WC07 多址接入技术¶

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多址接入技术¶

多址（Multiple Access），着眼于区分多用户的同时接入区分，本质上是在共享通信资源的基础上，使各个用户能有效互通（寻呼）的技术

分为无冲突MA（基于预留的MA）与允许冲突的MA（基于竞争的MA）
语音业务：稳定、速率恒定，具有一定的端到端时延要求
数据业务：突发、大带宽

允许冲突的MA¶

又回到了计网

本节介绍回顾了经典皮肤：Pure Aloha、Slotted Aloha和CSMA

Pure Aloha¶

异步 CLK ，no synchronization,simpler | 效率为0.18

Slotted Aloha¶

以帧为单位同一 CLK（synchronization）在基带上，出现碰撞则放弃 | 效率为0.37

CSMA/CD¶

从WSN抄来

载波监听多路访问（carrier sense multiple access，CSMA）

用于IEEE802.3千兆以太网

基本机制与额外机制¶

先侦听后发送机制（listen-before-transmit）
随机退避机制（random backoff）
二进制指数退避机制（binary exponential backoff）
（额外|选用）ACK确认机制

先侦听后发送¶

规定先listen一段时间（Inter-Frame Spacing，IFS）

这段时间IFS应确保大于整个系统最远到达时间

可实现当前传输数据不被打断
但在同时监听的小概率事件下，出现冲突可能

随机退避机制¶

错开各个等待传输的节点的启动时间

对于n个需要传输的节点，在当前传输结束后，把roll出的n个倒计时随机值赋给它们
其中的最大值称为竞争窗口大小

可规避等待数据同传冲突
但随机数相同时仍会发生冲突

二进制指数退避机制¶

对于产生冲突的所有节点，将竞争大小窗口翻倍，再次重复随机退避机制

这需要已经发送数据的节点**仍保持listen**
可降低随机数相同的概率
隐终端问题（无限隔离下space无限远，无解）

ACK确认机制¶

引入数据链路层的ACK，使发送端知晓数据成功接收

未接收到ACK视为丢帧
ACK被规定为高优先级

CSMA/CA¶

向下保留CSMA的三大机制和ACK确认
引入RTS和CTS数据包

四次握手¶

发送节点获取Auth后广播RTS（Request to Send）
接收节点广播CTS（Clear to Send）
发送节点发送DATA
成功接收，返回ACK

RTS：抑制发送节点附近的待发送节点
2+2+6+6+4=20字节
Frame Control + Duration + R Address + T Address + FCS
CTS：抑制接收节点附近的待发送节点，是规避隐终端的直接手段
2+2+6+4=14字节
Frame Control + Duration + R Address + FCS

工作方式之全双工¶

第一章已有说明，不再赘述

无冲突MA¶

系统以特定的方式划分信道，并分配给特定的用户

通常有FDMA（频道）、TDMA（时隙）、CDMA（PN码）、SDMA（区域，难以区分）

看看图

FDMA应用于1G的模拟信号，所以没有展现

FDMA¶

由于信号调制的结果是已调信号占用一定的带宽

所以信号的无线传输最终表现为对频谱的占用，即都先要分频段

因此FDMA是TDMA和CDMA的基础

技术	接入方式	所占带宽
AMPS	FDMA	30k
GSM	TDMA	200k
WCDMA	CDMA	1.25M

TDMA—以GSM为例¶

GSM帧结构¶

在GSM中，将时隙命名为突发brust。下面是几种常见的burst

常规突发中，规定把训练序列（用于均衡）放在中间

提高信道估计的准确性
保证数据传输的对称性和完整性
便于帧同步
减少干扰和误同步的风险
与保护间隔配合良好

保护间隔设置的原因¶

在上行链路，因为BS的距离不同，路径时延可能会导致接收信号混叠

于是加入保护间隔，起到类似CP循环前缀的作用

考虑到有效性，不可能无限增加保留间隔。GSM最大小区半径35km，这是不经济的

解决方案很简单，使远的用户提前发送（减小偏移等待时隙）

最大保护间隔的计算¶

对于GSM系统来说，每bit持续时间为\(576.92/156.25=3.692\mu s\)，最大半径为35KM，往返为70KM，以光速计算，则

\[GP=(2r/300)/3.692=r/553.8~bits \approx 63~bit\]

实际上保留8.25bit，已满足大部分需求

FDD|TDD¶

实际的TDMA系统¶

CDMA¶

嗨嗨，再见DSSS

扩频与解扩，不再赘述

PN码应该具有强自相关、良好的互相关特性
码组中应包含足够数量的扩频码

Walsh序列¶

相较于小m序列，是具备良好的互相关特性的PN码

基于Hadmard矩阵

\[H_{had}^{(1)}=\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}\]

二阶由一阶构成

\[H_{had}^{(2)}=\begin{pmatrix}H_{had}^{(1)}&H_{had}^{(1)}\\H_{had}^{(1)}&\overline{H}_{had}^{(1)}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&1&1&1\\1&-1&1&-1\\1&1&-1&-1\\1&-1&-1&1\end{pmatrix}\]

在下行时使用，序列拥有64码片，扩频增益为64
上行链路，因为存在时移没有对齐，没有良好的正交特性，故使用小m序列（循环码）

功率控制¶

旨在控制远近效应带来的多址干扰（扩频码的正交性被破坏，远端UE的主瓣功率被近端干扰旁瓣淹没）

使得小区内的所有上行信号到达BS时都具有相同的RSS，且接受SIR刚好等于最小SIR
分为开环与闭环功率控制（我想你应该知道开闭环的区别：反馈）

优缺点¶

完全频率复用，区群大小为1
支持软切换（先建后断）
可采用RAKE接收机
支持软容量，即通过PN码设计使得用户数量无上限（类似流量卡，给你无限流量但限速）

SDMA¶

基于智能天线的发送Beamforming，对多用户可形成多波束，并在干扰方向上形成零陷

不可区分用户

多址接入系统容量计算¶

关于SIR，在蜂窝通信中已有粗略与较为精确的估算

先康康FDMA嘞，频道数等于信道数

为使得系统容量尽可能大，在满足信干比前提下，尽可能减小区群大小

令系统容量为信道数与小区的比值

\[m=\frac{B_t}{B_cN}\]

\(B_t\)为总带宽，\(B_c\)为频道带宽，\(N\)为区群大小

若仅考虑第一层同频小区（较为粗略的计算），则SIR为

\[\frac{C}{I}=\frac{R^{-n}}{6D^{-n}}=\frac{1}{6}\left(\frac{D}{R}\right)^{n}=\frac{1}{6}Q^{n}=\frac{1}{6}\left(3N\right)^{\frac{n}{2}}\]

则将N代入，可得FDMA/FDD的系统容量（假设n=4）

\[m=\frac{B_t}{B_c\sqrt{\frac{2}{3}\left(\frac{C}{I}\right)_{\min}}}\]

同理¯\_(ツ)_/¯，可得TDMA/FDD的系统容量为

\[m=\frac{sB_t}{B_c'\sqrt{\frac{2}{3}\left(\frac{C}{I}\right)_{\min}}}\]

s为载频时隙数

需要注意

TDMA的频道宽度比FDMA要宽一些，因为需要划分时隙
TDMA的SIR要求更低（数字系统）

AMPS与USDC系统容量

GSM时隙为8

数字调制/通信优缺点

抗干扰能力强，噪声不积累
差错可控，同时便于集成存储与加密
需要更大带宽
需要做收发同步

对于CDMA扩频系统，宽带下其他用户的功率谱密度可类比噪声

\[C/I=\frac{RE_b}{n_0B}=\frac{E_b/n_0}{B/R}=\frac{1}{N-1}\]

得到

\[N=1+\frac{B/R}{E_{b}/n_{0}}\]

提高系统容量方法

定向天线
话音激活检测，仅在通话时打开发射机，激活占空比为\(\alpha\)（对于TDMA特别有效）

\[N_s=1+\frac{1}{\alpha}\Bigg(\frac{B / R}{E_b / n_0 '}\Bigg)\]