方法；4.7 信道分配策略；第37页 共40页第5章 多址接入技术5.1 引言；5.2-5.4 无冲突多址接入技术；5.4 频谱效率；