通信工程師考試移動通信網(wǎng)中的基本技術(shù)

6.2.3  移動通信網(wǎng)中的基本技術(shù)
1．多址方式
當(dāng)把多個用戶接入一個公共的傳輸媒質(zhì)實現(xiàn)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(shù)稱為多址技術(shù)。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(wǎng)內(nèi)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(wǎng)內(nèi)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(shù)要解決的問題。多址技術(shù)是移動通信的基礎(chǔ)技術(shù)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(shè)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(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，因而必須占用四個頻道才能實現(xiàn)雙向通信。

FDMA是最經(jīng)典的多址技術(shù)之一，在第一代蜂窩移動通信網(wǎng)(如TACS、AMPS等)中使用了頻分多址。這種方式的特點是技術(shù)成熟，對信號功率的要求不嚴(yán)格。但是在系統(tǒng)設(shè)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(shè)備多且容易產(chǎn)生信道間的互調(diào)干擾，同時，由于沒有進行信道復(fù)用，信道效率很低。因此現(xiàn)在國際上蜂窩移動通信網(wǎng)已不再單獨使用FDMA，而是和其他多址技術(shù)結(jié)合使用。
在TDMA通信系統(tǒng)中，小區(qū)內(nèi)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(chǎn)生的互調(diào)干擾；但系統(tǒng)設(shè)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(zhǔn)確地在指定的時隙中接收基站發(fā)給它的信號。
TDMA技術(shù)廣泛應(yīng)用于第二代移動通信系統(tǒng)中。在實際應(yīng)用中，綜合采用FDMA和TDMA技術(shù)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(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(diào)制，就是指用所需要傳送的原始信號去調(diào)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(xiàn)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?qū)κ盏降男盘栠M行解擴，并恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。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(xiàn)這一目標(biāo)，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(fù)和再現(xiàn)的，實際應(yīng)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(guān)性。CDMA系統(tǒng)中采用的偽隨機碼有m序列、Walsh函數(shù)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(diào)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(fù)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(chǎn)生的碼型不同而不能被解調(diào)。這種多址技術(shù)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(shù)。
實際應(yīng)用中，也是綜合采用FDMA和CDMA技術(shù)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(zhì)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(guān)注。在第三代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中，無線傳輸技術(shù)將采用CDMA技術(shù)。
由上可見，蜂窩結(jié)構(gòu)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(yīng)用中，一般是多種多址方式的結(jié)合使用。如GSM系統(tǒng)中，是FDMA/TDMA的結(jié)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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