时分多址论文范文

1．多址技术的概念和问题的本质---多址技术一直都是无线通信的关键技术之一，甚至是移动通信换代的一个重要标志。多址技术所要解决问题的特点是：通信（子）网中的登记用户数常常远大于同一时刻实际请求服务的用户数。其实就是研究如何将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量的一门技术。其中对通信资源的切割与分配也就是对多维无线信号空间的划分，在不同的维上进行不同的划分就对应着不同的多址技术。常见的维有信号的时域、频域和空域，此外还有信号的各种扩展维。信号空间划分的目标是要使得各用户的无线信号之间在所划分的维上达到正交，这样这些用户就可以共享有限的通信资源而不会相互干扰。如式1所示，其中Si和Sj分别为对应于用户i和j的无线信号；积分变量x为划分信号空间的维，如可以为时间、频率、空间或扩展维变量。实际中不同用户之间的无线信号往往不能做到完全正交，而只能做到准正交，也就是说在积分区间中的积分应是趋近于零。 ---多址技术的选择应用在不同的应用领域往往有着不同的评价指标。图1所示为三种常见的信号空间划分方法，分别对应于时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和空分多址（SDMA），其他在各种扩展维上进行信号空间的划分方法在原理上则是类似的。下面，本文将试图对这些多址技术进行较为全面的阐述，特别是无线通信中一些新近发展的多址技术。 2．频分多址（FDMA）---频分多址（FDMA）是应用最早的一种多址技术，AMPS、NAMPS、TACS、NTT和JTACS等第一代移动通信系统所采用的多址技术就是FDMA，此外在卫星通信中FDMA也得到了广泛的应用。频分多址的原理如图1（a）所示；此时，式1中的自变量x应为频率f。每个FDMA信道每次只能承载一路业务信息，在信道空闲时也不能被其他用户共享，频谱利用率较低，系统容量较小。FDMA信道的带宽窄（30kHz），限制了系统业务的进一步拓展。FDMA系统中的基站需要采用带通滤波器以消除寄生辐射的影响，在移动台则需要使用双工器以支持收发器的同时工作，从而增加了基站与移动台的成本。当然，FDMA相对于下面的TDMA也有优势。比如，FDMA系统中的码间干扰小，几乎无需均衡；用于同步控制等的系统开销小；分配了信道的基站和移动台可以同时进行连续的信号发射。3．时分多址（TDMA）---时分多址（TDMA）在第二代移动通信系统中得到了广泛应用，如GSM、NADC和PACS等；此外在不少新建的卫星通信系统中也有所采用。时分多址的原理如图1（b）所示；此时，式1中的自变量x应为时间t。TDMA系统中的各用户仅在所分配的时隙工作，可以共享频带资源，因此频谱利用率高，系统容量较大。同样是由于用户工作的非连续性，所以电源效率高。TDMA系统的发射和接收均在不同的时隙，所以无须双工器。而且TDMA系统还可以根据用户需求灵活地进行时隙分配。TDMA系统的缺陷是由于发射速率较高，为了消除码间干扰的影响需要采用自适应均衡；此外就是用于同步控制等的系统开销较大。4．空分多址（SDMA）---空分多址（SDMA）是一种新发展的多址技术，在由中国提出的第三代移动通信标准TD－SCDMA中就应用了SDMA技术；此外在卫星通信中也有人提出应用SDMA。空分多址的原理如图1（c）所示；此时，式1中的自变量x应为空间变量s。SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束；这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等结合使用；也就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。---应用SDMA的优势是明显的：它可以提高天线增益，使得功率控制更加合理有效，显著地提升系统容量；此外一方面可以削弱来自外界的干扰，另一方面还可以降低对其他电子系统的干扰。如前所述，SDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用SDMA的难点。特别是对于移动用户，由于移动无线信道的复杂性，使得智能天线中关于多用户信号的动态捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂，从而对DSP（数字信号处理）提出了极高的要求，对于当前的技术水平这还是个严峻的挑战。所以，虽然人们对于智能天线的研究已经取得了不少鼓舞人心的进展，但仍然由于存在上述一些在目前尚难以克服的问题而未得到广泛应用。但可以预见，由于SDMA的诸多诱人之处，SDMA的推广是必然的。5．扩频多址（SSMA）/码分多址（CDMA）---扩频多址（SSMA）系统的共同特点之一是扩频，也就是说用于传输信息的信号带宽远大于信息带宽；共同特点之二是在扩频的实现上，不论通过什么途径扩频，但基本都是用一组优选的扩频码进行控制，正因为此，扩频多址又称为码分多址（CDMA）。或者说，CDMA是在信号的扩展维——编码维上对无线信号空间进行划分。顾名思义，码分多址就是给每个用户分配一个唯一的扩频码（或称地址码），通过该扩频码的不同来识别用户。对于扩频码的选择要求比较苛刻：在正交性上当然要求它满足式1，但实际中通常是准正交性，即自相关性很强，而互相关性很弱；出于系统容量的考虑，对于特定长度的地址码集还要求其能够提供足够多的地址码；在统计特性上要求地址码类似白噪声以增强隐蔽性，这在军事通信中尤为重要；为了提高处理增益应选择周期足够长的地址码；而为了便于实现则应选择产生与捕获容易和同步建立时间较短的地址码。人们的通常选择就是各种伪随机（PN）码。---虽然码分多址都是利用了地址码的正交性来实现多址接入，但通常可根据扩频的不同实现手法，将码分多址分为以下几种：5.1 直接序列码分多址（DS－CDMA）---这是用得比较多的一种扩频多址方式。众所周知，DS－CDMA在现在的第二代移动通信中已经得到了成功应用；而且它还是第三代移动通信的核心技术，在IMT－2000的众多标准中，大部分都采用了DS－CDMA。此外，在军事通信和卫星通信中，DS－CDMA也都受到了青睐。---从原理上来说，DS－CDMA是通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘而获得的宽带扩频信号。收端需要用与发端同步的相同地址码信号去控制输入变频器的载频相位即可实现解扩。根据Shannon定理，在信号平均功率受限的白噪声信道中，系统的极限信息传输速率C（b/s）与信道带宽B（Hz）、信噪比S/N之间应满足如下的约束关系：---C=Blb(1+S/N) （2）---实际上，该式也体现了上述各变量之间的一种互换关系。也就说，在所需的最高信息传输速率C不变的条件下，通过应用地址码展宽信号带宽B，就可以在信噪比S/N很低的条件下实现可靠通信。DS－CDMA正是这一思想的应用。---通过DS扩频，将信号功率谱在一个很宽的频谱上进行了“平均”；或者说是在背景噪声不变的情况下，信噪比S/N变得很低，好像是将信号在噪声中“隐藏”了起来。因此DS－CDMA系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。此外，关于DS－CDMA的优点还可以罗列很多：许多用户可以共享频率资源，无须复杂的频率分配和管理；具有“软容量”特性，即在一定限度内的用户数增加，只会使得信噪比下降，而不会终止通信，也就是说DS－CDMA没有绝对的容量限制，这一点也可由式2理解；具有“小区呼吸功能[1][2]”，即小区负荷量可以动态控制，相邻小区可通过覆盖范围的互动来重新分担负荷；可以通过“软切换[1][2]”实现移动台的越区管理，保证越区时通信的连续性。当然，DS－CDMA也存在一些问题，如多址干扰问题，这是由于不同地址码之间的非完全正交性而造成的，通信过程中不同用户的发射信号会相互干扰。多址干扰是DS－CDMA系统中相当严重的一个问题，这还需要人们通过对地址码选择的进一步研究来解决。此外，在DS－CDMA系统中还存在“远近效应[1][2]”，就是说离基站近的强信号用户会对远离基站的弱信号用户的通信形成干扰，本质上说这还是由于地址码的非完全正交性所致，但现阶段人们已通过在移动通信系统中引入“自动功率控制[1][2]”技术削弱了远近效应的影响。5.2 跳频码分多址（FH－CDMA）---跳频码分多址（FH－CDMA）在民用通信中并不多见，但在军事抗干扰通信中则是一种常见的通信方式。FH－CDMA的基本原理是优选一组正交跳频码（地址码/扩频码），为每个用户分配一个唯一的跳频码，并用该跳频码控制信号载频在一组分布较宽的跳频集中进行跳变。事实上，我们可以简单地将FH－CDMA看作是一种由跳频码控制的多进制频移键控（MFSK）。当然从每一时隙来看我们也可以将其视为一种FDMA；但与普通FDMA的最大不同是，FH－CDMA的频率分配是由一组相互正交的具有伪随机特性的跳频码来控制实现的，所以我们仍然将其归属于码分多址，同时它又是一种扩频多址。因为，虽然单独从每一跳变时隙的内部来看，FH－CDMA是一个窄带系统，但从一个较长时间的整体效应来看，FH－CDMA就是一个宽带扩频系统。从抗干扰的角度来区分FH－CDMA与上述的DS－CDMA，FH－CDMA就是一种依靠跳频码控制的快速“躲避式”抗干扰技术。5.3 跳时码分多址（TH－CDMA）---跳时码分多址（TH－CDMA）同样主要是用在军事抗干扰通信领域。与FH－CDMA不同的是，TH－CDMA用一组正交跳时码控制各个用户的通信信号在一帧时间内的不同位置进行伪随机跳变；所以，TH－CDMA可以看作是一种由伪随机码控制的多进制脉位调制（MPPM）。显然TH－CDMA是一种码分多址；同时由于信号在时域的压缩意味着信号在频域的扩展，所以TH－CDMA也是一种扩频多址。为了进一步提高抗干扰性能，TH－CDMA通常都是与其他扩频技术如跳频混合使用。5.4 混合码分多址（HCDMA）---混合码分多址（HCDMA）是指码分多址之间或是码分多址与其他多址方式之间混合使用的多址方式，以达到克服单一多址方式使用的弱点，而获得优势互补的效果。组合的具体方式多种多样，如在码分多址方式之间的常用组合形式有：跳频与跳时相结合的FH/TH－CDMA、跳频与直接序列相结合的FH/DS－CDMA、跳时与直接序列相结合的TH/DS－CDMA；而码分多址与其他多址方式的组合形式有：FDMA与DS－CDMA相结合的FD/DS－CDMA、TDMA与DS－CDMA相结合的TD/DS－CDMA以及TDMA与FH－CDMA相结合的TD/FH－CDMA，等等。6．分组无线电（PR）/随机多址（RA）---分组无线电（PR）是基于数据通信的思想，将需要传送的信息进行分组打包，所有用户在需要接入信道的随机时刻，将数据包发送出去；而当有多个用户同时进行信息发送时就会产生碰撞，PR系统具有有效的碰撞检测机制让碰撞用户重发直至通信成功。当前移动通信中的GPRS商用网络就是PR的成功应用，有人称之为移动通信的第2.5代；作为PR的一种具体实现，ALOHA协议早在1973年就被用于卫星通信[8]。PR网络是Ad Hoc无线网络[7]的前身。由于各用户需要发送信息而接入信道的时刻是随机的，所以这种多址方式又被称为随机多址（RA）。当然也有不少文献（如[6][8]）将多址方式RA看作是一种将可用信道切割之后如何分配给用户的一种信道分配方式，这样它就属于信道的一种随机分配方式。根据PR的原理，PR解决通信资源共享的方法是在多个用户之间引入简单的竞争与裁决机制。此外，PR中用户的随机接入与竞争行为必然是在信号空间的特定维上进行的；而且从PR的发展来看，这种竞争行为还可能发生在多维的信号子空间之中。为了适应PR的竞争与裁决机制，人们已经制定了多种协议，其中最早也是用得最多的便是各种形式的ALOHA协议[1][6]。但需要说明的是，PR协议的选择要考虑具体的业务模型和网络业务量的大小，还没有一种协议总是最佳的。6.1 纯ALOHA（P－ALOHA）---纯ALOHA（P－ALOHA）协议就是对于用户竞争发射的时间没有任何限制，用户在需要发射的任何时间即刻发射，然后等待反馈回来的碰撞检测信号，如果碰撞发生就再等候一个随机的时间进行重发。显然，当用户数增加时，因碰撞概率的增加就会引入较长的平均时延。设R为归一化信道流量（单位Erlang），P－ALOHA的吞吐量---T=Re-2R （3）6.2 时隙ALOHA（S－ALOHA）---与P－ALOHA相比，时隙ALOHA（S－ALOHA）主要的改进是将时间轴以时隙为单位进行划分，要求用户发信的时刻必须是某个任意时隙的开始。显然，时隙的划分就要求S－ALOHA系统必须要解决一个时钟同步问题。S－ALOHA避免了在P－ALOHA协议下不同用户数据分组之间可能发生的部分碰撞问题，它实际是在传输延迟与吞吐量之间的一种折中，文献[1]和[6]还给出了相应的曲线图。与式3给出的P－ALOHA不同，S－ALOHA将吞吐量T提高为---T=Re-R （4）---6.3 载波检测多址（CSMA）---载波检测多址（CSMA）是对ALOHA协议的进一步改进。CSMA要求用户在发射信息之前先侦听一下信道是否空闲（是否有载波），若忙则还需根据协议的具体规定进行等待。CSMA又有如下的一些演变形式。● 1－持续CSMA：用户在发射前侦听信道，若信道空闲则以概率1发送；若信道忙则持续侦听等待直到信道空闲。● 非持续CSMA：与1－持续CSMA不同的是，用户在侦听到信道忙时将不再继续侦听信道，而是等待一个随机长的时间后重复上述侦听过程，直到信道空闲再发射。● p－持续CSMA：该协议用于时隙信道。用户若侦听到信道空闲，则以概率p在第一个可用时隙内发送信息，而以概率1－p在下一个时隙内发送。● 具有碰撞检测的CSMA（CSMA/CD）：这是对CSMA的又一改进，若多个用户在侦听到信道空闲后同时发射，它们就会检测到碰撞并随即终止发射，在等待一个随机时间后再次尝试。● 数据检测多址（DSMA）：这是CSMA的一种特例，用户可以在前向信道中检测是否有其他用户占用信道，若信道空闲则可以进行信息的发送。6.4 ALOHA协议的其他扩展形式---此外，ALOHA协议还有多种扩展形式，现分述如下。● 预留ALOHA（R－ALOHA）：预留ALOHA（R－ALOHA）是在S－ALOHA的基础上，对时隙赋予了优先级，而且能够为特定的用户永久预留或是按请求预留用于发射的时隙。● 分组预留多址（PRMA）：分组预留多址（PRMA）与R－ALOHA类似，它可以让每一个TDMA时隙传输语音或数据，其中语音优先。为了提高系统效率，PRMA可以应用语音激活检测技术（VAD），以充分利用语音的非连续性。● 时频多址（FTMA）：时频多址（FTMA）[9]是在S－ALOHA的基础上发展而来的；但与其不同的是，FTMA将各个用户原先只在一维时间轴上的竞争发射引入到时频二维。FTMA在将时间轴划分为时隙的同时也将可用的频带划分为“频槽”，二者的组合就是“时频槽”。每个用户的信息发送总是在某个“时频槽”上进行的，多个用户便形成了在二维时频槽上的竞争发射；只有在同一时频槽上的不同用户发射才会发生碰撞。文献[9]从理论上得出了结论：与S－ALOHA相比，FTMA在提高系统吞吐量的同时获得了更好的稳定性和时延特性。FTMA协议的主要应用是VAST网络。● 扩频ALOHA：扩频ALOHA[10]是在原P－ALOHA或是S－ALOHA协议的基础上，将每个用户的信号在频域进行扩展。扩频ALOHA的扩频方法与DS－CDMA类似，也是采用高速的扩频码，所以单从单个信息包的发送信号形式看扩频ALOHA类似于DS－CDMA；但扩频ALOHA的最大不同是所有用户均使用相同的扩频码，也就是说，扩频ALOHA的扩频码不再具有地址码的功能。扩频ALOHA具有较好的抗碰撞和抗干扰性能，同时可以降低信道的平均功率。扩频ALOHA的主要应用领域有VAST网、PCN和LAN等。7．多址技术与调制技术在未来移动通信中的融合---CDMA（DS－CDMA）是第三代移动通信的核心技术之一，而OFDM（正交频分复用）则被认为是第四代移动通信的核心技术。OFDM源于多载波调制（MCM）技术，实际是MCM的一种，但与其不同的是OFDM要求用于调制的多路载波相互正交。正是由于子载波之间的正交性，OFDM允许各子信道的频谱相互交叠而不致相互干扰；这一点也是与传统FDMA极为不同的地方。显然，OFDM的频谱利用率较高，此外还具有抗衰落和抗码间干扰能力强等特点[11]；特别地，OFDM被认为是适应于以多媒体业务为中心的未来移动通信对无线环境中宽带、高速数据传输需求的理想调制技术。实际上，OFDM已经被广泛应用于DAB、DVB、ADSL、VDSL和IEEE 802.11a之中，此外无线城域网标准IEEE 802.16和802.16a也都是基于OFDM技术的。---OFDM与多址技术的融合往往可以起到优势互补的作用，是未来移动通信技术应用的方向。具体的融合方案有多种，比较多的是OFDM与DS－CDMA的融合，而这又有三种[12]：MC－CDMA、MC－DS－CDMA和MT－CDMA。此外还有FH－OFDM（慢跳频与OFDM的融合）和TDMA－OFDM（TDMA与OFDM的融合）。