第12章多用户通信 第12章多用户通信 主要内容 ·多址技术 ·双工技术 ·多用户联合检测技术 ·多用户协作通信技术 12.1多址技术与通信网络 12.1.1多址技术概述 所谓多址接入技术(Multi-Access)是指多个用户通信时如何进行用户的标注识别和建立各 对用户之间的发送、接收关系的方法。 基本的多址方式： 随机竞争多址(Aloha)频分多址(FDMA,Frequency Division Multi-Access) 时分多址(TDMA,Time Division Multi-Access) 码分多址(CDMA,Code Division Multi-Access) 空分多址(SDMA,Space Division Multi-Access) 此外还有两种以上多址方式的各种组合形式。 12.1.2双工技术 双工技术是指一对通信终端之间实现双向通信的方式，有频分双工(FDD,Frequency Division Duplexing)和时分双工(TDD,Time Division Duplexing)两种基本的双工方式。 ()颜分双工 频分双工(DD)是指正向通路和反向通路采用两个互不重叠的频带实现的双工方式：这两 个频带之间必须留有充分宽的保护间隙，实现收发隔离，才能防止一个用户终端的发送信号泄 漏到自己的接收端，干扰自己对于对方信号的接收。 ②时分双工 时分双工(TDD)是指正向通路和反向通路采用两个互不重叠的时间间隔实现的双工方式： 时分双工一般采用电子开关自动实现，收发隔离度容易达到很高。 西安电子科技大学
第 12 章 多用户通信 西安电子科技大学 1 第 12 章 多用户通信 主要内容 z 多址技术 z 双工技术 z 多用户联合检测技术 z 多用户协作通信技术 12.1 多址技术与通信网络 12.1.1 多址技术概述 所谓多址接入技术(Multi-Access)是指多个用户通信时如何进行用户的标注识别和建立各 对用户之间的发送、接收关系的方法。 基本的多址方式： 随机竞争多址(Aloha) 频分多址(FDMA, Frequency Division Multi-Access) 时分多址(TDMA, Time Division Multi-Access) 码分多址(CDMA, Code Division Multi-Access) 空分多址(SDMA, Space Division Multi-Access) 此外还有两种以上多址方式的各种组合形式。 12.1.2 双工技术 双工技术是指一对通信终端之间实现双向通信的方式，有频分双工(FDD, Frequency Division Duplexing)和时分双工(TDD, Time Division Duplexing)两种基本的双工方式。 (1) 频分双工 频分双工(FDD)是指正向通路和反向通路采用两个互不重叠的频带实现的双工方式；这两 个频带之间必须留有充分宽的保护间隙，实现收发隔离，才能防止一个用户终端的发送信号泄 漏到自己的接收端，干扰自己对于对方信号的接收。 (2) 时分双工 时分双工(TDD)是指正向通路和反向通路采用两个互不重叠的时间间隔实现的双工方式； 时分双工一般采用电子开关自动实现，收发隔离度容易达到很高
第12章多用户通信 图12.1-1是实现A和B两个站进行TDD双向通信的帧结构示意图。设T和T分别为A站 的发送帧和接收帧的时长，T和T分别为B站的发送帧和接收帧的时长：设路径传输时延的最 大变化范围为[x-△：，：+△x]。综合考虑帧效率尽可能高、帧时延尽可能小两个因素，可根据：和 △x的相对大小，采用以下两种不同的懒结构方案实现。 图12.1-lTDD收发切换示意图 ①当△r≤r<(4~8)Ar时的TDD方案 选择T+T,+T+T多2x+△x,A站在1=0时刻开始连续发送一帧T时长的信息，B站从1=T-△x时刻 开始接收，持续接收T=T+2△的时间，但只接收其中了长的信号段：B站完成此信号段的接收之后切换到 发送，从1=π-△π+T时刻开始连续发送一顿T?时长的信息：A站在发送完前一顿的信号后切换到接收，从 1=T+r+△x时刻开始持续接收T,=(T+2△x)时间，但只接收其中T时长的一段信号。A站完成此段信号接 收之后切换到发送，发送第二顿T时长的信号：B站在发送完第一航信号之后切换为接收，从1=？-Ar+T+T 时刻开始接收A站发来的第二帧信号。两站如此交替地切换收发实现TDD通信：T和T的大小可以独立地 选择，因此可支持双向不对称的业务。其帧效率为 h=1-(2r+△x)/(T+T+2r+△r) (12.1-1) 当帧长较长时其顿效率可以接近于100% ②当r>(4~8)Ar时的TDD方案 选择T=T=t-2Ar,T=T=r+2△r；A和B站同时发送，同时接收，使帧效率达到更高，其帧结构如图 12.11()所示。A和B两站同时从1=△r时刻开始发送第一帧T或T长的信号，发送后都立即切换到接收，接 收持续T=T的时间，但贝接收其中T或T长的信号段。A和B两站完成第一顿的接收之后又都同时切换到发 送第二顿信号，如此重复实现TDD通信。 这种TDD方式只适于双向对称的业务，其顿效率为 n,=2T,1(2T+4△x)=(r-2Ar)1r (12.1-2) 当：多2△r时可获得很高的帧效率。这种TDD方式的突出特点是帧时延很小，因为它将帧处理时间与传输时 延重叠起来了。 西安电子科技大学 2
第 12 章 多用户通信 西安电子科技大学 2 图 12.1-1 是实现 A 和 B 两个站进行 TDD 双向通信的帧结构示意图。设Ts 和Tr 分别为 A 站 的发送帧和接收帧的时长，Ts ′ 和Tr ′ 分别为 B 站的发送帧和接收帧的时长；设路径传输时延的最 大变化范围为[τ − Δτ ,τ + Δτ ]。综合考虑帧效率尽可能高、帧时延尽可能小两个因素，可根据τ 和 Δτ 的相对大小，采用以下两种不同的帧结构方案实现。 图 12.1-1 TDD 收发切换示意图 ① 当Δ< Δ τ ≤τ τ (4 8) ～ 时的 TDD 方案 选择Ts +Tr +Ts ′ +Tr ′ 2τ + Δτ ，A 站在t =0 时刻开始连续发送一帧Ts 时长的信息，B 站从t =τ − Δτ 时刻 开始接收，持续接收Tr ′ =Ts ′ +2 Δτ 的时间，但只接收其中Ts 长的信号段；B 站完成此信号段的接收之后切换到 发送，从t =τ − Δτ +Tr ′ 时刻开始连续发送一帧Ts ′ 时长的信息；A 站在发送完前一帧的信号后切换到接收，从 t =Ts +τ + Δτ 时刻开始持续接收Tr =(Ts ′ +2 Δτ )时间，但只接收其中Ts ′ 时长的一段信号。A 站完成此段信号接 收之后切换到发送，发送第二帧Ts 时长的信号；B 站在发送完第一帧信号之后切换为接收，从t =τ − Δτ +Tr ′ +Ts ′ 时刻开始接收 A 站发来的第二帧信号。两站如此交替地切换收发实现 TDD 通信；Ts 和Ts ′ 的大小可以独立地 选择，因此可支持双向不对称的业务。其帧效率为 ηf =1−( 2τ + Δτ )/(Ts +Ts ′ +2τ + Δτ ) (12.1-1) 当帧长较长时其帧效率可以接近于 100%。 ② 当τ > Δ (4 8) ～ τ 时的 TDD 方案 选择Ts =Ts ′ =τ − 2 Δτ ，Tr =Tr ′ =τ +2 Δτ ；A 和 B 站同时发送，同时接收，使帧效率达到更高，其帧结构如图 12.1-1(b)所示。A 和 B 两站同时从t = Δτ 时刻开始发送第一帧Ts 或Ts ′ 长的信号，发送后都立即切换到接收，接 收持续Tr =Tr ′ 的时间，但只接收其中Ts 或Ts ′ 长的信号段。A 和 B 两站完成第一帧的接收之后又都同时切换到发 送第二帧信号，如此重复实现 TDD 通信。 这种 TDD 方式只适于双向对称的业务，其帧效率为 ηf =2Ts /(2Ts +4 Δτ )=( 2 )/ τ − Δτ τ (12.1-2) 当τ 2Δτ 时可获得很高的帧效率。这种 TDD 方式的突出特点是帧时延很小，因为它将帧处理时间与传输时 延重叠起来了
第12章多用户通信 TDD方式除了收发隔离度容易做到很高之外，还有当双向业务量相差很大时便于调配，以 及收发信道的特性具有互易对称性等优点，因此在3G或4G宽带移动通信中得到了广泛的应用。 (3)半双工方式 半双工也是一种时分双工，是人为手动地实现收发切换，而不是基于电子开关自动切换的 双工方式。 12.13通信网的拓扑结构 采用多址技术可以构成各种拓扑结构的通信网， ()星形网 星形网，也称一点对多点的通信系统，它是由一个中心站(Hb)与多个小站之间的单向或双 向通信链路构成的。由中心站到各个小站的传输链路称正向链路(Forward Link或Outband Link),由各个小站到中心站的传输链路称为反向链路(Return Link或Inbound Link),小站之间 的通信通过中心站中继转发。 在卫星通信中，中心站与各个小站都是地面站（或机载站），其正向或反向传输链路都包含 有两段，即由地面站到卫星中继设备的上行链路(Uplink)和由卫星中继设备到地面站的下行链 路(downlink)。 (2)网状网 网状网(Msh网)是一种没有中心站的多点对多点的通信系统：如果网络中任意两个用户站 (通信终端)都存在直接传输链路，则构成的是全连接的网状网，否则是部分连接的网状网。 多个通信终端也可通过一个中继节点（如卫星透明转发器）而构成网状网，这时一对通信终 端之间的传输链路只有相对于中继节点的上行和下行两段链路。 (③)混合型拓扑结构通信网 星形网与网状网可以混合起来构成混合型拓扑结构的通信网，例如树形结构的网络添加 些直通链路就可以构成混合型网络，网状网增加一些Hb节点也可以构成混合型网络。 ()拓扑结构随时间而变的通信网 ①漫游型通信网： 一般是指具有用户漫游功能的蜂窝形移动通信网或集群通信系统。用户终端可以在不同的 蜂窝型星形子网之间漫游，保持与网中另一个用户终端进行通信。 ②存储转发型通信网： 一般是借助一个移动的中继节点构成的通信网。例如以低轨道卫星作为移动的中继节点， 卫星每到一个地区接收并存储可视区域内的地面站发送的信息，同时从它在以前接收和存储的 西安电子料技大学
第 12 章 多用户通信 西安电子科技大学 3 TDD 方式除了收发隔离度容易做到很高之外，还有当双向业务量相差很大时便于调配，以 及收发信道的特性具有互易对称性等优点，因此在3G或4G宽带移动通信中得到了广泛的应用。 (3) 半双工方式 半双工也是一种时分双工，是人为手动地实现收发切换，而不是基于电子开关自动切换的 双工方式。 12.1.3 通信网的拓扑结构 采用多址技术可以构成各种拓扑结构的通信网。 (1) 星形网 星形网，也称一点对多点的通信系统，它是由一个中心站(Hub)与多个小站之间的单向或双 向通信链路构成的。由中心站到各个小站的传输链路称正向链路(Forward Link 或 Outband Link)，由各个小站到中心站的传输链路称为反向链路(Return Link 或 Inbound Link)，小站之间 的通信通过中心站中继转发。 在卫星通信中，中心站与各个小站都是地面站(或机载站)，其正向或反向传输链路都包含 有两段，即由地面站到卫星中继设备的上行链路(Uplink)和由卫星中继设备到地面站的下行链 路(downlink)。 (2) 网状网 网状网(Mesh 网)是一种没有中心站的多点对多点的通信系统；如果网络中任意两个用户站 (通信终端)都存在直接传输链路，则构成的是全连接的网状网，否则是部分连接的网状网。 多个通信终端也可通过一个中继节点(如卫星透明转发器)而构成网状网，这时一对通信终 端之间的传输链路只有相对于中继节点的上行和下行两段链路。 (3) 混合型拓扑结构通信网 星形网与网状网可以混合起来构成混合型拓扑结构的通信网，例如树形结构的网络添加一 些直通链路就可以构成混合型网络，网状网增加一些 Hub 节点也可以构成混合型网络。 (4) 拓扑结构随时间而变的通信网 ① 漫游型通信网： 一般是指具有用户漫游功能的蜂窝形移动通信网或集群通信系统。用户终端可以在不同的 蜂窝型星形子网之间漫游，保持与网中另一个用户终端进行通信。 ② 存储转发型通信网： 一般是借助一个移动的中继节点构成的通信网。例如以低轨道卫星作为移动的中继节点， 卫星每到一个地区接收并存储可视区域内的地面站发送的信息，同时从它在以前接收和存储的
第12章多用户通信 其他区域地面站发送的信息中，挑选出其目的站点位于本区域内的信息进行转发。 ③移动自组织网络(Ad Hoc): Ad Hoc是一种多跳的临时性自治化系统。一方面网络信息采用分组交换机制，各个用户终 端是可以移动的无线便携式终端，每个终端都兼有主机和路由器两种功能；另一方面其网络拓 扑结构可以动态变化，没有严格的控制中心，所有节点的地位平等，节点可以随时加入或离开， 节点之间的通信可以通过多跳路由实现。 12.2各种基本多址方式的主要特点和应用 12.2.1随机接入多址(Aloha) ()基本协议 Aloa的基本原理是：多个用户随机地发送一个又一个的数据分组给同一个站接收，接收站 每一时段只能接收一个用户的信息，因此有些分组被成功接收，另一些分组因相互碰撞而接收 失败：接收站将接收成败的信息反馈发送给各个发送用户，当用户得知当前分组被成功接收时 就接着发送下一个分组；如果没有成功传输则随机地延迟一段时间再重新发送这个分组，直至 成功。 Aloha系统有同步Aloha和异步Aloha两种典型的系统，或分别称为时隙Aloha和纯Aloha。 (2)纯Aloha的数据吞吐率 设分组发送的起始时间是泊松过程，其平均速率为元个分组/秒，令T,表示一个分组的持续 时间，则归一化信道业务量G定义为 G=江。 (12.2-1) 设冲突的分组延迟r后重发，随机数x的PDF为 p(r)=ae-a (12.2-2) 其中a为某个常数。令为分组成功发送时 的速率， 则归一化信道吞吐量为 S=AT。 0.8 (12.2-3) 按照泊松分布，分组不重叠的概率为 e2”=e26,于是S与G的关系为 S=Ge 2G ALOHA (12.2-4) 此关系曲线如图12.2-1所示，最大值为 0.1 10 Sax=1/ 2e=0.184(分组/时隙)。 图12.2-1 Aloha系统的数据吞吐率 (仔)时隙Aloha的数据吞吐率 西安电子科技大学
第 12 章 多用户通信 西安电子科技大学 4 其他区域地面站发送的信息中，挑选出其目的站点位于本区域内的信息进行转发。 ③ 移动自组织网络(Ad Hoc)： Ad Hoc 是一种多跳的临时性自治化系统。一方面网络信息采用分组交换机制，各个用户终 端是可以移动的无线便携式终端，每个终端都兼有主机和路由器两种功能；另一方面其网络拓 扑结构可以动态变化，没有严格的控制中心，所有节点的地位平等，节点可以随时加入或离开， 节点之间的通信可以通过多跳路由实现。 12.2 各种基本多址方式的主要特点和应用 12.2.1 随机接入多址(Aloha) (1) 基本协议 Aloha 的基本原理是：多个用户随机地发送一个又一个的数据分组给同一个站接收，接收站 每一时段只能接收一个用户的信息，因此有些分组被成功接收，另一些分组因相互碰撞而接收 失败；接收站将接收成败的信息反馈发送给各个发送用户，当用户得知当前分组被成功接收时 就接着发送下一个分组；如果没有成功传输则随机地延迟一段时间再重新发送这个分组，直至 成功。 Aloha 系统有同步 Aloha 和异步 Aloha 两种典型的系统，或分别称为时隙 Aloha 和纯 Aloha。 (2) 纯 Aloha 的数据吞吐率 设分组发送的起始时间是泊松过程，其平均速率为λ 个分组/秒，令Tp 表示一个分组的持续 时间，则归一化信道业务量G 定义为 G T = λ p (12.2-1) 设冲突的分组延迟τ 后重发，随机数τ 的 PDF 为 () e a p a τ τ − = (12.2-2) 其中 a 为某个常数。令λ′为分组成功发送时 的速率， 则归一化信道吞吐量为 p S T = λ′ (12.2-3) 按照泊松分布，分组不重叠的概率为 p 2 2 e e − λT − G = ，于是S 与G 的关系为 2 e G S G − = (12.2-4) 此关系曲线如图 12.2-1 所示，最大值为 max S =1/ 2e 0.184 = (分组/时隙)。 (3) 时隙 Aloha 的数据吞吐率 图 12.2-1 Aloha 系统的数据吞吐率
第12章多用户通信 时隙Aoa协议是用户只能在周期性重复出现的特定时隙内发送分组，而不是任意时刻都 可开始发送。设第1个用户在某个时隙内发送一个分组的概率为G,则K个用户总的归一化流 入信道业务量为： G-G (12.2-5) 设某一时隙发送一个分组被无冲突地成功接收的概率为S≤G,那么归一化的信道吞吐率为 S=>s (12.2-6) 因为第í个用户分组与另一个用户分组不发生冲突的概率为 e-11a-G) (12.2-7) 因此 S,=GQ (12.2-8) 考虑K个相同的用户，可得S=S1K,G,=G1K S=G(I-G/K- (12.2-9) 令K→D,则得 S=Ge-G (12.2-10) 其最大值为S=11e=0.368(分组/时隙)。 12.2.2频分多址(FDMA) 频分多址是基于带通滤波器分割用户子信道的多址接入技术，每个用户在指定的频带内发 送信号，接收端采用带通滤波器选出希望接收的用户信号。 ()系统的容量和功率控制 各条子信道基本上相互独立，系统总的信道容量近似等于各个子信道的容量之和。各个用 户子信道之间的分隔性能（即隔离度）容易达到很好的效果，一般要求子信道之间的功率泄漏小 于-40B。设总带宽为W,划分为N条子信道，各条子信道的容量为 C. n=1,2.,N (12.2-11a) N条子信道总容量之和为 n=1,2,N (12.2-11b) 原理上各条子信道的发射功率可在一定范围内随意增大，FDMA系统的总容量也可在相应 的范围内随之增大。 西安电子科技大学
第 12 章 多用户通信 西安电子科技大学 5 时隙 Aloha 协议是用户只能在周期性重复出现的特定时隙内发送分组，而不是任意时刻都 可开始发送。设第i 个用户在某个时隙内发送一个分组的概率为Gi ，则 K 个用户总的归一化流 入信道业务量为： 1 K i i G G = =∑ (12.2-5) 设某一时隙发送一个分组被无冲突地成功接收的概率为 i i S G ≤ ，那么归一化的信道吞吐率为 1 K i i S S = =∑ (12.2-6) 因为第i 个用户分组与另一个用户分组不发生冲突的概率为 1, (1 ) K i j j ij Q G = ≠ = − ∏ (12.2-7) 因此 i ii S GQ = (12.2-8) 考虑 K 个相同的用户，可得 / i S SK = ， / G GK i = 1 (1 / )K S G GK − = − (12.2-9) 令 K → ∞，则得 e G S G − = (12.2-10) 其最大值为 max S = = 1/ e 0.368 (分组/时隙)。 12.2.2 频分多址(FDMA) 频分多址是基于带通滤波器分割用户子信道的多址接入技术，每个用户在指定的频带内发 送信号，接收端采用带通滤波器选出希望接收的用户信号。 (1) 系统的容量和功率控制 各条子信道基本上相互独立，系统总的信道容量近似等于各个子信道的容量之和。各个用 户子信道之间的分隔性能(即隔离度)容易达到很好的效果，一般要求子信道之间的功率泄漏小 于−40dB。设总带宽为 W，划分为 N 条子信道，各条子信道的容量为 0 log 1 (/) n n W P C N NW N ⎡ ⎤ = + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ n N =1,2, , " (12.2-11a) N 条子信道总容量之和为 1 0 log 1 (/) N n n W P C = N NW N ⎡ ⎤ = + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ∑ n N =1,2, , " (12.2-11b) 原理上各条子信道的发射功率可在一定范围内随意增大，FDMA 系统的总容量也可在相应 的范围内随之增大