數(shù)字通信原理：第十一章 信道復用與多址技術(shù)

1第十一章信道復用與多址技術(shù)本章的基本內(nèi)容：頻分復用與頻分多址；時分復用與時分多址；碼分復用與碼分多址；統(tǒng)計復用與隨機多址；綜合復用技術(shù)。11.1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(shù)：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(shù)：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戶建立對應關(guān)系的方法。

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(shù)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(shù)課本P481引言(續(xù))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(信號)間正交的條件：第11章信道復用與多址技術(shù)課本P481引言(續(xù))信道資源劃分的主要方法：

頻分復用時分復用碼分復用空分復用統(tǒng)計復用

不同的資源劃分方法，有相應的多址技術(shù)。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(shù)課本P48111.2頻分復用與頻分多址頻分復用與多址技術(shù)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(gòu)成一子信道。

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。頻分復用方法及隔離帶示意圖第11章信道復用與多址技術(shù)隔離帶課本P482頻分復用與多址技術(shù)(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(shù)課本P482頻分復用與多址技術(shù)(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(shù)課本P48311.3時分復用與時分多址時分復用與多址技術(shù)

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(shù)課本P483時分復用與多址技術(shù)(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(shù)課本P484時分復用與多址技術(shù)(續(xù))時分復用系統(tǒng)：國際上常用的PCM群路等級第11章信道復用與多址技術(shù)

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564.9927680397.2205760課本P484時分復用與多址技術(shù)(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(shù)課本P484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)時分復用系統(tǒng)的特點：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(shù)課本P48511.4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：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。第11章信道復用與多址技術(shù)課本P485碼分復用與碼分多址(續(xù))

哈達馬矩陣（Hadamardmatrix）：由如下方法構(gòu)建的矩陣稱之容易證明：每個哈達馬矩陣的行向量構(gòu)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(shù)課本P485碼分復用與碼分多址(續(xù))沃爾什(Walsh)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)，有次穿越零點的符號變化；（4）關(guān)于的中點，不是奇函數(shù)就是偶函數(shù)；（5）沃爾什函數(shù)構(gòu)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(gòu)建。第11章信道復用與多址技術(shù)課本P485碼分復用與碼分多址(續(xù))示例：由哈達馬矩陣構(gòu)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(shù)課本P486碼分復用與碼分多址(續(xù))

碼分復用：利用沃爾什函數(shù)的正交性，可以使得在時域和頻域均重疊的信號的分離，實現(xiàn)信道的復用。記k個不同的符號序列利用k

個不同的沃爾什函數(shù)對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(shù)課本P486第11章信道復用與多址技術(shù)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。課本P486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)：采用哈達馬矩陣生成的沃爾什函數(shù)，可構(gòu)建2

個獨立的子信道。

碼分多址系統(tǒng)的帶寬：其中是碼片周期。第11章信道復用與多址技術(shù)課本P48711.5空分復用與空分多址空分復用與空分多址

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?？辗謴陀玫幕拘问剑?/p>

空分復用系統(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?？辗謴陀孟到y(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(shù)課本P487-488第11章信道復用與多址技術(shù)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，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)的主要工作方式課本P48811.6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)計復用是一種為適應數(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)分配資源的共享信道工作方式。統(tǒng)計復用主要包括集中控制和隨機分布式控制兩種方式。

(1)集中控制方式

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(shù)課本P489第11章信道復用與多址技術(shù)統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù))

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：

時間軸被劃分成等長度的幀；幀被劃分成基站到用戶的下行子幀和用戶到基站的上行子幀；

各個子幀被進一步劃分為等長或不等長的時隙；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。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。課本P489第11章信道復用與多址技術(shù)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：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)度策略課本P490第11章信道復用與多址技術(shù)統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù))（2）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：課本P490第11章信道復用與多址技術(shù)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的功能和相應的解決機制，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)的通信系統(tǒng)示例

有線連接的局域網(wǎng)

無線局域網(wǎng)課本P490-491第11章信道復用與多址技術(shù)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

(1)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)稱為到達率：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，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，該時間記為課本P491第11章信道復用與多址技術(shù)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的統(tǒng)計平均值為若記，則有在一次循環(huán)時間內(nèi)，用戶產(chǎn)生的平均數(shù)據(jù)量為因此有課本P491第11章信道復用與多址技術(shù)統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù))稱為用戶的通信量強度；為系統(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

S

因此有課本P491-492第11章信道復用與多址技術(shù)統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù))

(2)隨機接入控制的ALOHA算法及性能分析

ALOHA算法是計算機局域網(wǎng)(LAN/WLAN)技術(shù)基礎

a.純ALOHA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(jié)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。課本P492第11章信道復用與多址技術(shù)統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù))

純ALOHA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)為負載則在時間內(nèi)成功發(fā)送的報文數(shù)為系統(tǒng)的吞吐量若報文成功發(fā)送的概率為則上述變量間的關(guān)系為假定系統(tǒng)中報文的到達概率服從泊松分布，則在時間內(nèi)到達k個報文的概率為課本P492第11章信道復用與多址技術(shù)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個報文成功發(fā)送，應有課本P492-493第11章信道復用與多址技術(shù)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，使課本P493第11章信道復用與多址技術(shù)統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù))

b.時隙ALOHA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。通過同步時標，時間軸可以時隙進行劃分。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，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。課本P493第11章信道復用與多址技術(shù)統(tǒng)計復用與隨機多址(續(xù))

時隙ALOHA的性能分析記報文n到達的時刻為；發(fā)送的時刻為課本P494第11章信道復用與多址技術(shù)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