无线通信工程--第09讲－多址2

无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年12月8日第八讲无线通信的多址技术（2）码分多址CDMA技术的分类直扩码分多址（DS-FHMA）跳频码分多址（FH-CDMA）混合码分多址（Hybrid-CDMA）CDMA特点方法：窄带调制信号与伪随机序列（PN码）直接相乘（直扩），或由PN序列控制载波发射频率（跳频），达到展宽频谱的目的。性能：（1）各用户使用同一频段，频谱效率较高；（2）具有抗多径、抗干扰特性；（3）采用RAKE接收机提高抗多径性能；（4）PN码具有类似噪声的性能；（5）发射谱密度低，信号隐蔽。直扩码分多址（DS-CDMA）扩频方法：用PN码进行乘法调制。解扩方法：相关、匹配滤波等。处理增益：G＝W/B。多址时存在远近效应。具有一定的抗干扰、抗衰落特点。工作原理这是子码域上的正交分割。信号集采用互相正交的地址码序列，算符集采用地址码相关器。i1i2iNCi1(t)Ci2(t)CiN(t)i地址发ij地址收Cij(t)工作原理（续）令发送信号为：nc(t)为一组和地址码性质相近的序列。kjnitnkjnitCtCtCtItCtItScnkijijijijijij或并有：为地址码序列为信息序列，其中,),(,,1)()()()(),()()(工作原理（续）这时nk的选址输出为：为热噪声。为码型噪声，其中)()()()()()()()()()()()()(''''11tntntntntIaLtntCtCtItCaLtrtCtrMkckcnknknkknkNiNjijijijnkijikknkknk工作原理（续）关于码型噪声的讨论。在忽略Lik,aij,Iij(t)各项的情况下，码型噪声取决于：这实际上是全部地址码互相关之和。如果：nc’(t)=0，地址码理想正交，属于正交分割；如果：nc’(t)0，地址码非正交，属于非正交分割。码分多址的首要问题是选择尽量好的正交码组。NniiNkjjnkijctCtCtn11')()()(信道配置DS-CDMA信道配置图频率时间代码C1C2CNDS-CDMA系统的参数信息速率：原始信息的速率码片（chip）速率：地址码速率扩频比：码片速率和信息速率的比值地址码周期、地址码码长地址码的正交性及数目地址码的同步及捕获性能扩频的实现扩频过程框图扩频（模二和）BPSK调制信息码地址码载波发端已调信号发送码扩频的实现（续）扩频过程波形111001011100101110010111001011100101110010101110000110111100100001101000110100011011110010信息码地址码发送码0000000000000000000000发端已调信号解扩的实现解扩过程框图解扩（相乘）BPSK解调接收信号参考地址码参考载波收端信息码接收信号（扩频）（解扩）扩频的实现（续）解扩过程波形11100101110010111001011100101110010111001010111000收端信息码参考地址码接收信号（解扩）0000000000000000000000接收信号（扩频）DS-CDMA关键技术地址码的选择地址码的捕获与跟踪远近效应与功率控制地址码的选择介绍一种常用的地址码：PN码（伪噪声码）。最典型的是m序列，即：最长线性移位寄存器序列。模二和TTT移位时钟m序列输出地址码的选择（续）m序列的性质：类似于噪声，所以也称为伪噪声序列－由n级移位寄存器产生的m序列，其周期为2n－1。－除全0状态外，n级移位寄存器可能出现的各种状态都在m序列的一个周期中出现，而且只出现一次。－m序列中“0”码和“1”码个数大致相同。－将m序列循环移位后还是一组m序列。－m序列的自相关函数：2n－1－1012移位数地址码的选择（续）m序列具有很好的自相关及互相关特性，因而在无线及移动通信中有广泛的使用。但是，应该注意m序列不是一种理想正交序列，因此当用户数增加时，会引入很大的码型噪声干扰。如何选择正交码组？－对m序列的改进，如：插入一些“0”。－构造新的地址码，如：Gold序列、Walsh序列。良好自相关、互相关及正交的前提是地址码的同步，如果不能达到准确的同步，会引入附加的码型噪声，严重影响CDMA系统的正常工作。地址码的捕获与跟踪这是码分多址的一项关键技术，可以分为二个过程：（1）确定地址码的相位，称为捕获。（2）维持地址码相位的同步，称为跟踪。采用方法举例：（1）捕获可以采用匹配滤波器。（2）跟踪可以采用延迟锁定环。地址码一帧捕获跟踪地址码的捕获与跟踪（续）匹配滤波器和延迟锁定环的组合。匹配滤波器鉴相鉴相低通低通相加环路滤波器VCOPN码发生器超前码迟后码接收码延迟锁定环地址码的捕获与跟踪（续）延迟锁定环的鉴相特性/Tc0.511.5-0.5-1-1.5远近效应与功率控制什么叫做远近效应？首先说明CDMA系统是一种干扰受限系统，这是由于地址码不可能完全正交。即使采用理想的正交码和理想的正交分割，但由于信道传输及同步电路的不理想，会产生码型噪声。假定所有的用户发送功率都一样，则来自不同地址的码型噪声由于传输距离不同（即传输衰减不同）就会有很大的差别，特别对于那些距离很近的用户，产生的码型噪声将会很大，因而造成接收干扰的提高，有效用户数的降低。这就是CDMA系统的远近效应。远近效应与功率控制（续）解决远近效应的方法之一：功率控制开环功率控制闭环功率控制基站移动台用移动台检测下行的衰落，控制移动台的发送功率用基站检测上行的衰落，并把信息发给移动台，控制移动台的发送功率DS-CDMA的优点用户共享一个频率，无需频率规划；PN码的正交性；远近效应：功率控制；具有软容量限制，用户越多，性能越差，用户减少，性能就变好；抗多径衰落：固有的频率分集；利用宏分集可以实现软越区切换；多用户干扰：PN码不完全正交；利用多用户检测提高系统性能和容量；利用多径，采用RAKE技术提高系统性能。跳频码分多址（FH-CDMA）实现方法：在发送端用PN码控制频率合成器，发射频率随PN序列在一定带宽跳变；在接收端实现本振的同步跳频，然后还原成某个固定中频，进行解调。处理增益：G＝W/B。多址通信时没有远近效应。具有良好的抗干扰特点。跳频码分多址（续）（FH-CDMA）发送信息码中频调制上变频跳频本振跳频码发送信号跳频本振下变频解调跳频码捕获参考中频接收信号接收信息码进一步说明采用跳频实现多址；每个地址分配不同的跳频序列；安全性能好、抗干扰能力强；跳频同步跟踪是关键技术难点；存在深度衰落、存在频率碰撞问题；一般要求采用纠错编码和交织编码措施；纯跳频系统多用于军方抗干扰通信中。空分多址概念空分多址方法之一：蜂窝划分空分多址方法之二：扇区划分ABCDEFGHIABCDEFGH利用天线实现空分多址控制用户的空间辐射能量；使用定向波束天线服务于不同用户；扇形天线是一种基本方式；自适应天线，效果更好；最适合和TDMA及CDMA系统结合。关键技术问题需要很好解决天线的自适应定向问题。目标：天线具有良好的波束，并能对用户进行快速跟踪。方法：天线阵技术和自适应技术。混合多址混合多址技术–混合频分/码分多址（F/CDMA）–混合直扩/跳频码分多址（DS/FH-CDMA）–混合直扩/时分多址（DS/TDMA）–混合跳频/时分多址（FH/TDMA）混合频分/码分多址F/CDMA宽带CDMA频谱窄带CDMA频谱混合直扩/跳频码分多址DS/FH-CDMA信道中的码组其它码组信道DS/FH-CDMA系统频谱直扩/时分多址（DS/TDMA）不同小区分配不同的扩频码；一个小区分配用户一个特定时隙；不存在远近效应；实际上是TDMA，扩频只是抗干扰。跳频/时分多址（FH/TDMA）实际上是TDMA；一帧一跳；避免邻近小区同信道干扰问题；抗严重衰落和碰撞事件；GSM标准采用，能成倍增加容量。