多址连接通信系统

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多址连接通信系统实现多址通信的技术基础是信号的分割。利用信号在频率或时间上的正交性来对信号进行划分,从而进行多址传输。根据多址连接的调制方式,可将多址方式分为频分多址、时分多址、码分多址及空分多址等方式。在通信系统中应用广泛的多址技术可分为3类:频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。

多址连接通信系统分类

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多址连接通信系统频分(FDMA)

将传输媒质的频带划分为若干互不重叠的子频带,
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每个子频带用一个载波传送一路或多路数字或模拟信号所构成的子信道固定或按需分配给各地用户的过程。
在任何时间每一载频只传送一路电话。任何一个用户在每次通话中都可以分配到一个可用的频道。由于FDMA的频道仅传送一路电话,因此,频道的带宽是比较窄的,一般在30kHz以下。
在传统的移动通信中,长期以来延用了FDMA方式。就应用最广的蜂窝区移动电话而言,第1代系统是以FDMA多址和模拟调制为基础的,它的系统容量仅为带宽的l0%左右,如AMPS系统等。第l代系统曾得到广泛应用,但由于通信容量小、话音质量差和保密性差等问题的存在,难以继续发展。
FDMA的主要优点是设备简单、技术成熟。
所有的FDMA系统,不论是模拟的还是数据的,都有一个严重的缺点,那就是为了满足给定数量的用户的通信需求,需要相当多的共用设备。这是由于每载波单路所造成的。

多址连接通信系统时分(TDMA)

将时间划分为若干互不重叠的时隙,用不同的时隙建立不同的子信道,固定或按需分配给用户使用的过程。
TDMA同FDMA的主要区别在于每载波多路。所有TDMA系统都是时分多路复用的,通常为8路、15路、30路或者更多。
将TDMA方法用于移动通信的理由之一是:宽带传
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输可以缓和对无线频率稳定度的要求。自20世纪80年代末起,以TDMA和数字调制为基础的第2代移动通信迅速发展起来。第2代系统是以欧洲开发的泛欧数字蜂窝区移动电话系统为代表,又称GSM系统。GSM在我国也得到广泛应用,GSM数字移动电话用户已突破l000万户。第2代系统的特点是在容量、质量、功能和功耗等方面比第1代系统有很大的改进,进入20世纪99年代中期,又出现了可传送话音、数据等各种业务。
将TDMA用于一点多址通信系统中,具有以下显著优点:(1)频谱利用率高;(2)频率资源节省;(3)用户速率的灵活性比FDMA好;(4)设备种类简单;(5)设备投资比FDMA系统节省。
TDMA用于卫星通信系统中的基本原理,是用不同时间间隙来区分地球站的地址,在该系统中只允许各地球站在规定的时隙内发射信号,这些射频信号通过卫星转发器时,在时间上是严格依次排列,互不重叠的。它有如下基本特点:(1)任何时刻在卫星转发器中都只有一个载波工作;(2)可以比FDMA方式更充分地利用转发器的输出功率;(3)易于实现信道的按需分配;(4)全网正常工作要靠网同步,技术和设备比较复杂。
TDMA系统同FDMA系统相比,其主要优点在于每一个信道为许多用户有效地使用。

多址连接通信系统空分

利用空间分割构成不同信道的多址连接方法。例如,在通信卫星系统中,只要卫星向各地的波束互不重叠,就可利用卫星转发器中的切换开关矩阵进行线路分配。卫星上的切相当于一部国际业务的电话交换机。
空分多址方式通常不是单独使用的,它与时分多址方式结合起来,称为空分多址—卫星切换—时分多址方式(SDMA/SS/TDMA)。
由于空分多址方式能灵活利用多波束卫星和时分多址的各种优点,并具有很高的处理能力,能实现与模拟调频和时分多址兼容。因此已应用在VI号国际通信卫星中。
又如,使用同一根电缆或光缆中的不同线对,这样可同时使用相同的频带进行通信,以增加通信容量。
空分多址连接有时在构成小范围通信网时比较经济。

多址连接通信系统码分(CDMA)

利用数字信号波形相互正交或接近正交的特性,实现多址连接的方法。
码分多址通信系统中,不同用户传输信息所用的信号不是
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靠频率不同或时隙不同来区分,而是用各自不同的编码序列来区分,或者说,靠信号的不同波形区分。如果从频域或时域来观察,多个CDMA信号是互相重叠的。
自20世纪80年代开始,CDMA的技术取得了很大的进展,FDMA系统每载波只传送一路电话,TDMA系统可传送几路或几十路电话,而CDMA系统则可传送几百路电话。信道的带宽一般可达到1~10MHz。
CDMA技术起源于美国。近几年,美国进一步将CDMA方式在移动通信中实用化,新的CDMA制式也将用于蜂窝区移动通信,有人称其为2.5代蜂窝区移动通信。美国等国家最近的研究表明,CDMA数字蜂窝移动通信系统的信道利用率是TDMA蜂窝系统的4倍,是模拟(FDMA)系统的20倍左右。据CDG(CDMA发展集团)1999年3月底统计,CDMA网络已遍布全球39个国家和地区,全球CDMA用户已超过2800万户,1999年底超过5000万户,年增长率超过300%。
在中国,原邮电部和总参通信部于1995年决定合作发展800MHz的CDMA数字蜂窝移动通信,称为中国电信长城网。1996年底在北京、上海、广州和西安开始建设试验网。这4个试验网已开通并成功进行了试运行,完成了联网漫游测试。北京的试验网已开始免入网费放号。中国联通公司也在1996年起在广州、天津和上海建成试验网。
CDMA技术的应用带动了一系列新的通信技术的发展,CDMA系统在技术上还不够成熟,但由于它含有其他技术难以具有的许多优点,相信CDMA作为FLMN的一种制式,在不久的将来即可在我国的移动通信领域崛起。
从上述对几种多址连接技术的比较分析来看,每种连接技术都有其不同的特点及技术优势,其中CDMA技术以它独特的优点成为实现移动通信、无线多媒体通信、无线传输等的理想技术。在实际运用中,选择哪种多址方式,则应根据具体情况作出具体决定。

多址连接通信系统正交频分多址接入

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多址连接通信系统接入标准

正交频分多址接入(OFDMA)是OFDM(正交频分复用)调制的一种形式,它针对多用户通信进行了优化,尤其是蜂窝电话和其它移动设备。它是针对蜂窝电话长期演进(LTE)的最合适调制方案。在这种演变的过程中,OFDMA的名称变为高速正交频分复用分组接入(HSOPA)。OFDMA的变量由WiMAX论坛选为调制方案,后来又根据IEEE针对IEEE802.16-2004(固话)和802.12e(移动)WiMAX的标准进行了标准化。

多址连接通信系统优点

与CDMA(码分多址接入)宽带CDMA及通用移动通信系统(UMTS)这
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3G调制方案相比,它的好处在于具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能。对于低数据率用户,它只需要更低的发射功耗,具有恒定而不是随时间变化的更短延迟,以及避免冲突的更简洁方法。
OFDMA会把副载波的子集分配给各个用户。以关于信道状态的反馈为基础,系统能执行自适应用户到副载波的分配。只要这些副载波分配被迅速地执行,与OFDM相比,快速衰退、窄带同频干扰性能都得到了改进。反过来,这又改进了系统的频谱效率。

多址连接通信系统抗远近效应

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CDMA移动通信系统是干扰受限的系统,任何降低干扰和噪声的技术的采用都能提高系统的容量和通信的质量。采用的抗远近效应的主要技术是:

多址连接通信系统扩频码的选择

研究和设计具有互相关值低的伪随机码(如Walsh函数序列),在理想情况下,如果伪码是正交的,则不存在多址干扰问题。但是,实际应用中系统通常是工作在异步状态,设计在任何时延情况下都正交的扩频码是不可能的,只能是设计互相关值尽可能小的扩频码序列。

多址连接通信系统功率控制

CDMA技术的成功在很大程度上是依赖于功率控制技术的成功应用。功率控制是工程中解决远近效应的简单有效的方法。通过对基站和移动台发射功率的限制和优化,使得所有用户终端到达接收机具有相同的功率,从而使系统对远近效应有一定的抑制能力。功率控制由前向链路功率控制和反向链路功率控制来共同完成。
前向功率控制的目的主要是通过在各个前向业务信道上合理
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的分配功率来确保各个用户的通信质量,同时使前向链路容量达到最大。前向功率控制是在移动台的协助下完成的。移动台检测前向传输的误帧率,并向基站报告该误帧率的统计结果。基站根据移动台报告的误帧率统计结果,决定增大还是减小前向传输功率。
反向功率控制是控制移动台的发射功率,它由开环功率控制和闭环功率控制两部分来共同控制移动台的发射功率。开环功率控制是移动台根据它收到基站的导频信号的强度,估计前向传输路径的损耗,从而确定发射功率的大小。闭环功率控制是在移动台的协助下完成的。基站接收移动台的信号,并测量其信噪比,然后将其与一门限作为比较,若收到的信噪比大于门限值,基站就在前向传输信道上传输一个减小发射功率的命令;反之,就送出一个增加发射功率的命令。闭环功率控制可以修正反向传输和前向传输路径增益的变化,消除开环功率控制的不准确性。

多址连接通信系统多用户检测

由于多址干扰具有很强的结构性,在用户间扩频码的互相关系数已知的条件下,完全可以利用多址干扰的这些结构信息(扩频序列相关特性,信号幅度变化,信号同步特征等),进一步消除它的负面影响,提高系统的性能。针对这一点,S.Verdu首先提出多用户检测技术,它对每个
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用户信号的检测不是独立进行的,而是将输入信号经过一组匹配滤波器后得到多个用户的充分估计量,共同应用于每个用户进行联合检测。这种多用户检测可以为远近效应提供一个良好的解决途径。采用了多用户检测的接收机,功率控制的要求可大大降低,同时,由于多用户检测中的干扰消除要求可大大降低,同时,由于多用户检测中心的干扰消除特性,也降低了用户码序列间的互相性的要求。多用户检测接收机的研究得到越来越多的研究人员重视。已经是CDMA研究领域的一个热点问题。
多用户检测可分为线性检测和干扰消除两大类。线性多用户检测技术主要有:解相关检测、最小均方误差检测、子空间斜投影检测和多项式扩展检测。在抗远近效应方面常用的是解相关检测和最小均方误差检测。解相关检测器的基本思想是对匹配滤波器的输出进行线性处理,其变换矩阵是互相关系数矩阵的逆矩阵。这种方法不用估计接收信号的幅度,计算量小,但是解相关操作将加强斯白噪声,互相关系数矩阵的逆矩阵计算量仍然很大。最小均方误差检测器的基本思想是计算经线性变换的接收数据和传统检测器的输出间的均方差,最小的即为所求的线性变换。该检测器考虑了背景噪声的存在并利用接收信号的功率值进行相关计算,在消除多址干扰和不增强背景噪声之间取得了一个平衡点,但是它需要对信号的幅度进行估计,性能依赖于干扰用户的功率,在抗远近效应方面的性能不如解相关检测器。

多址连接通信系统自适应技术

多用户检测器在抑制多址干扰和远近效应方面有其优势的地方,
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但多用户检测器也存在局限性。所有的多用户接收机需要准确知道除本用户之外的所有正在通话的用户的时延和地址码。此外,一些多用户接收机还需估计信号的功率或码的互相关值。因此,人们的注意力转移到了自适应干扰消除技术上来。
自适应干扰消除技术只需知道所需恢复的用户的时延和地址码。采用的自适应干扰消除技术是盲自适应多用户检测。该检测中代价函数基于输出能量最小原理。将均衡器分为相互正交的两部分,其中一部分为用户的地址码,在迭代中不作变化。由于均衡器的自适应部分不能总是满足正交性条件,需要经常用它的正交分量来代替。当接收码与理想的地址码不一致时,必须引入剩余能量使输出能量最小。盲自适应多用户检测器在采用与传统接收机相同的输入条件下,能有效地克服远近效应。
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