《数字通信原理》第11章+信道复用与多址技术

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《数字通信原理》(11)冯穗力等编著电子工业出版社2012年8月2010Copyright1SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术本章的基本内容：频分复用与频分多址；时分复用与时分多址；码分复用与码分多址；统计复用与随机多址；综合复用技术。2010Copyright2SCUTDT&PLabs 11.1引言2010Copyright3SCUTDT&PLabs 引言在通信系统中，通常有多个用户需要同时传输信息，需要解决信道资源的分配问题。信道复用技术：根据可用的信道资源，将信道划分给不同的用户同时使用的方法。多址技术：对信道资源和用户分别进行某种编号，使特定的信道资源与使用该资源的用户建立对应关系的方法。多址接入：多个用户根据所分配得到的资源接入系统的过程。信道的复用和多址技术的实施需要考虑用户通信过程的实时性。第11章信道复用与多址技术2010Copyright4SCUTDT&PLabs 引言(续)信道资源的理想划分：各子信道间具有正交性。设系统中有K个用户同时工作。记第k个用户的发送信号的时间第k个用户发送的信号信道(信号)间正交的条件：第11章信道复用与多址技术2010Copyright5SCUTDT&PLabs 引言(续)信道资源划分的主要方法：频分复用时分复用码分复用空分复用统计复用不同的资源划分方法，有相应的多址技术。不同的信道划分方法，对资源的利用效率可能会有所不同，但总的可用资源(除空分复用外)一般只会减少，不会增加。系统的总可用资源由香农定理决定。第11章信道复用与多址技术2010Copyright6SCUTDT&PLabs 11.2频分复用与频分多址2010Copyright7SCUTDT&PLabs 频分复用与多址技术传统的频分复用方法：将可用的频谱资源在频率域上划分出若干段互不重叠的频带，每一段频带构成一子信道。保护带：为保证在不同的子信道间不会产生相互间的干扰，在相邻频带之间设置一定宽度的隔离带称之。频分复用方法及隔离带示意图第11章信道复用与多址技术隔离带2010Copyright8SCUTDT&PLabs 频分复用与多址技术(续)频分复用系统中第k个用户发送的信号该信号的接收机中一般设有滤波器，使满足由此可得从而有由此保证不同信道间的信号的正交性。第11章信道复用与多址技术2010Copyright9SCUTDT&PLabs 频分复用与多址技术(续)频分多址系统频分复用系统可同时容纳的信道数传统的频分复用系统因子信道间需要隔离带，频谱效率较低，且需要大量不同参数的滤波器。第11章信道复用与多址技术2010Copyright10SCUTDT&PLabs 11.3时分复用与时分多址2010Copyright11SCUTDT&PLabs 时分复用与多址技术时分复用方法：把传输时间划分成按周期出现的数据帧，帧内再进一步划分出时隙，每个子信道就是以帧周期间歇提供给用户的时隙。合理地选择帧周期和时隙的大小，可使每个用户感觉就像在连续地使用一个属于自己的信道。时分复用方法示意图第11章信道复用与多址技术2010Copyright12SCUTDT&PLabs 时分复用与多址技术(续)时分复用系统的复接与分接过程示意图低速数据流高速数据流分接复接第11章信道复用与多址技术2010Copyright13SCUTDT&PLabs 时分复用与多址技术(续)时分复用系统：国际上常用的PCM群路等级第11章信道复用与多址技术制式群路等级欧洲、中国北美、日本传输速率：Mbps话路数传输速率：Mbps话路数基群2.048301.54424二次群8.4481206.31296三次群34.36848032.064480四次群139.264192097.7281440五次群564.9927680397.22057602010Copyright14SCUTDT&PLabs 时分复用与多址技术(续)时分多址的话音通信系统原理图多用户数据沿时间轴分布第11章信道复用与多址技术2010Copyright15SCUTDT&PLabs 时分复用与时分多址(续)时分复用系统的子信道数记信道总的传输速率为；每个用户的传输速率为则子信道数时分复用系统的特点：易于用集成电路实现；需要准确的定时。时间保护间隔：时分复用的方法用于无线多址系统时，因为用户间有定位误差，且信号到达接入点可能有不同的时延，因此通常需要有时间保护间隔。第11章信道复用与多址技术2010Copyright16SCUTDT&PLabs 11.4码分复用与码分多址2010Copyright17SCUTDT&PLabs 码分复用与码分多址记M维的码字集，其中正交编码集：称为正交编码集，如果其满足如下的条件特别地，若称为归一化正交码。第11章信道复用与多址技术2010Copyright18SCUTDT&PLabs 码分复用与码分多址(续)哈达马矩阵（Hadamardmatrix）：由如下方法构建的矩阵称之容易证明：每个哈达马矩阵的行向量构成一个正交编码集；其中码字的长度为，每个码字集中包含个码字。第11章信道复用与多址技术2010Copyright19SCUTDT&PLabs 码分复用与码分多址(续)沃尔什(Walsh)函数：具有如下性质的函数集合称之。K阶沃尔什函数：（1）除了在一些跳跃点上取值0外，仅在－1和＋1中取值；（2）对任意的；（3）在内，有次穿越零点的符号变化；（4）关于的中点，不是奇函数就是偶函数；（5）沃尔什函数构成一组正交的函数集。沃尔什函数集可由哈达马矩阵的行向量构建。第11章信道复用与多址技术2010Copyright20SCUTDT&PLabs 码分复用与码分多址(续)示例：由哈达马矩阵构建的4阶沃尔沃函数集。相应的信号波形第11章信道复用与多址技术2010Copyright21SCUTDT&PLabs 码分复用与码分多址(续)码分复用：利用沃尔什函数的正交性，可以使得在时域和频域均重叠的信号的分离，实现信道的复用。记k个不同的符号序列利用k个不同的沃尔什函数对k个符号序列进行调制其中在时域和频域上都是重叠的。第11章信道复用与多址技术2010Copyright22SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术码分复用与码分多址(续)在接收端可利用沃尔什函数的正交性对不同的符号序列进行分离，从而实现信道的复用码分复用的示意图采用不同的沃尔什函数调制的不同的序列信号，在时域和频域上是重叠的。2010Copyright23SCUTDT&PLabs 码分复用与码分多址(续)码分多址系统的实现原理子信道数：采用哈达马矩阵生成的沃尔什函数，可构建2个独立的子信道。码分多址系统的带宽：其中是码片周期。第11章信道复用与多址技术2010Copyright24SCUTDT&PLabs 11.5空分复用与空分多址2010Copyright25SCUTDT&PLabs 空分复用与空分多址空分复用:一种将天线上发出的某路电磁波信号，限定在某个局部区域范围内，而使得在原来的区域范围内，可以容纳更多路的电磁波信号的一种信道复用方式。空分复用的基本形式：空分复用系统中的每个用户可以系统中的全部带宽资源，因此可以达到频谱资源利用率倍增的效果。空分复用系统可容纳的用户数取决于对波束宽度的控制。第11章信道复用与多址技术2010Copyright26SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术空分复用与空分多址(续)不同用户在空间域的信号不重叠，每个用户在工作区域内自由自身的信号，信号间的正交性自然得到满足空分与频分复用是目前蜂窝式移动接入网的主要工作方式2010Copyright27SCUTDT&PLabs 11.6统计复用与随机多址2010Copyright28SCUTDT&PLabs 统计复用与随机多址统计复用：统计复用是一种为适应数据业务传输需求具有随机性和突发性而提出来一种动态分配资源的共享信道工作方式。统计复用主要包括集中控制和随机分布式控制两种方式。(1)集中控制方式轮询工作：通过控制单元根据终端的需求控制其对信道资源的使用。第11章信道复用与多址技术2010Copyright29SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)点到多点(PMP)模式无线基站系统帧内时隙的资源调度：时间轴被划分成等长度的帧；帧被划分成基站到用户的下行子帧和用户到基站的上行子帧；各个子帧被进一步划分为等长或不等长的时隙；每帧相应位置的时隙通常并不指定给特定的用户，而是根据用户的需求动态分配。分配给用户的上行子信道和下行子信道的资源可以是不对称的。2010Copyright30SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)网络路由器或交换机输出端口传输速率的统计复用：图(a):不分等级的输出端口传输速率的统计复用(单队列)图(b):可进行优先度控制的输出端口传输速率的统计复用(多队列)；优先度控制可根据需要采用不同的调度策略2010Copyright31SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)（2）随机分布式控制方式系统中没有集中的控制单元，各个终端间按照某种规则，有协调或者没有协调地使用信道的资源。当出现一个以上的用户发送数据时，信道会出现冲突，冲突通常导致所有当前所有正在传输的报文发送失败。出现冲突的示例：2010Copyright32SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)在随机分布式控制系统中，各个终端中一般包含了探测冲突的功能和相应的解决机制，可避免出现恶性的竞争。采用随机分布式控制(碰撞自动退避机制)的通信系统示例有线连接的局域网无线局域网2010Copyright33SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)统计复用系统的性能分析(1)集中控制的轮询系统的性能分析设用户共享信道的传输速率为；用户的报文长度为；则传输一个报文所需的时间为每个终端单位时间内产生的平均报文数称为到达率：用户的到达率记为(报文/秒)用户在一次轮询过程中所需的发送报文的时间为从用户发送完毕到用户开始发送的时间称为用户的巡回时间，该时间记为控制单元将所有用户轮询一遍(包含用户发送数据)的时间称为循环时间，该时间记为2010Copyright34SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)假定系统中有N个用户，则一般地有上述各随机变量的统计平均值为若记，则有在一次循环时间内，用户产生的平均数据量为因此有2010Copyright35SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)称为用户的通信量强度；为系统的通信量强度。整理可得进一步地有近似为常数，因此显然有，即当通信量强度趋于1时，报文的传输延时将趋于无穷大。通信量强度也称为系统的吞吐量S因此有2010Copyright36SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)(2)随机接入控制的ALOHA算法及性能分析ALOHA算法是计算机局域网(LAN/WLAN)技术基础a.纯ALOHA算法纯ALOHA算法：当系统中的工作站有数据报文时马上发送，若出现冲突，工作站不是立刻重新发送，而是各自选择一个随机的退避时间，退避时间结束后，再重新发送。退避时间是随机数，各工作站选择的退避时间相同的概率很小，因此重新发送报文时再次冲突的概率很低，从而实现了一种分布式的自动的协调。只要各个工作站退避算法的参数相同，则在统计意义上来说，各个工作站获得信道资源的多少是一样的。2010Copyright37SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)纯ALOHA算法的性能分析假定各个工作站的传输速率一样；发送报文的大小一样；则每次发送报文的时间为常数若定义系统在时间内总的发送报文数为负载则在时间内成功发送的报文数为系统的吞吐量若报文成功发送的概率为则上述变量间的关系为假定系统中报文的到达概率服从泊松分布，则在时间内到达k个报文的概率为2010Copyright38SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)为报文的平均到达率；若到达概率服从泊松分布，则两报文间的间隔服从指数分布如下图，若要保证当前的第n个报文成功发送，应有2010Copyright39SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)因为且有因此可得报文成功发送的概率为纯ALOHA的最大吞吐率系统稳定地工作，通常应控制负载，使2010Copyright40SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)b.时隙ALOHA算法纯ALOHA算法，效率较低。时隙ALOHA算法是减少纯ALOHA算法冲突的一种改进型。设系统的参数设定仍与纯ALOHA相同。在系统中设立一个各个工作站均可探测的周期为的同步时标。通过同步时标，时间轴可以时隙进行划分。各个工作站中的报文无论何时产生到达，只允许在每个时隙开始瞬间发送，错过该时刻，只能等待下一时隙的发送时刻。因为时隙ALOHA减少了报文发送的随机性，报文在传输过程中发生碰撞的概率减小，系统效率得以提高。2010Copyright41SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)时隙ALOHA的性能分析记报文n到达的时刻为；发送的时刻为2010Copyright42SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)由上图易见，报文可成功发送的条件为若报文是在到达前的时刻到达的()，则报文与报文的时间间隔应大于，且报文与报文到达的时间间隔大于。由此可得因此，时隙ALOHA的吞吐量为时隙ALOHA的最大吞吐量为2010Copyright43SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术统计复用与随机多址(续)时隙ALOHA的性能特性曲线，可见比纯ALOHA显著改善。在实际的系统中，要设定一个各个工作站同步的时标并不方便。目前广泛应用的是由ALOHA算法演变和改进的另外一种称为载波监听多址接入(CSMA)的协议。CSMA协议可参见有关计算机通信网方面的教材和专著。2010Copyright44SCUTDT&PLabs 11.7综合复用技术2010Copyright45SCUTDT&PLabs 综合复用技术现代的通信系统，特别是无线通信系统，正在逐步演变成一种采用综合复用技术的系统。所谓的综合复用技术，可根据需要同时采用频分、时分、码分和空分等一种或者若干种技术，为信道资源的有效利用提供了很大的灵活性。下面简要介绍无线通信系统长期演进(LTE)技术标准中采用的综合复用技术。LTE采用了基于OFDM的正交频分多址接入(OFDMA)技术。若干OFDM的符号周期作为时间的最小的分配单位若干子载波数作为频带的最小的分配单位一个可分配的最小的物理资源块定义为第11章信道复用与多址技术2010Copyright46SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术综合复用技术(续)在我国主导的时分复用LTE(TD-LTE)标准中，取2010Copyright47SCUTDT&PLabs 第11章信道复用与多址技术综合复用技术(续)LTE系统的时频资源结构图如下图所示2010Copyright48SCUTDT&PLabs 第11章结束2010Copyright49SCUTDT&PLabs