《數(shù)字通信原理》第11章 信道復用與多址技術

1、數(shù)字通信原理數(shù)字通信原理(11)(11)馮穗力等編著馮穗力等編著電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社20122012年年8 8月月第第 11 章章 信道復用與多址技術信道復用與多址技術本章的基本內(nèi)容本章的基本內(nèi)容：n頻分復用與頻分多址；n時分復用與時分多址；n碼分復用與碼分多址；n統(tǒng)計復用與隨機多址；n綜合復用技術。11.1 11.1 引言引言 n 引言引言 在通信系統(tǒng)中，通常有多個用戶需要同時傳輸信息，需要解決信道資源的分配問題。 信道復用技術信道復用技術：根據(jù)可用的信道資源，將信道劃分給不同的用戶同時使用的方法。 多址技術多址技術：對信道資源和用戶分別進行某種編號，使特定的信道資源與使用該資源的用

2、戶建立對應關系的方法。 多址接入多址接入：多個用戶根據(jù)所分配得到的資源接入系統(tǒng)的過程。 信道的復用和多址技術的實施需要考慮用戶通信過程的實時性。 第11章 信道復用與多址技術n 引言引言(續(xù)續(xù)) 信道資源的理想劃分信道資源的理想劃分：各子信道間具有正交性。 設系統(tǒng)中有K個用戶同時工作。 記第 k 個用戶的發(fā)送信號的時間 第 k 個用戶發(fā)送的信號 信道信道(信號信號)間正交的條件間正交的條件：第11章 信道復用與多址技術 kT1,2,.,kK kft1,2,.,kK 0, ,1,2,.,0,kkjTkjft ft dtj kKkjn 引言(續(xù)) 信道資源劃分的主要方法： 頻分復用頻分復用 時分復

3、用時分復用 碼分復用碼分復用 空分復用空分復用 統(tǒng)計復用統(tǒng)計復用 不同的資源劃分方法，有相應的多址技術。 不同的信道劃分方法，對資源的利用效率可能會有所不同，但總的可用資源(除空分復用外)一般只會減少，不會增加。 系統(tǒng)的總可用資源由香農(nóng)定理決定。第11章 信道復用與多址技術11.2 11.2 頻分復用與頻分多址頻分復用與頻分多址n 頻分復用與多址技術頻分復用與多址技術 傳統(tǒng)的頻分復用方法：傳統(tǒng)的頻分復用方法：將可用的頻譜資源在頻率域上劃分出若干段互不重疊的頻帶，每一段頻帶構成一子信道 。 保護帶保護帶：為保證在不同的子信道間不會產(chǎn)生相互間的干擾，在相鄰頻帶之間設置一定寬度的隔離帶稱之。 頻分復

4、用方法及隔離帶示意圖第11章 信道復用與多址技術隔離帶隔離帶n 頻分復用與多址技術(續(xù)) 頻分復用系統(tǒng)中第k個用戶發(fā)送的信號 該信號的接收機中一般設有濾波器 ，使?jié)M足 由此可得 從而有 由此保證不同信道間的信號的正交性。第11章 信道復用與多址技術 , , 1,2,.,kkkftftFkK kB , 0,kjkjkFFBjk , ,1,2,.,0, kkkBkkBjBjftftjkftjKjkft 0, ,1,2,.,0,kkkkkBBBkjkjTTkjft ft dtft ft dtj kKkjn 頻分復用與多址技術(續(xù)) 頻分多址系統(tǒng) 頻分復用系統(tǒng)可同時容納的信道數(shù) 傳統(tǒng)的頻分復用系統(tǒng)因子

5、信道間需要隔離帶，頻譜效率較低，且需要大量不同參數(shù)的濾波器。第11章 信道復用與多址技術WKW11.3 11.3 時分復用與時分多址時分復用與時分多址 n 時分復用與多址技術 時分復用方法時分復用方法：把傳輸時間劃分成按周期出現(xiàn)的數(shù)據(jù)幀，幀內(nèi)再進一步劃分出時隙，每個子信道就是以幀周期間歇提供給用戶的時隙。 合理地選擇幀周期和時隙的大小，可使每個用戶感覺就像在連續(xù)地使用一個屬于自己的信道。 時分復用方法示意圖第11章 信道復用與多址技術n 時分復用與多址技術(續(xù)) 時分復用系統(tǒng)的復接與分接過程示意圖 低速數(shù)據(jù)流 高速數(shù)據(jù)流 分接 復接第11章 信道復用與多址技術n 時分復用與多址技術(續(xù)) 時分

6、復用系統(tǒng)： 國際上常用的PCM群路等級第11章 信道復用與多址技術 制式群路等級歐洲、中國北美、日本傳輸速率：Mbps話路數(shù)傳輸速率：Mbps話路數(shù)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564.9927680397.2205760n 時分復用與多址技術(續(xù)) 時分多址的話音通信系統(tǒng)原理圖 多用戶數(shù)據(jù)沿 時間軸分布第11章 信道復用與多址技術n 時分復用與時分多址(續(xù)) 時分復用系統(tǒng)的子信道數(shù) 記 信道總的傳輸速率為 ；每個用戶的傳輸速率為 則子信道數(shù)子信道數(shù) 時分復用系

7、統(tǒng)的特點特點：易于用集成電路實現(xiàn)； 需要準確的定時。 時間保護間隔時間保護間隔：時分復用的方法用于無線多址系統(tǒng)時，因為用戶間有定位誤差，且信號到達接入點可能有不同的時延，因此通常需要有時間保護間隔。第11章 信道復用與多址技術RKRRR11.4 11.4 碼分復用與碼分多址碼分復用與碼分多址n 碼分復用與碼分多址碼分復用與碼分多址 記M維的碼字集 ，其中 正交編碼集正交編碼集：稱 為正交編碼集，如果其滿足如下的條件 特別地，若 稱 為歸一化正交碼歸一化正交碼。第11章 信道復用與多址技術kC01,.,kkkkMCccckC10, ,MjkkjkjikiijkC CCCCc cMjk10, 1,

8、MjkjikiijkCCc cjkkCn 碼分復用與碼分多址(續(xù)) 哈達馬矩陣哈達馬矩陣（Hadamard matrix）：由如下方法構建的矩陣稱之 容易證明：每個哈達馬矩陣 的行向量構成一個正交編碼集； 其中碼字的長度為 ，每個碼字集中包含 個碼字。第11章 信道復用與多址技術1112111111111: ; 2: 11 . . ; : iiiiiHHnHnHHHHHniHHHiH2i2in 碼分復用與碼分多址(續(xù)) 沃爾什沃爾什(Walsh)函數(shù)：函數(shù)：具有如下性質(zhì)的函數(shù)集合稱之。 K 階沃爾什函數(shù)：（1）除了在一些跳躍點上取值0外， 僅在1和1中取值；（2）對任意的 ；（3）在內(nèi) ， 有

9、 次穿越零點的符號變化；（4）關于 的中點， 不是奇函數(shù)奇函數(shù)就是偶函數(shù)偶函數(shù)；（5） 沃爾什函數(shù)構成一組正交的函數(shù)集。 沃爾什函數(shù)集可由哈達馬矩陣的行向量構建。第11章 信道復用與多址技術 ;0,1,2,.,kWttTkK kWt , 01kk W0,Tk kWt0,T kWt 00, ,TjkjkWt Wt dtKjkn 碼分復用與碼分多址(續(xù)) 示例：由哈達馬矩陣 構建的4階沃爾沃函數(shù)集。 相應的信號波形第11章 信道復用與多址技術2Hn 碼分復用與碼分多址(續(xù)) 碼分復用碼分復用：利用沃爾什函數(shù)的正交性，可以使得在時域時域和頻頻域域均重疊的信號的分離，實現(xiàn)信道的復用。 記 k k 個不

10、同的符號序列 利用 k k 個不同的沃爾什函數(shù)對 k k 個符號序列進行調(diào)制 其中 在時域和頻域上都是重疊的。 第11章 信道復用與多址技術, 1,2,.,; :1kjkjDkKDjTtjT 1, 1Kkjkjkks tstDWtjTtjT , 1,2,.,kjstkK第11章 信道復用與多址技術n 碼分復用與碼分多址(續(xù)) 在接收端可利用沃爾什函數(shù)的正交性對不同的符號序列進行分離，從而實現(xiàn)信道的復用 碼分復用的示意圖 采用不同的沃爾什函數(shù) 調(diào)制的不同的序列信號， 在時域和頻域上是重疊的。 1111111jTjTKiikjkjTjTjTjTKKikjkkjikijkkjTjTW t s t d

11、tW tst dtW tDWt dtDW t Wt dtK Dn 碼分復用與碼分多址(續(xù)) 碼分多址系統(tǒng)的實現(xiàn)原理 子信道數(shù)子信道數(shù)：采用哈達馬矩陣 生成的沃爾什函數(shù)，可構建 2 個獨立的子信道。 碼分多址系統(tǒng)的帶寬碼分多址系統(tǒng)的帶寬： 其中 是碼片周期碼片周期。第11章 信道復用與多址技術2nK nH1cWTcT11.5 11.5 空分復用與空分多址空分復用與空分多址 n 空分復用與空分多址空分復用與空分多址 空分復用空分復用:一種將天線上發(fā)出的某路電磁波信號，限定在某個局部區(qū)域范圍內(nèi)，而使得在原來的區(qū)域范圍內(nèi)，可以容納更多路的電磁波信號的一種信道復用方式。 空分復用的基本形式： 空分復用系

12、統(tǒng)中的每個用戶可以系統(tǒng)中的全部帶寬資源，因此可以達到頻譜資源利用率倍增的效果達到頻譜資源利用率倍增的效果。 空分復用系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)取決于對波束寬度的控制。第11章 信道復用與多址技術第11章 信道復用與多址技術n 空分復用與空分多址(續(xù)) 不同用戶在空間域的信號不重疊空間域的信號不重疊，每個用戶在工作區(qū)域內(nèi)自由自身的信號，信號間的正交性自然得到滿足 空分與頻分復用是目前蜂窩式移動接入網(wǎng)的主要工作方式 0, ,1,2,.,kSSjkTft ft dtkj kK11.6 11.6 統(tǒng)計復用與隨機多址統(tǒng)計復用與隨機多址n 統(tǒng)計復用與隨機多址統(tǒng)計復用與隨機多址 統(tǒng)計復用統(tǒng)計復用：統(tǒng)計復用是一種為適

13、應數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸需求具有隨機性和突發(fā)性而提出來一種動態(tài)分配資源動態(tài)分配資源的共享信道工作方式。 統(tǒng)計復用主要包括集中控制集中控制和隨機分布式控制隨機分布式控制兩種方式。 (1)集中控制方式集中控制方式 輪詢工作輪詢工作：通過控制單元根據(jù)終端的需求控制其對信道資源的使用。 第11章 信道復用與多址技術第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 點到多點點到多點( (PMP)模式無線基站系統(tǒng)幀內(nèi)時隙的資源調(diào)度：模式無線基站系統(tǒng)幀內(nèi)時隙的資源調(diào)度： 時間軸被劃分成等長度的幀幀； 幀被劃分成基站到用戶的下行子幀下行子幀和用戶到基站的上行子幀上行子幀； 各個子幀被進一步劃分為等長或不等長的時

14、隙時隙； 每幀相應位置的時隙通常并不指定給特定的用戶，而是根據(jù)用戶的需求動態(tài)分配動態(tài)分配。 分配給用戶的上行子信道和下行子信道的資源可以是不對稱的。第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 網(wǎng)絡路由器或交換機輸出端口傳輸速率的統(tǒng)計復用網(wǎng)絡路由器或交換機輸出端口傳輸速率的統(tǒng)計復用： 圖(a):不分等級的輸出端口傳輸速率的統(tǒng)計復用(單隊列) 圖(b):可進行優(yōu)先度控制的輸出端口傳輸速率的統(tǒng)計復用(多隊列)； 優(yōu)先度控制可根據(jù)需要采用不同的調(diào)度策略第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) （2）隨機分布式控制方式隨機分布式控制方式 系統(tǒng)中沒有集中的控制單元，各個終端間

15、按照某種規(guī)則，有協(xié)調(diào)或者沒有協(xié)調(diào)地使用信道的資源。 當出現(xiàn)一個以上的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時，信道會出現(xiàn)沖突，沖突通常導致所有當前所有正在傳輸?shù)膱笪陌l(fā)送失敗。 出現(xiàn)沖突的示例： 第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 在隨機分布式控制系統(tǒng)中，各個終端中一般包含了探測沖突探測沖突的功能和相應的解決機制解決機制，可避免出現(xiàn)惡性的競爭。 采用隨機分布式控制(碰撞自動退避機制碰撞自動退避機制)的通信系統(tǒng)示例 有線連接的局域網(wǎng)有線連接的局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 統(tǒng)計復用系統(tǒng)的性能分析統(tǒng)計復用系統(tǒng)的性能分析 (1)(1)集中控制的輪詢系統(tǒng)

16、的性能分析集中控制的輪詢系統(tǒng)的性能分析 設用戶共享信道的傳輸速率為 ；用戶的報文長度為 ； 則傳輸一個報文所需的時間為 每個終端單位時間內(nèi)產(chǎn)生的平均報文數(shù)平均報文數(shù)稱為到達率到達率： 用戶 的到達率記為 (報文/秒) 用戶 在一次輪詢過程中所需的發(fā)送報文的時間為 從用戶 發(fā)送完畢到用戶 開始發(fā)送的時間稱為用戶 的巡回時間巡回時間，該時間記為 控制單元將所有用戶輪詢一遍(包含用戶發(fā)送數(shù)據(jù))的時間稱為循環(huán)時間循環(huán)時間，該時間記為 bR11bRiiiiti1iiwct第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 假定系統(tǒng)中有N個用戶，則一般地有 上述各隨機變量隨機變量的統(tǒng)計平均值統(tǒng)計平均

17、值為 若記 ，則有 在一次循環(huán)時間內(nèi)，用戶 產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)量為 因此有11NNciiiittw 11111111 NNNNcciiiiiiiiNNNNiiiiiiiiTE tEtwEtEwE tE wTW1NiiLW1NciiTLT1icTi1iciicicbbTTTTRR第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 稱 為用戶 的通信量強度通信量強度； 為系統(tǒng)的通信量強度系統(tǒng)的通信量強度。 整理可得 進一步地有 近似為常數(shù)，因此顯然有 ， 即當通信量強度趨于1時，報文的傳輸延時將趨于無窮大。 通信量強度也稱為系統(tǒng)的吞吐量吞吐量 S 因此有ii1Nii111NNNciiccicii

18、iTLTLTLTLT1cLT1, cT 1NiibSR 1, cSTL第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) (2)(2)隨機接入控制的隨機接入控制的ALOHA算法及性能分析算法及性能分析 ALOHA算法是計算機局域網(wǎng)(LAN/WLAN)技術基礎 a.a.純純ALOHA算法算法 純ALOHA算法：當系統(tǒng)中的工作站有數(shù)據(jù)報文時馬上發(fā)送，若出現(xiàn)沖突，工作站不是立刻重新發(fā)送，而是各自選擇一個隨機的退避時間，退避時間結束后，再重新發(fā)送。 退避時間是隨機數(shù)，各工作站選擇的退避時間相同的概率很小，因此重新發(fā)送報文時再次沖突的概率很低，從而實現(xiàn)了一種分布式的自動的協(xié)調(diào)。 只要各個工作站退避

19、算法的參數(shù)相同，則在統(tǒng)計意義上來說，各個工作站獲得信道資源的多少是一樣的。第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 純純ALOHA算法的性能分析算法的性能分析 假定各個工作站的傳輸速率一樣；發(fā)送報文的大小一樣； 則每次發(fā)送報文的時間為常數(shù) 若定義系統(tǒng)在時間 內(nèi)總的發(fā)送報文數(shù)為負載負載 則在時間 內(nèi)成功發(fā)送的報文數(shù)為系統(tǒng)的吞吐量系統(tǒng)的吞吐量 若報文成功發(fā)送的概率成功發(fā)送的概率為 則上述變量間的關系為 假定系統(tǒng)中報文的到達概率服從泊松分布泊松分布，則在時間 內(nèi)到達 k k 個報文的概率為0T0TSG0TsucPsucSG P , 0,1,2,.!kTTTPkekk第11章 信道復用

20、與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 為報文的平均到達率； 若到達概率服從泊松分布，則兩報文間的間隔 服從指數(shù)分布 如下圖，若要保證當前的第 n n 個報文成功發(fā)送，應有tapte t 20000sucPPtTPtTPtTPtT 連續(xù)兩個第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 因為 且有 因此可得報文成功發(fā)送的概率報文成功發(fā)送的概率為 純ALOHA的最大吞吐率 系統(tǒng)穩(wěn)定地工作，通常 應控制負載，使0GT000000GtTtGaTTTGPtTpt d ted ted teT 2GsucPe0.5G max0.184S第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) b

21、. 時隙時隙ALOHA算法算法 純ALOHA算法 ，效率較低。 時隙ALOHA算法是減少純ALOHA算法沖突的一種改進型。 設系統(tǒng)的參數(shù)設定仍與純ALOHA相同。在系統(tǒng)中設立一個各個工作站均可探測的周期為 的同步時標同步時標。 通過同步時標，時間軸可以時隙時隙進行劃分。 各個工作站中的報文無論何時產(chǎn)生到達，只允許在每個時隙開始瞬間發(fā)送，錯過該時刻，只能等待下一時隙的發(fā)送時刻。 因為時隙ALOHA減少了報文發(fā)送的隨機性減少了報文發(fā)送的隨機性，報文在傳輸過程中發(fā)生碰撞的概率減小，系統(tǒng)效率得以提高。0.2S 0T第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 時隙時隙ALOHA的性能分析的性能分析 記報文n到達的時刻為 ；發(fā)送的時刻為,a ntnt第11章 信道復用與多址技術n 統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù)) 由上圖易見，報文 可成功發(fā)送的條件為 若報文 是在 到達前的 時刻到達的( )，則報文 與報文 的時間間隔應大于 ，且報文 與報文 到達的時間間隔大于 。 由此可得 因此，時隙時隙ALOHA的吞吐量的吞吐量為 時隙ALOHA的最大吞吐量為ntnstT0sTT1nnn0sTT