第12章多用户通信 (2)多载波互调干扰 在基于一个透明转发中继节点构成的FDMA系统中，例如卫星通信系统，FDMA方式的 一个严重问题是，有可能存在信号的多载波互调失其，并因此而产生用户间相互干扰。 多载波调制信号，其峰平功率比较高，而转发器功率放大器的线性动态范围有限，难免因 限幅而产生非线性失真。这种失真具有互调性质，产生出各个频率分量的组合频率分量，例如 ±”，/，当%±m,等于奇数时，基数阶互调分量的频率范围可能落在通信频带之内而成为互调 干扰。 互调干扰严重时可使整个系统的数据吞吐率急剧下降FDMA系统用户数越多，互调干扰 问题越严重。理论分析和实践证明，当一个透明转发器划分为15个以上频带时，互调干扰就已 十分显著。除非转发器功率大幅度回退，降低信号被限幅的概率，否则整个系统就可能无法正 常工作；当然转发器功率回退也会使链路传输性能降低。 12.2.3时分多址TDMA) 时分多址是基于时域分割用户子信道的多址接入方式。TDM系统利用基准站周期性地重 复发送的参考突发作为每帧的起点，将时间轴划分为等长的时间帧，每帧划分为K个时隙，K个 用户分别在指定的时隙中发送或接收信号。 ()TDMA系统的容量 N个用户时隙、总带宽为W的TDMA用户系统的信道总容量也是各个子信道的容量之和， 也可以用式(12.2-2)描述：不过各个用户在整个W宽的频带中发送信号，但每帧只在1W帧间 隔的时隙中发射突发信号，其峰值功率等于平均功率的N倍。 原理上也允许各个用户在一定的范围内随意增加发射功率来增大信道容量，因为各条子信 道是相互独立的，子信道之间的隔离度应该保证互不干扰。 (2)TDMA的帧效率和帧时延 由于每帧的N个时隙之间必须留有足够长的保护间隙，以避免因同步误差而引起子信道之 间的相互泄漏干扰，因此帧长选择得越大，保护间隙所用开销的比例越小，帧效率越高。但是 帧长越长时延也相应增大，每帧需要缓存的数据量加大。 (③)TDMA系统的同步 TDMA系统的同步有开环同步和闭环同步两种方式，当传输时延比帧时隙时长小得多，或 允许时延误差较大时，可采用开环同步方式。用户站在接收到中心站发送的参考突发后，估算 本站延迟发送的时间进行发送，确保到达中心站的时间处于指定的时隙内。 当传输时延较大，同步精度要求较高时，必须采用闭环同步法。闭环同步经粗同步和细同 西安电子科技大学
第 12 章 多用户通信 西安电子科技大学 6 (2) 多载波互调干扰 在基于一个透明转发中继节点构成的 FDMA 系统中，例如卫星通信系统，FDMA 方式的 一个严重问题是，有可能存在信号的多载波互调失真，并因此而产生用户间相互干扰。 多载波调制信号，其峰平功率比较高，而转发器功率放大器的线性动态范围有限，难免因 限幅而产生非线性失真。这种失真具有互调性质，产生出各个频率分量的组合频率分量，例如 ii j j nf nf ± ，当 i j n n ± 等于奇数时，基数阶互调分量的频率范围可能落在通信频带之内而成为互调 干扰。 互调干扰严重时可使整个系统的数据吞吐率急剧下降；FDMA 系统用户数越多，互调干扰 问题越严重。理论分析和实践证明，当一个透明转发器划分为 15 个以上频带时，互调干扰就已 十分显著。除非转发器功率大幅度回退，降低信号被限幅的概率，否则整个系统就可能无法正 常工作；当然转发器功率回退也会使链路传输性能降低。 12.2.3 时分多址(TDMA) 时分多址是基于时域分割用户子信道的多址接入方式。TDMA 系统利用基准站周期性地重 复发送的参考突发作为每帧的起点，将时间轴划分为等长的时间帧，每帧划分为 K 个时隙，K 个 用户分别在指定的时隙中发送或接收信号。 (1) TDMA 系统的容量 N 个用户时隙、总带宽为 W 的 TDMA 用户系统的信道总容量也是各个子信道的容量之和， 也可以用式(12.2-2)描述；不过各个用户在整个 W 宽的频带中发送信号，但每帧只在 1/N 帧间 隔的时隙中发射突发信号，其峰值功率等于平均功率的 N 倍。 原理上也允许各个用户在一定的范围内随意增加发射功率来增大信道容量，因为各条子信 道是相互独立的，子信道之间的隔离度应该保证互不干扰。 (2) TDMA 的帧效率和帧时延 由于每帧的 N 个时隙之间必须留有足够长的保护间隙，以避免因同步误差而引起子信道之 间的相互泄漏干扰，因此帧长选择得越大，保护间隙所用开销的比例越小，帧效率越高。但是 帧长越长时延也相应增大，每帧需要缓存的数据量加大。 (3) TDMA 系统的同步 TDMA 系统的同步有开环同步和闭环同步两种方式，当传输时延比帧时隙时长小得多，或 允许时延误差较大时，可采用开环同步方式。用户站在接收到中心站发送的参考突发后，估算 本站延迟发送的时间进行发送，确保到达中心站的时间处于指定的时隙内。 当传输时延较大，同步精度要求较高时，必须采用闭环同步法。闭环同步经粗同步和细同
第12章多用户通信 步两个阶段，然后进入同步保持阶段。用户站在接收到中心站发送的参考突发后，估算本站预 计发送的时间来发送突发信息，然后检测实际到达中心站的时间，并估计与规定时隙之间的偏 差，下次发送时间按照消除此偏差之后的时间发送突发信息：同步保持阶段不断检测突发到达 时间的偏差，不断修正发送时间，这就是闭环同步。 ()限制TDMA系统用户数的主要因素 TDMA系统每帧的时隙数不能太多，否则要求用户发射峰值功率很高，因此要求用户数最 多只能有十来个。要扩大用户容量可结合FDMA,这就是MF-TDMA,它可使用户容量扩大几 十倍：如果再结合空分多址、码分多址，还可进一步扩大到上万个用户。 12.2.4码分多址1,2 ()CDMA系统的主要特点和应用 码分多址(CDMA)系统是基于扩频码的正交性而识别不同用户发送信号的多址方式，其各 个用户的信号在时域和频域都是相互重叠的，因此它是一种自干扰系统，它完全依靠各个用户 PN码的正交性分别检测各个用户的信息，难免因正交性不好相互干扰，称为多址干扰，多址干 扰有可能严重限制系统容量的提高。 CDMA系统的用户数容量不像FDMA和TDMA那样是硬性受限的，而是一种软容量： 个同步CDMA系统在各用户码的相互正交性较好的情况下，允许在线通信的用户数超出额定用 户数。 ●CDMA子信道之间的隔离度 CDMA依靠用户特征码(PN码)的相互正交性来分割各个用户子信道。对于K个用户的 CDMA系统，其K个PN码的自相关和互相关系数为 飞=艺aopm-6 = 4=l,2.,K (12.2-12) 如果要使子信道之间的信号功率泄漏小于-40B,则意味者互相关系数 Rl==6k1100K-1切 (12.2-13) 这样高的分隔性要求，即使是同步CDMA系统也不容易确保。它不像频域或时域分割为子信道 那样，只是相邻子信道间相互泄漏最严重，而是每个子信道都同时受到所有其他K-1个子信道 中信号的泄漏干扰。这是CDMA系统的重要特点。 ●远近效应 CDM系统存在明显的远近效应，当接收远处用户的弱信号时难免被近处用户的强信号淹 没。这就需要进行很好的功率控制，使接收到的远处和近处用户功率的差异尽可能小。 西安电子科技大学
第 12 章 多用户通信 西安电子科技大学 7 步两个阶段，然后进入同步保持阶段。用户站在接收到中心站发送的参考突发后，估算本站预 计发送的时间来发送突发信息，然后检测实际到达中心站的时间，并估计与规定时隙之间的偏 差，下次发送时间按照消除此偏差之后的时间发送突发信息；同步保持阶段不断检测突发到达 时间的偏差，不断修正发送时间，这就是闭环同步。 (4) 限制 TDMA 系统用户数的主要因素 TDMA 系统每帧的时隙数不能太多，否则要求用户发射峰值功率很高，因此要求用户数最 多只能有十来个。要扩大用户容量可结合 FDMA，这就是 MF-TDMA，它可使用户容量扩大几 十倍；如果再结合空分多址、码分多址，还可进一步扩大到上万个用户。 12.2.4 码分多址[1,2] (1) CDMA 系统的主要特点和应用 码分多址(CDMA)系统是基于扩频码的正交性而识别不同用户发送信号的多址方式，其各 个用户的信号在时域和频域都是相互重叠的，因此它是一种自干扰系统，它完全依靠各个用户 PN 码的正交性分别检测各个用户的信息，难免因正交性不好相互干扰，称为多址干扰, 多址干 扰有可能严重限制系统容量的提高。 CDMA 系统的用户数容量不像 FDMA 和 TDMA 那样是硬性受限的，而是一种软容量；一 个同步 CDMA 系统在各用户码的相互正交性较好的情况下，允许在线通信的用户数超出额定用 户数。 z CDMA 子信道之间的隔离度 CDMA 依靠用户特征码(PN 码)的相互正交性来分割各个用户子信道。对于 K 个用户的 CDMA 系统，其 K 个 PN 码的自相关和互相关系数为 1 0 1 1, () () 0, N ij i j n i j R p np n N δ i j − = ⎧ = = = ⎨ ∑ ⎩ ≈ ≠ ij K , 1,2, , = " (12.2-12) 如果要使子信道之间的信号功率泄漏小于−40dB，则意味着互相关系数 | | Rij i j ≠ =| | 1/[100( 1)] δ < − K (12.2-13) 这样高的分隔性要求，即使是同步 CDMA 系统也不容易确保。它不像频域或时域分割为子信道 那样，只是相邻子信道间相互泄漏最严重，而是每个子信道都同时受到所有其他 K −1个子信道 中信号的泄漏干扰。这是 CDMA 系统的重要特点。 z 远近效应 CDMA 系统存在明显的远近效应，当接收远处用户的弱信号时难免被近处用户的强信号淹 没。这就需要进行很好的功率控制，使接收到的远处和近处用户功率的差异尽可能小