3.1 多址技术的基本概念在线视频

同学们大家好

我是北京邮电大学教师牛凯

今天我们来给大家介绍

移动通信原理的第三章

多址接入技术

多址接入

大家知道

是移动通信进行断代的一个代表性技术

我们在第一章

有一些基本概念就给大家介绍过

到今天为止

我们移动通信的体制一共有五代技术

就第1G到第5G

那么每一代技术的标志性的

代表技术就是多址接入技术

我们是依据不同的多址技术

来对移动通信的体制进行划分

那么这一章的内容

我们分为五个方面来给大家介绍

第一方面

我们先简单介绍一下

多址接入技术的一些基本概念

第二部分我们重点给大家分析一下

典型的多址接入的方式

第三部分

我们专门给大家讲一讲

3G移动通信系统当中

以及包括一些2G的IS-95系统

它当中的地址码

第四部分我们概念性地讲讲

码字或者是地址码

或者扩频码

它的一些理论基础和分析

最后我们做一下小结

我们首先先看多址技术

它的一些基本概念

这个多址的概念

我们先看它的英文

英文所谓的多址全称叫做是

Multipple Access

简称叫MA

请大家注意

初学者有一个经常容易犯的错误

叫Multipple Address

这是不对的

我们这里讲

多址实际上是多接入

Access才是它的核心含义

那么这个所谓的多址

它其实指的是说

我这是一个小区

有基站

然后有多个移动台

有多个移动台

那每个移动台

都要向基站发信号

它讲的是说

我多个移动台也就多个用户

那么多个用户都向基站发送信号

那如何去区分每个用户的信号

区分每个用户的信号

满足多个用户同时接入的这样的技术

我们就称为是多址接入技术

那么我们把多址和固定通信系统当中

另外一个常见的概念叫多路复用

把这两个概念给大家做一下区分

一个就是我们这儿讲的多址技术

另外一个是固定通信系统当中

我们经常提到的叫多路复用

复用技术

复用我们全称叫

Multiplexing

复用 Multiplexing

那么多址和复用之间有什么关系呢

它们的共同点

从信号模型上来看是差不多的

从信号结构上来看

多址和复用基本上讲

都是把多个数据流

汇接为一路数据流

这就是做复用或者是多址

那么到了对端之后

我们还得再进行拆分

产生多路数据流

它们相同点主要是在

信号模型上是类似的

那我们在它们的不同点

多路复用它的主要目是区分

多个数据链路 多个数据流

因此多路复用

在有线通信网络或者固定通信网络当中

每一路就是单独的一路数据流

这每一路数据

一般而言

已经不对应特定的用户了

所以多路它只能是在

多个数据流之间进行复用和解复用

它没有办法区分到

或者定位到特定的用户

而对于多址来讲不是这样的

多址它主要局限到每一个小区当中

或者某一个基站里面

所以每一路数据流和每一个用户之间

就同一个小区的多个用户之间

是一一对应的

所以我们在进行数据

汇接和解复用的时候

其实

也就等价于

对多个用户的数据来进行合并和分离

也就相当于说

我可以把数据和用户之间建立起

一一对应的关系

正因为有这样的区别

所以多路复用一般我们主要用到

在固定通信网络当中

做数据的复用和解复用

而多址接入我们用在移动通信当中

指的是多个用户的合并和分离

这是它主要的两者的区别

那么下面我们给大家看一看

在1G到4G当中

在多址技术

它们有一些共同点

1G到4G的多址接入技术

一般我们把它们可以缩写

叫做是OMA技术

O的含义指的是正交

就是都是正交多址接入技术

那么5G

我们现在马上要5G商用化了

5G的这种多址接入技术

现在我们在5G前沿研究当中

有一类非常热门的技术

叫做是N O M A

简称叫NOMA

这个叫做是非正交多址接入技术

那前四代技术

以正交多址接入为主

那我们重点给大家讲讲

正交多址接入

所谓正交多址接入技术

大家看它的概念上来理解就是

每一路用户

它都分配一个特定的正交参量

我们这的正交参量叫λi

大家注意这是一个参量

它可以是标量 可以是向量

它不限定

那么这些参量是满足正交性的

也就是说

比如说我们这儿有2个用户

每个用户分配一个参量

比如i用户分配λi

j用户分配λj

那么这两个参量 λi和λj

它们之间进行内积满足正交性

它们内积的结果应当等于

δij

就等于δij

这个δij是

狄拉克函数

也就是说i等于j的时候

那么δij=1

i不等于j的时候

δij等于0

那也就说

如果两个用户的参量不一样

那这两个用户

就必然要

它们的这个内积

参量内积是0

保持正交性

依据这个原理

那我们在采用正交多址接入的话

在发送端有n个用户

每个用户

因为都是上行

各个用户自己用自己的参量发信号

比如说每个用户

第i个用户发送的信号是xi(t)

那么它所对应的参量是λi

那接收端我们就可以看作是

这n个用户发送的信号的叠加

就是我们把这n个用户叠加起来

这就是这个样子的

那由于它们满足正交性

我们看一看这种正交叠加多用户的信号

接收端我们怎么来进行检测

那么接收端所采用的

就是一种正交信号识别器

这个正交信号识别器它是这样的

我们收到的是一个多用户叠加的信号

那么本地 假设说

我要识别的或者接收的是第j个用户

那本地的信号就是λj

这个正交识别器

实际上就相当于是

我们把接收到的多用户叠加信号

与本地的λj这个本地信号

它们之间要做内积

就说我们做一下内积

就是∑λi·xi(t)

然后与λj

它们之间

进行内积

那显然因为我们知道内积它是一个线性算子

所以可以和∑合式交换顺序

所以我们就可以得到

把∑合式拿到外面去

i从1到n

那里面实际上应当是λi与λj内积

然后再乘上xi(t)对吧

大家看这个公式当中

表面上看起来还是n项叠加

但是别忘了我们要利用

用户之间的内积性

就λi和λj

它们的内积的结果是δij

这δij我们知道刚才已经讲过

其实这个δij

只有i等于j的时候有值是1

i不等于j的时候全是0

所以这个合式当中

其实只有一项是1

其他的(n-1)项全是0

所以我们马上能够得到

这是最终的计算结果

其实就应当是xj(t)对不对

所以我们就看到

采用这种正交识别器

利用参量之间的正交性

就可以很方便地把

你所需要的用户信号独立提取出来

这就是正交多址接入

它的一个基本原理

那么我们刚才提到是一个

理想化的通用性的模型

具体而言

这个正交的参量有哪一些呢

就什么样的参量

就是这正交参量具体化

什么样的信号形式可以拿来做正交参量

那我们就具体给大家举点例子

第一个我们就按照

技术发展的演进顺序

我们来举例子

我们先看第一代移动通信

它的典型的多址接入方式叫FDMA

就是频分多址接入技术

那对于FDMA而言

它的正交参量

实际上就是频段

或者是频道 或者是频率

那么比如说

像我们在第一章给大家举过这个例子

北美的第一代体制就AMPS

或者是欧洲的第一代体制TACS

那么它都是FDMA

每个用户占用特定的一个频道

大家看这

用户1占用ΔF1

用户2占用ΔF2

在频率上各个用户是相互分离的

那么互不重叠

那频率上互不重叠

那么我们进行内积的时候都是0

因此理论上我们只要把频率进行这种分割

不重叠的分割

就够实现多个用户的分离

那实际当中大家注意因为第一代

FDMA体制

它都是模拟制

我们理论上可以

理想化地对频段进行划分

但是实际当中我们

得考虑到模拟电路的非理性特征

不能够做出理想的分离

其实我们在相邻频段上都要引入一个

保护的间隔

也就是保护频道

这就是

FDMA的一个简单说明

我们再看2G

你按照时频对有的关系

你可以在频率上进行分割

当然我也可以在时间域上进行分割对吧

如果我们在时间域上来进行分割

那就是2G代表性的多址方式

叫TDMA也就是时分多址接入技术

那么代表性的体制

比如说GSM

GSM就是典型的TDMA

还有在北美所用到的D-AMPS

这也是典型的TDMA的体制

那么大家看到胶片上给的示例

理论上来讲

我们可以把整个时间片

划分成很多个时隙

T1时隙分配给第1个用户

T2时隙分配给第2用户

那么把一个时段划分成多个时隙

每个用户占用一个时隙

时间上各个用户互不重叠

那显然保证正交性

但是具体实现的时候

也不是这么理想化的

我们得考虑到用户在时隙边界上

用户距离基站有远有近

相对时延有大有小

如果我们做这种理想分割的话

很容易因为多径传播时延的随机性

会在边界上产生相互之间的干扰

为了消除时延随机变化造成的干扰

我们在工程上一般来讲

相邻两个用户所占用的时隙中间

要引入一定的保护间隔

引入一定的保护间隔

这是我们在GSM或者D-AMPS

这样实际标准当中

经常采用的技术

这个记住

保护间隔我们就称为是Gap

我们再来看

第三代移动通信体制

那么第三代移动通信体制

它的代表性技术

是码分多址叫CDMA

CDMA的含义

指的是说

我们每一个用户

他实际上是分配了一个特定地址码

或者是扩频码

那么两个用户之间

他在扩频码码域上面是相互正交的

码分多址相对来讲理解上有点难度

那么我们可以这么设想

所谓码分指的是说

所有用户他都共用时间和频率

也就是说所有用户都是同时同频的

那么码字是不一样的

那这个码实际上

是在一种抽象的术语上

来区分各个用户的信号

我们打个简单的比方讲

比如说咱们中国

有很多地方的方言

比如说我们在一个教室里面

我给大家上课

那么下面坐的同学们

都是来自于五湖四海的

那如果说

我们认为码分多址的

这个码字就相当于是每一个用户

你说的家乡话就是方言

假如说

我们在一个教室里面

每个人都说自己的家乡话

因为每一个方言都有自己的特点

所以只要你小声说话的话

那么在同时很多人各操方言

我们照样可以进行

聊天或是相邻相互之间进行交互

这就相当于

这个教室就相当于是同时同频

我占有一定一样的空间

但是每个人用不同的方言

在小声说话的情况下也能够同时通信

这就是一个简单的例子

当然这只是一个原理性的比喻

实际当中

我们还是得通过数学的理论设计

然后去寻求

比较好的这种地址码序列

能够保证两个用户的扩频序列之间

正交来实现多址接入的方式

那么代表性的方式就是在3G

三种典型体制

像WCDMA

TDMA CDMA2000当中所采用的地址码

这都是典型的正交码

那么我们刚才讲的

是CDMA的一种实现的手段

我们称它为是叫DS-CDMA

也就所谓的直扩就直接扩频的CDMA

这种方式怎么实现呢 很简单

就是我们把一个

窄带的发送信号

与一个高速的

扩频信号相乘

这就直接扩频了

那么相应地 它的频谱上是有变化的

如果是窄带信号与

原始的发送信号是个窄带的

它的带宽很窄

比如说这个带宽是W

但是经过直接扩频之后

信号带宽就会很宽

比如说我们扩频周期是N

那么它就会扩张N倍的W

就扩展宽

就相当于把信号频谱就展宽了

在商用的通讯系统当中

直接扩频是我们最常用的一种CDMA方式

除掉这种方式之外

我们也可以直接在

频率上来实现信号频谱扩展

这种方式我们称为是HF

就所谓的跳频

大家看这个胶片

给的这就是一个时频二维的空间

那么横轴是时间

纵轴是频率

那么它有很多这个个小方格

每个小方格就是一个时频二维的单元

不同的用户在随机序列的控制下

可以占用整个时频二维空间的

一些特定的时频单元的组合

比如说我们这儿给了个阴影区

这就是用户1

用户1占用不同的时频单元

那么用户2它可以占用比如说

我照片画些图案

用户2可以占用这些单元

也就是正斜线这些单元

那么不同的用户占用不同的单元

如果我们在整个时频空间上来看的话

其实每一个用户都应当是占满了

整个时频单元

它是靠跳频

就在不同的时隙不同的频率来回跳

那么跳变的规律

是符合一定的伪随机性要求的

这样来实现整个信号频段的扩展

这种跳屏我们也常用

它一般应用于军事通信

尤其像数字电台进行跳频来实现

以上我们举的一些例子都是一些基本的例子

就是说

把信号的物理属性

比如说

时间进行划分

频率进行划分

码字来进行划分

那么除此之外

我们还可以考虑用一些设备属性

比如多个天线

那么可以利用信号空间属性来进行划分

也就是

SDMA这叫空分多址

SDMA

空分多址实际上这个概念是比较久远的

那么它也是一个有历史性的一个演进技术

早期的 像空分多址一些早期例子

比如说

像小区分裂

就我们把一个小区划分为扇区

这就是3个扇区

1个小区可以分解为3个扇区

采用定向天线

每个扇区是一个定向天线

没有特定的方向角度

但移动台在不同的扇区当中

它就只接收到本扇区的波束

那么邻扇区

因为都是旁傍

它就收不到信号

所以这种方式

就是一种早期的比较原始的SDMA

就靠空间的隔离来给用户提供信号

那么到了3G时代

像我们国家的TD- SCDMA体制

那里面有1个S

S的意思

有一重意思就是说智能天线

在TD-SCDMA系统当中

它这个天线就不再是固定的定向天线了

而是说这个天线的方向

可以跟着移动台来转

你移动台在这

那么这波束就到这个方向

移动台在这

那波束就转到这个方向

也就说天线的方向可以

跟踪移动台的运动位置

那么这也就变成了一个智能天线

也是SDMA

那么到了4G系统当中

LTE 4G里面

我们有一对关键技术

叫做MU-MIMO

叫多用户MIMO

那么基站端

配置了很多的天线

那可以给本小区的很多用户来服务

通过波束成型的方法

来对每一个用户进行生成特定的波束

来抑制别的用户对他的干扰

这也是SDMA的方式

这就是SDMA它的一些基本原理

除掉上述这些多址接入技术之外

我们还有一些多址接入的方式

前面的这些多址方法

我们一般都叫做是

专用式

或者是固定式的

多址方案

也就是说

我为了支持多个用户的接入

一定要给某个用户

给特定的用户分配固定的一些物理资源

给他进行服务

比如说

要是FDMA那我得给你分配频道

TDMA我得给你分配时隙

CDMA我得给你分配码字

SDMA的种类有这个

把你分到某个扇区或者波束上

这是独享式的或者专用式的多址方案

那么在上层

比如说我们在

MAC层

在数据链路层的下面一点

在MAC层上

那么还有别的一些多址方案

这些方案我们称它为是随机接入

随机多址方案

那么在随机多址方案里面

代表性的技术

那么早期就是这种ALOHA技术

ALOHA技术

这是我们在以太网或者是局域网当中

最常见的一种多址方法

那后来

因为ALOHA本身

它的基本素质是非常简单的

就是所有用户都共享接入资源

大家只要有需求

就一窝蜂地扎堆去抢占资源

但是如果说

这个系统当中的用户数非常非常多

那么很容易产生碰撞

那大家都不能够有效地利用网络资源

所以后来那就进一步做改进

就变成了

比如说分时隙的ALOHA技术

我们称为是

Slot-ALOHA技术

这种技术

其实在移动通信当中我们也经常用

Slot-ALOHA

现在是在移动通信当中

我们主要应用于随机接入

也就是

RACH信道就是随机接入信道

就随机接入得机制

就用是Slot-ALOHA机制

但不管是2G 3G 4G

以及将来的5G

我们还都是用Slot-ALOHA

来实现让移动台随机接入网络

那么以上就是我们对

多址接入的一些基本概念的介绍