通信工程師考試移動通信網中的基本技術

6.2.3  移動通信網中的基本技術
1．多址方式
當把多個用戶接入一個公共的傳輸媒質實現相互間通信時，需要給每個用戶的信號賦以不同的特征，以區(qū)分不同的用戶，這種技術稱為多址技術。眾所周知，移動通信是依靠無線電波的傳播來傳輸信號的，具有大面積覆蓋的特點。因此網內一個用戶發(fā)射的信號其他用戶均可接收到所傳播的電波。網內用戶如何能從播發(fā)的信號中識別出發(fā)送給自己的信號就成為建立連接的首要問題。在蜂窩通信系統(tǒng)中，移動臺是通過基站和其他移動臺進行通信的，因此必須對移動臺和基站的信息加以區(qū)別，使基站能區(qū)分是哪個移動臺發(fā)來的信號，而各移動臺又能識別出哪個信號是發(fā)給自己的。要解決這個問題，就必須給每個信號賦以不同的特征，這就是多址技術要解決的問題。多址技術是移動通信的基礎技術之一。

多址方式的基本類型有：頻分多址方式(FDMA: Frequency Division Multiple Access)、時分多址方式(TDMA: Time Division Multiple Access)、空分多址方式(SDMA: Space Division Multiple Access)、碼分多址方式(CDMA: Code Division Multiple Access)等。目前移動通信系統(tǒng)中常用的是FDMA、TDMA、CDMA以及它們的組合。
1) 頻分多址方式(FDMA)
在通信時，不同的移動臺占用不同頻率的信道進行通信。因為各個用戶使用不同頻率的信道，所以相互沒有干擾。FDMA的信道每次只能傳遞一個電話，并且在分配成語音信道后，基站和移動臺就會同時連續(xù)不斷地發(fā)射信號，在接收設備中使用帶通濾波器只允許指定頻道里的能量通過，濾除其他頻率的信號，從而將需要的信號提取出來，而限制臨近信道之間的相互干擾。由于基站要同時和多個用戶進行通信，基站必須同時發(fā)射和接收多個不同頻率的信號；另外，任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經過基站的中轉，因而必須占用四個頻道才能實現雙向通信。

FDMA是最經典的多址技術之一，在第一代蜂窩移動通信網(如TACS、AMPS等)中使用了頻分多址。這種方式的特點是技術成熟，對信號功率的要求不嚴格。但是在系統(tǒng)設計中需要周密的頻率規(guī)劃，基站需要多部不同載波頻率的發(fā)射機同時工作，設備多且容易產生信道間的互調干擾，同時，由于沒有進行信道復用，信道效率很低。因此現在國際上蜂窩移動通信網已不再單獨使用FDMA，而是和其他多址技術結合使用。
在TDMA通信系統(tǒng)中，小區(qū)內的多個用戶可以共享一個載波頻率，分享不同時隙，這樣基站只需要一部發(fā)射機，可以避免像FDMA系統(tǒng)那樣因多部不同頻率的發(fā)射機同時工作而產生的互調干擾；但系統(tǒng)設備必須有精確的定時和同步來保證各移動臺發(fā)送的信號不會在基站發(fā)生重疊，并且能準確地在指定的時隙中接收基站發(fā)給它的信號。
TDMA技術廣泛應用于第二代移動通信系統(tǒng)中。在實際應用中，綜合采用FDMA和TDMA技術的，即首先將總頻帶劃分為多個頻道，再將一個頻道劃分為多個時隙，形成信道。例如GSM數字蜂窩標準采用200 kHz的FDMA頻道，并將其再分割成8個時隙，用于TDMA傳輸，如圖6.5所示。

　　3) 碼分多址方式(CDMA)
(1) 擴頻的概念。眾所周知，對于時域上的脈沖信號，其脈沖寬度越窄，頻譜就越寬。那么，如果用所需要傳送的信號信息去調制很窄的脈沖序列，就可以將信號的帶寬進行擴展。所謂擴頻調制，就是指用所需要傳送的原始信號去調制窄脈沖序列，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳原始信號本身需要的帶寬。其逆過程稱為解擴，即將這個寬帶信號還原成原始信號。這個窄脈沖序列稱為擴頻碼。如果用這樣一種擴頻后的無線信道來傳送無線信號，則由于信號擴展在非常寬的帶寬上，因此來自同一無線信道的用戶干擾就很小，使得多個用戶可以同時分享同一無線信道。
實現擴頻的方式有三種：直接序列擴頻、跳頻、跳時。其中CDMA系統(tǒng)中常用直接序列擴頻方式，它是指在發(fā)送端直接用一個寬帶的擴頻碼序列和原始信號相乘，以擴展信號的帶寬，而在接收端則用相同的擴頻碼和寬帶信號相乘進行解擴，從中還原出原始的信息，如圖6.6所示。只有知道該擴頻碼序列的接收機才能夠對收到的信號進行解擴，并恢復出原始數據。我們把原始信息的速率稱為信息速率，而把擴頻碼的速率稱為碼片速率，用chip表示。

(2)  CDMA中的碼序列。大家知道，在信息傳輸過程中，各種信號之間的差別越大越好，這樣相互之間不易發(fā)生干擾，也就不會發(fā)生誤判。要實現這一目標，最理想的信號形式是類似白噪聲的隨機信號，但真正的隨機信號或白噪聲是不能重復和再現的，實際應用中是用周期性的碼序列來逼近它的性能的。CDMA中采用偽隨機序列(稱為PN碼)作為擴頻碼，因為偽隨機序列具有近似白噪聲的特性，所以具有良好的相關性。CDMA系統(tǒng)中采用的偽隨機碼有m序列、Walsh函數等。
(3)  CDMA。CDMA通信系統(tǒng)中，所有用戶使用所有頻率和所有時間上都是重疊的。系統(tǒng)用不同的正交編碼序列來區(qū)分不同的用戶，如圖6.7所示。

CDMA中，不同的移動臺共同使用一個頻率，但是每個移動臺都被分配帶有一個的碼序列，與所有別的碼序列都不相同，所以各個用戶之間沒有干擾。在發(fā)送時，信號信息和該用戶的碼序列相乘進行擴頻調制，在接收端，接收器使用與發(fā)端同樣的碼序列對寬帶信號進行解擴，恢復出原始信號，而其他使用不同碼型的信號因為和接收機本地產生的碼型不同而不能被解調。這種多址技術因為是靠不同的碼序列來區(qū)分不同的移動臺，所以叫做碼分多址技術。
實際應用中，也是綜合采用FDMA和CDMA技術的，即首先將總頻帶劃分為多個頻道，再將一個頻道按碼字分割，形成信道。例如窄帶CDMA中，采用1.25 MHz的FDMA頻道，將其再進行碼字的分割，形成CDMA信道。
CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)與FDMA系統(tǒng)或TDMA系統(tǒng)相比具有更大的系統(tǒng)容量，更高的話音質量以及抗干擾、保密等優(yōu)點，因而近年來得到各個的普遍重視和關注。在第三代數字蜂窩移動通信系統(tǒng)中，無線傳輸技術將采用CDMA技術。
由上可見，蜂窩結構的通信系統(tǒng)特點是通信資源的重用。頻分多址系統(tǒng)是頻率資源的重用；時分多址系統(tǒng)是時隙資源的重用；碼分多址系統(tǒng)是碼型資源的重用。在實際應用中，一般是多種多址方式的結合使用。如GSM系統(tǒng)中，是FDMA/TDMA的結合使用；窄帶CDMA系統(tǒng)(IS-95)和3G中的寬帶碼分多址(WCDMA)中，采用的則是FDMA/CDMA方式。

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