第10章多用户通信

第10章多用户通信基本内容：多用户通信近些年来得到了很大发展，特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的CDMA等典型多址技术应用，更具长足发展的前景。本章主要介绍多用户通信基本概念，并重点介绍几种多址技术原理和应用，涉及内容较为广泛，并直接联系到专业技术。知识点及层次(1)M多用户通信概念和分类。(2)复用/多址的关系与多址原理。(3)移动无线、卫星通信和局域网等多址特点。(4)三代移动通信中的多址技术概述。(5)无线信道特征和多径衰落环境下的分集技术10.1关于多用户通信多用户通信近些年来得到了很大发展，特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的CDMA等典型多址技术应用，更具长足发展的前景。10.1.1多用户通信描述1.通信资源正交分割与信道化（Channelization）●信道不同域资源正交分割———通信资源从根本上说是传输信道可用带宽，但为共享通信资源，可根据业务流量、性质和级别，将其从各种资源“域”进行均等或不均等分割，提供多个子信道。这种分割可在频域、时域、空（间）域，以及光传输波长，正交编码，甚至时-频、空-时等进行“域”分割。其中，正交编码、时-频复用基于扩频技术，属于携带信息的正交码序列而使信道同时提供全时、全频带的正交通信方式;空-时编码则并不等同于一般正交传输方式。●由通信资源的正交分割，而提供大量子信道，可实现多用户通信，并包括复用与多址模式。2.多用户通信（定义）●多个用户通过一定接入方式和基于通信资源的某种正交分割方式，同时共享该信道资源。简言之，多用户通信就是一个通信信道被多个用户同时使用。●由定义，表明多用户通信覆盖广泛的通信领域，并包括较为传统的各种复用和近些年大量发展的光波分复用，各种多址模式和随机接入（多址）方式，以及广播系统等。10.1.2复用与多址特点1.复用特点●在复用系统中，多用户的接入、分插、交换、分路等操作，大都是在固定地点集中完成。●各种多址模式，从传输信道的共享角度，都包含着不同的复用方式。2.“多址”的含义●在相应复用形式的基础上脱颖而出的多址技术，突出强调了多用户的“接入”特点———多用户（比一般复用系统大得多的用户数）可在地球广阔领域（地、空、海域）实施个体分布性、遥远分散性的灵活与随机接入。多址模式就是如此超出已有复用概念的特殊接入方式下的复用。3.多址类型●类型———FDMA，TDMA，CDMA;SDMA，PDMA;LAN中多址技术—CSMA，CSMAˉCD;ALOHA;光接入系统中的各种多址方式。●CDMA系列———CDMA通常指基于扩频调制技术的直接序列扩频CDMA（DSˉCDMA），它与复用和FDMA、TDMA等多址概念的不同在于:CDMA多用户共享信道资源，并非信道本身的“域”资源正交分割，而是相互正交的PN码（m序）系列为极大量多址用户提供携带各自信码的多址码（地址）而达到全时、全带宽（DSˉCDMA是同一个载波）的信道共享。光接入中的CDMA是在多用户进入ONU中的运行模式采用CDMA。4.3种主要多址方式的示意表示下图列出了FDMA、TDMA和CDMA的多址模式。10.2卫星网的多址模式10.2.1每载波多信道方式（MCPC）卫星系统中的单路单载波（SCPC）方式的FDMA；MCPC运行机制是为多信宿（多个接收用户）预分配模式：FDM/FM/FDMA。10.2.2卫星系统TDMA的帧结构举例1.适于欧洲A律PCM的高速TDMA帧结构●基于A律PCME1基群帧结构的TDMA帧TDMA帧:利用PCME1中的16个帧构成1个TDMA帧。帧周期:125μs×16帧=2ms/TDMA帧，帧比特数:256×16=4096bit，1个4096bit的TDMA帧在PCME1系统占2ms.●INTELSAT系统中TDMA帧1个TDMA高速数据帧———占时间33.9μs卫星高速数据比特率:RINT=120.832Mbit/s或帧周期为Tf=33.9μs2.适于北美洲的高速TDMA帧●基于μ律PCMT1基群，同样取16帧———每帧193bit.1个TDMA帧比特数:193×16=3088bit或1.544×106×2ms=3088bit●INTELSAT系统中TDMA帧比特率仍为RINT3.匹配速率的压一扩缓存器●由于A律与μ律各16帧比特数，均以2ms时间映射到INTELSAT高速TDMA帧结构时，分别占用33.9μs和25.6μs，因此各需一对匹配（缓冲）速率的缓存器。进入缓存的速率分别为2.048Mbit/s和1.544Mbit/s两缓存输出比特率均为卫星高速帧的比特率RINT=120.832Mbit/s。●接收端从高速帧中分下的各比特流要进入相应的PCM解复用系统。因此各4096和3088比特数据段仍各以2ms返回到PCMA律E1或μ律T1基群系统。10.3无线信道空间传输损耗10.3.1直线传播和自由空间损耗超高频和微波波段信号的空间传播，会对信号带来多种传输损伤、很大衰减和多径衰落。1.直线传播损伤●衰减和失真;●自由空间损耗;●噪声;●大气吸收;●多径和折射。2.衰减因素第1章中给出了导向电磁信道的各波段及其波长。这里从双绞线、电缆到光纤、波导等传输媒体，都是导向媒体，而在自由空间长距离的电磁波传播，属于非导向媒体传输;因此衰减是较为复杂的距离函数，并在地球周围受到充满大气层的影响。传播衰减主要影响因素是:传播频段f，传播距离L，电磁波速率C（近于光速）。10.3.2自由空间传播损耗1.微波段信号远程传播如卫星到地面约36000km。信号波束随传播距离而发散。上行链路的发射信号功率，由大功率速调管可达上千瓦，而卫星转发器只能靠太阳能供电，由于卫星表面积受限，因此下行链路发射功率很难达到上百瓦。因此地球站接收信号功率不过微瓦级，并且还包含了收、发天线增益几十个dB的补偿效果。2.空间传播损耗（dB）10.3.3多径传播和多径衰落1.多径传播在第1章提到过天线辐射的信号以三种方式传播:地波、天波和空间波（后者即称谓的直线波）;●当电磁波遇有比其波长要大的障碍物时，则发生反射;●并在该物体边界进行衍射（绕射）;●若障碍物尺寸不大于电磁波长，会发生散射，即散射成几路弱信号———多径衰落。2.多径传播后果●多径到达的信号，由于相位不同，强弱相差很大，若无序混迭、相位抵消，就使接收信号难以检测与恢复质量良好的信息;●产生严重的码间干拢（ISI）;●特别是在较高速度的移动台天线发出的信号，运动方向、障碍物环境较快变化，多径信号中主路径不稳定等因素导致的接收信号更难处理。3.衰落类型●慢衰落（平坦衰落—flatfading）;●快衰落（fastfading）;●选择性衰落（Selectivefading）。4.衰落信道的3种类型●高斯信道———是最简单的信道模型，同时它更符合于通信恒参传输媒体。本书各种传输系统，均是基于高斯信道进行性能分析。●瑞利衰落信道———多径衰落导致多条均很弱的路径信号，而不存在一条主路径。●赖斯衰落信道———是较瑞利衰落利于处理的情况，它具有明显的主路径和多个较弱的间接路径。5.多径衰落环境下的信号接收●选用适当的分集技术与合并处理●自适应均衡●前向纠错编码●高性能传输技术———如TCM，复合编码，OFDM等10.4随机接入模式10.4.1随机接入模式的适应环境1.适用环境●在局域环境中的通信网，如LAN（计算机局域网或无线数据网，WLAN），由于覆盖区域小，以宽带高速网络设备投入并非昂贵;在网用户数也不算太多。因此传统操作模式属于“面向无连接”通信方式，在高速（如带宽10M或100M）、数据量不太大及非实时业务占多数情况下，这种随机接入方式较“面向连接”方式快捷简便。2.广播网与媒体接入控制协议（MAC）●通信网两大类型:交换网（电路交换与分组交换、报文交换）和广播网。●广播网之所以简单，是网中所发出的所有信息均可被其所有用户所接收。因此就不像交换网那样建立连接或按路由表寻路、寻址，而是直接寻址、选路，将信息传给特定用户。MAC协议就是使多个用户（站点）共享同一传输媒体，而各能寻址所望接收用户的接入机制。●多用户对通信资源或传输媒体的共享，基本方式有两种:第一类是静态而无碰撞的———信道化机制（如各种复用/多址）;第二种是基于分组数据的媒体动态共享方式，以适应突发业务。将这类方式称作“媒体接入控制”（MAC）机制。●MAC协议的两种常用形式———随机接入和预定方式。10.4.2随机接入和预订方式1.ALOHA（属随机接入）●纯ALOHA●时隙ALOHA（SˉALOHA）2.预定ALOHA（RˉALOHA）●对于PˉALOHA和SˉALOHA均因媒体利用率低，若某用户业务量大将会使分组数据产生很大延时变化。采用预定方式，利用率将不受Smax限制。一般每个站点均可随时利用预定子时隙v（v一般只占1个分组长度Lbit时间的5%）。3.轮询10.4.3载波侦听随机接入（多址）●由于ALOHA系统因碰撞和尽量避免碰撞耗费了带宽和时间，各种ALOHA的效率都很低。●载波侦听多址技术的几种模式———CSMA、CSMAˉCD和CSMAˉCA，都是通过侦听信道上有否载波，使各站点据情况来决定能达到成功发送信息的时机。1.CSMA●1ˉ坚持CSMA（1ˉpersistentCSMA）———为尽快发送，各站点一直在侦听，一旦空闲便即发送分组。多站点均如此做，则因碰撞而失败的概率很大。●非坚持CSMA（nonˉpersistentCSMA）———侦听的站点，如果检测到信道有载波，则即执行“退后”（补偿）算法，而重新预定下次侦听时间。当然如果信道空闲则即发送。这样较1ˉ坚持等待时间长而减少碰撞。●pˉ坚持CSMA———综合上述两种CSMA方式，某欲发送信息的站点，侦听遇忙后仍继续侦听，直至遇闲后，则以概率p发送其分组，以1-p继续等待系统最大传播延时tmax后再行侦听。2.CSMAˉCD10.5蜂窝无线通信原理蜂窝无线移动通信已有三代技术应用和国际标准，其中●“1G”系统———模拟移动系统，已基本淘汰;●“2G”系统———为目前主流应用，以GSM网为代表主要利用TDMA多址模式;同时也推广了窄带CMDA。●“3G”系统———是目前营造宽带CDMA移动通信环境的主流技术。相继推出三个国际性标准:WˉCDMA，cdmaˉ2000和TDˉSCDMA，将在全球以三足鼎立之势争夺“3G”市场和未来发展。10.5.1蜂窝无线网构成特征下图是围绕基站子系统（BSS）的数字移动通信系统的基本组成部分。1.移动台（MS）是移动系统中直接由用户使用的移动设备，并分为“手机”和车载台两种●功能———执行接入无线网、控制与处理主被叫通信;提供人—机接口:送、受话器、显示器与键盘;适配器—与计算机、其他设备连接，独立上网功能。●注册与管理———具备用户识别号码，并由电话局一次性注入相应移动台。内置包括用户信息的SIM卡（SubscriberIdentityModule）。2.基站分系统（BSS）●是无线移动网的通信部分的所有地面基础设施。BSS通过无线接口与移动台连接，通过基站控制器（BSC）与移动交换中心连接;BSS完成无线发送、接收和管理功能，还接受网管系统控制。3.交换子系统（MSS）●MSS包括移动交换中心（MSC）和存储用户数据和移动管理信息库。MSS还管理移动网中用户与其他通信网的通信。4.操作和维护分系统以电信管理网TMN的概念规定管理目标，网内所有操作维护设备形成一个完整的系统，对网内业务控制设备进行全面管理。10.5.2蜂窝小区特点1.蜂窝形状●采用六边形小区（hexagohalcellpattern），有效覆盖率大:。●七小区蜂窝制———中心小区与周边6个小区天线间等距离:。●小区中心到各顶角距离等于边长，便于合理的重复使用（reuse）频率。2.频率重用●根据总频率数与小区规模确定小区簇大小如N=7。这样若网络总频率数为395个，则各小区平均频率数目为395/7=56个。一般小区分配10～50个频率。●同一重用频率小区天线间最小距离D=4.6R。3.小区容量及其