无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室
2001年 12月 1日第八讲无线通信的多址技术 （ 1）
内容提要
概述
频分多址（ FDMA）
时分多址（ TDMA）
码分多址（ CDMA）
空分多址（ SDMA）
概述多址传输模型 (1)
共有 N个地址，第 k个地址发送的信号为：
其中 skj(t)为 k?j的信号,akj =1或 0
k 多址信道
sk(t)
rk(t)
N
kj
j
kjkjk tsats
1
)()(
多址传输模型 (2)
第 k个地址接收的信号为：
其中 Lik为 i?k的传输系数,nk(t)为 k的接收机噪声。
说明：
N
i
N
j
kijijikk tntsaLtr
1 1
)()()(
多址传输模型 (3)
要实现多址通信，必需在 k站分离出其它各站送给它的信号：
rk(t)
M1k(?)
M2k(?)
MNk(?)
s1k(t)
s2k(t)
sNk(t)
多址传输模型 (4)
图中 Mnk(?)是对 r(t)进行某种运算的算符，在不考虑噪声的情况下：
多址传输的主要问题是选择合适的波形集 sij(t)和相应的算符集 Mnk(?),以满足正交分割的要求。
kjni
kjnits
tsM nkijnk
,,0
,),(
)(
信号分割技术
信号的分割
–正交
FDMA
TDMA
SDMA
–非正交
CDMA
双工技术
多址还要考虑双工方式
– FDD：收发频率分开、接收和发送通过滤波器来完成；
–特点：合理安排频率；
– TDD：收发共用一个频率、接收和发送通过开关来完成；
–特点：收发存在时间间隔。
各种系统
双工方式和多址方式要统一考虑；
主要多址方式,FDMA,TDMA,CDMA；
窄带系统采用方式：
– FDMA/FDD,TDMA/FDD,TDMA/TDD；
宽带系统采用方式：
– TDMA,CDMA/FDD,TDD；
空分多址（ SDMA） 是一种辅助方式。
各种系统（续）
CDMA/FDD美国窄带扩频（ IS－ 95）
TDMA/TDD欧洲数字无绳电话（ DECT）
FDMA/TDDCT2（无绳电话）
TDMA/FDD日本数字蜂窝（ JDC）
TDMA/FDD美国数字蜂窝（ USDC）
TDMA/FDD全球移动通信系统（ GSM）
FDMA/FDD高级移动电话系统（ AMPS）
多址技术蜂窝移动 通信系统频分多址工作原理
这是频率域上的正交分割。信号集采用在频谱上互不重叠载频，算符集采用不同载频的带通滤波器。
f1 f2 f3 f4 f5 f6
f5
Sij(f)
Mnk(?)
f
f
工作原理（续）
这时,n?k的选址输出为：
tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
或,
,,
1 1
信道配置
FDMA/FDD,TDD信道配置图代码时间频率信道
1
信道
2
信道
3
信道n
技术特点
FDMA通常在窄带系统实现；
符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；
不间断发送，系统额外开销少；
系统简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰，
消除基站的杂散 辐射。
信道非线性是 FDMA系统的主要矛盾。
FDMA的非线性效应
由于发射机功率放大器的非线性，会产生：
频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，
会产生频谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。
信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，
会产生大信号抑制小信号的现象，影响通信效果。
交调噪声：多载波的发送信号经过非线性信道，
在发送信号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成干扰。
交调举例
例,IM＝ mf1+nf2,m,n为任意整数，如：
f1=930MHz,f2=932MHz，求落在工作频率为 1920～
1940MHz的交调频率。
解：可能的频率有,（ 2n+1） f1（ 2）－ 2nf2（ 1），
（ 2n+2） f1（ 2）－（ 2n+1） f2（ 1）等等，
n=0,1,2….
1946*1942*19381934
1944*194019361932
1916192019241928
1918192219261930
n=3n=2n=1n=0
关键技术问题
需要很好解决信道的非线性问题
目标：希望保持发送频谱的形状，主瓣不会展宽，旁瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率分量。
方法：
（ 1）采用高线性度的功率放大器；
（ 2）合理配置频率避开交调分量；
（ 3）功率放大器的输出功率倒退法；
（ 4）功率放大器的线性补偿法。
典型应用举例
美国 AMPS系统,FDMA/FDD，模拟窄带调频（ NBFM），按需分配频率；
同时支持的信道数：
N＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
Bt 系统带宽,Bc信道带宽,B保护 为分配频率时的保护带宽。
典型应用举例（续）
例：如 Bt为 12.5MHz,B保护 为 10KHz,Bc
为 30KHz，求 FDMA系统的有效信道数。
解,N＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
将上述数值代入即有 N＝ 416
时分多址工作原理
这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符集采用相应时隙的选择开关。
t1 t2 t3 t4 t5
t4
t
t
sij(t)
Mnk(?)
工作原理（续）
这时,n?k的选址输出为：
tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
或,
,,
1 1
信道配置
TDMA/TDD,FDD
信道配置图 代码时隙时间频率信道 N
信道 1
信道 2
信道 3
TDMA帧结构
TDMA帧头比特 信息 尾比特时隙 1 时隙 2 时隙 3 时隙 n……
尾比特 同步比特 信息数据 保护比特技术特点
多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和调制技术等；
数据分组发送，不连续发送，需开关；
由于速率较高，往往需要采用均衡器；
系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等；
采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。
TDMA的效率
系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销；
帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。
TDMA系统的信道数
总的信道数：总的 TDMA时隙数。即每一信道的 TDMA时隙数乘以有效信道数。
N＝ (m(Btot－ 2B保护 ))/Bc
m为每个信道所支持的 TDMA用户数,Btot信道带宽,B保护 保护带宽,Bc用户带宽。
应用举例例,GSM系统，总带宽 25MHz，一个信道
200KHz，具有 8个 TDMA用户，未设保护带宽，求总用户数。
解,Bc＝ 200/8＝ 25KHz
N＝ 25× 106 /25 × 103＝ 1000
TDMA的关键技术问题
数据缓冲技术
突发解调技术
分帧同步技术
实现均匀?突发和突发?均匀的变换数据缓冲技术发缓冲收缓冲发送均匀数据 发送突发数据接收突发数据 接收突发数据
关键技术是解调过程中的载波快速同步与时钟快速同步。
载波快速同步的一种方法：延时相干解调
时钟快速同步的一种方法：步进相位选择突发解调技术
分帧同步系统的重要性
分帧同步的指标：建立时间、保持时间、
同步精度
分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率
为了减少传播延时变化所带来的影响，
需要采用自适应时隙跟踪方法分帧同步技术
2001年 12月 1日第八讲无线通信的多址技术 （ 1）
内容提要
概述
频分多址（ FDMA）
时分多址（ TDMA）
码分多址（ CDMA）
空分多址（ SDMA）
概述多址传输模型 (1)
共有 N个地址，第 k个地址发送的信号为：
其中 skj(t)为 k?j的信号,akj =1或 0
k 多址信道
sk(t)
rk(t)
N
kj
j
kjkjk tsats
1
)()(
多址传输模型 (2)
第 k个地址接收的信号为：
其中 Lik为 i?k的传输系数,nk(t)为 k的接收机噪声。
说明：
N
i
N
j
kijijikk tntsaLtr
1 1
)()()(
多址传输模型 (3)
要实现多址通信，必需在 k站分离出其它各站送给它的信号：
rk(t)
M1k(?)
M2k(?)
MNk(?)
s1k(t)
s2k(t)
sNk(t)
多址传输模型 (4)
图中 Mnk(?)是对 r(t)进行某种运算的算符，在不考虑噪声的情况下：
多址传输的主要问题是选择合适的波形集 sij(t)和相应的算符集 Mnk(?),以满足正交分割的要求。
kjni
kjnits
tsM nkijnk
,,0
,),(
)(
信号分割技术
信号的分割
–正交
FDMA
TDMA
SDMA
–非正交
CDMA
双工技术
多址还要考虑双工方式
– FDD：收发频率分开、接收和发送通过滤波器来完成；
–特点：合理安排频率；
– TDD：收发共用一个频率、接收和发送通过开关来完成；
–特点：收发存在时间间隔。
各种系统
双工方式和多址方式要统一考虑；
主要多址方式,FDMA,TDMA,CDMA；
窄带系统采用方式：
– FDMA/FDD,TDMA/FDD,TDMA/TDD；
宽带系统采用方式：
– TDMA,CDMA/FDD,TDD；
空分多址（ SDMA） 是一种辅助方式。
各种系统（续）
CDMA/FDD美国窄带扩频（ IS－ 95）
TDMA/TDD欧洲数字无绳电话（ DECT）
FDMA/TDDCT2（无绳电话）
TDMA/FDD日本数字蜂窝（ JDC）
TDMA/FDD美国数字蜂窝（ USDC）
TDMA/FDD全球移动通信系统（ GSM）
FDMA/FDD高级移动电话系统（ AMPS）
多址技术蜂窝移动 通信系统频分多址工作原理
这是频率域上的正交分割。信号集采用在频谱上互不重叠载频，算符集采用不同载频的带通滤波器。
f1 f2 f3 f4 f5 f6
f5
Sij(f)
Mnk(?)
f
f
工作原理（续）
这时,n?k的选址输出为：
tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
或,
,,
1 1
信道配置
FDMA/FDD,TDD信道配置图代码时间频率信道
1
信道
2
信道
3
信道n
技术特点
FDMA通常在窄带系统实现；
符号时间远大于延时扩展，不需要均衡；
不间断发送，系统额外开销少；
系统简单，但需要双工器，同时需要精确的射频带通滤波器来消除相邻信道干扰，
消除基站的杂散 辐射。
信道非线性是 FDMA系统的主要矛盾。
FDMA的非线性效应
由于发射机功率放大器的非线性，会产生：
频谱展宽：单载波的发送信号经过非线性信道，
会产生频谱展宽，并将对相邻信道造成干扰。
信号抑制：多载波的发送信号经过非线性信道，
会产生大信号抑制小信号的现象，影响通信效果。
交调噪声：多载波的发送信号经过非线性信道，
在发送信号频率以外会产生交调噪声，并将对其它的业务信道造成干扰。
交调举例
例,IM＝ mf1+nf2,m,n为任意整数，如：
f1=930MHz,f2=932MHz，求落在工作频率为 1920～
1940MHz的交调频率。
解：可能的频率有,（ 2n+1） f1（ 2）－ 2nf2（ 1），
（ 2n+2） f1（ 2）－（ 2n+1） f2（ 1）等等，
n=0,1,2….
1946*1942*19381934
1944*194019361932
1916192019241928
1918192219261930
n=3n=2n=1n=0
关键技术问题
需要很好解决信道的非线性问题
目标：希望保持发送频谱的形状，主瓣不会展宽，旁瓣不会隆起；此外，不会在其它频率上产生交调频率分量。
方法：
（ 1）采用高线性度的功率放大器；
（ 2）合理配置频率避开交调分量；
（ 3）功率放大器的输出功率倒退法；
（ 4）功率放大器的线性补偿法。
典型应用举例
美国 AMPS系统,FDMA/FDD，模拟窄带调频（ NBFM），按需分配频率；
同时支持的信道数：
N＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
Bt 系统带宽,Bc信道带宽,B保护 为分配频率时的保护带宽。
典型应用举例（续）
例：如 Bt为 12.5MHz,B保护 为 10KHz,Bc
为 30KHz，求 FDMA系统的有效信道数。
解,N＝（ Bt－ 2B保护 ） /Bc
将上述数值代入即有 N＝ 416
时分多址工作原理
这是时间域上的正交分割。信号集按不同的时隙进行分割，并让各个地址的信号在时间上互不重叠。算符集采用相应时隙的选择开关。
t1 t2 t3 t4 t5
t4
t
t
sij(t)
Mnk(?)
工作原理（续）
这时,n?k的选址输出为：
tntMtsaLtrM
kjnio
kjnits
tstM
tntMtstMaL
trtMtrM
knknknknkknk
nk
ijnk
knk
N
i
N
ji
j
ijnkijik
knkknk
或,
,,
1 1
信道配置
TDMA/TDD,FDD
信道配置图 代码时隙时间频率信道 N
信道 1
信道 2
信道 3
TDMA帧结构
TDMA帧头比特 信息 尾比特时隙 1 时隙 2 时隙 3 时隙 n……
尾比特 同步比特 信息数据 保护比特技术特点
多用户共享一个载波频率，时隙数取决于有效带宽和调制技术等；
数据分组发送，不连续发送，需开关；
由于速率较高，往往需要采用均衡器；
系统开销大，包括保护时隙、同步时隙等；
采用时隙重新分配的方法，为用户提高所需要的带宽。
TDMA的效率
系统效率：在发射数据中信息所占的百分比，不包括系统开销；
帧效率：发送数据比特在一帧中所占的百分比。
TDMA系统的信道数
总的信道数：总的 TDMA时隙数。即每一信道的 TDMA时隙数乘以有效信道数。
N＝ (m(Btot－ 2B保护 ))/Bc
m为每个信道所支持的 TDMA用户数,Btot信道带宽,B保护 保护带宽,Bc用户带宽。
应用举例例,GSM系统，总带宽 25MHz，一个信道
200KHz，具有 8个 TDMA用户，未设保护带宽，求总用户数。
解,Bc＝ 200/8＝ 25KHz
N＝ 25× 106 /25 × 103＝ 1000
TDMA的关键技术问题
数据缓冲技术
突发解调技术
分帧同步技术
实现均匀?突发和突发?均匀的变换数据缓冲技术发缓冲收缓冲发送均匀数据 发送突发数据接收突发数据 接收突发数据
关键技术是解调过程中的载波快速同步与时钟快速同步。
载波快速同步的一种方法：延时相干解调
时钟快速同步的一种方法：步进相位选择突发解调技术
分帧同步系统的重要性
分帧同步的指标：建立时间、保持时间、
同步精度
分帧同步质量影响保护时隙多少，因而影响系统效率
为了减少传播延时变化所带来的影响，
需要采用自适应时隙跟踪方法分帧同步技术
