3.2 移动通信的多址技术

蜂窝系统是以不同的信道来区分通信对象的，一个信道在同一时间内，只能被一对进行通话的用户占用。用户以不同的信道来互相区分彼此的情况称为多址。

3.2.1 多址接入方式

绝大多数情况下，移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，系统中的基站要和许多移动台同时通信。基站通常有多个信道，而每个移动台只供一对用户使用，只能在通话时占用一个信道，这就形成了移动通信中基站多路工作和移动台单路工作的特点。当有多个用户同时通话时，以不同的信道分隔以防止互相干扰。在移动通信业务区内，移动台之间或移动用户与市话用户之间通过基站同时建立各自的信道，从而实现多址连接。

常见的多址方式有3种，当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址方式（FDMA）；当以传输信号的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址方式（TDMA）；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址方式（CDMA）。图3-6分别示出了N个通道的FDMA、CDMA和TDMA的示意图。

3.2.2 频分多址（FDMA）方式

频分多址（Frequency Division MultipleAccess，FDMA）是指将给定的频谱资源划分为若干等间隔的信道（或称为频道），供给不同的用户使用。

1.信号的链路形成

在早期的模拟移动通信系统中，信道带宽通常等于传输一路模拟语音所需要的带宽（如25kHz或30kHz）。在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工系统（Frequency Divide Duplex，FDD）的工作模式，系统为每一对用户分配一个信道，即一对频谱。其中一个频谱用做前向信道，即基站（BS）向移动台（MS）方向的信道（也叫下行链路），另一个则用做反向信道，即移动台向基站方向信道（也叫上行链路）。

这种通信系统的基站需要同时发送和接收不同频率的信号，其信道传输过程如图3-7所示。FDMA系统的收、发频段是分开的，即接收频率f和发送频率F是不同的。为了防止同一部电台的收、发之间产生干扰，收、发频率间隔必须大于一定的数值。例如，在800MHz的频段，收、发频率间隔为45MHz。

典型的FDMA系统的频谱分割如图3-8所示，前向信道占有较高的频段，反向信道占有较低的频段，中间为保护频带。为了防止系统频率漂移造成信号带宽的重叠，在用户频道之间设有频率保护间隙Fg。前向与反向信道的频道分割是为了实现频分双工通信的要求。只要频道之间的保护频带（如25kHz或30kHz）足够大，就可以保证信号的带宽不会重叠。

2.话务量

移动通信的频率资源十分紧张，不可能为每一个移动台预留一个信道，只能为每个基站预留一组信道，供给该基站所覆盖的小区内所有移动台共用。在多信道共用的情况下，一个基站若有n个信道为小区的全部移动用户所共有，当其中k（k＜n）个信道被占用后，其他用户可以按照呼叫的先后顺序来占用剩下的（n-k）个信道，但是基站最多可保障n对用户同时进行通话，如果再有新的呼叫用户便不能接入。这种情况发生的概率有多大呢？这就需要了解话务量和呼损率的概念，在此简单介绍话务量的概念，并进行定量分析。

在语音通信中，业务量的大小用话务量来度量。话务量分为流入话务量和完成话务量。流入话务量的大小取决于单位时间（h）内平均发生的呼叫次数λ和平均每次呼叫持续时间h。因此流入话务量A为

A=λ·h （3-2）

式中，λ的单位为次/小时，h的单位为小时/次，话务量A的单位定义为Erlang（爱尔兰），简写为Erl。由式（3-2）可以看出，流入话务量A是平均一小时内所有呼叫需占用信道的总小时数。如果从一对信道的角度去看，1Erl就代表了每小时内用户要求通话的时间为一小时，这也是一个信道能达到的最大呼叫话务量。由于用户的呼叫是随机的，不可能不间断地连续利用信道，也就是说信道的利用率为100%是不可能发生的情况。

【例3-1】 某个通信网中平均每小时有225次呼叫，平均每次呼叫的通话时间为2min，那么这个通信网的流入话务量为多少？

解：平均每次呼叫的通话时间；平均每小时呼叫次数λ=225，则由式（3-2）中A=λ·h可计算，该通信网的流入话务量。

3.呼损率

在信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然会有少量的通话失败，这种情况的发生称为呼损。若已知全网用户在单位时间内平均呼叫次数为λ，其中呼叫成功的次数为λ0（λ0＜λ），则完成话务量为

A0=λ0·h （3-3）

其中流入话务量与完成话务量之差，即为损失的话务量，损失话务量占流入话务量的比率称为呼损率，记为B，即呼损率B为

显然呼损率越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此呼损率B也称为通信网中的服务等级。例如，某通信网的服务等级为0.005（B=0.005），表示在全部呼叫中有5‰的概率未接通。对于一个通信网来说，要想使呼损率降低，只有让流入话务量减少，也就是少容纳一些用户，但这又是建设通信网所不希望的。可见，呼损率和流入话务量是一对矛盾，在设计通信网时，要寻找一个最佳平衡点。

在实际的通信网络中，人们关心的不是某一个信道的完成话务量，而是全网的完成话务量。通信网中往往有很多信道，其中一部分甚至全部的信道很有可能在同一时间段被占用。设一个通信网总的信道数量为n，在观察时间T（h）内有i（i＜n）个信道同时被占用的时间为ti（ti＜T），那么可以算出实际通话时间为

式中，G为全网的通话次数；h为全网平均每次通话的时间。则单位时间内全网的完成话务量为

当观察的时间足够长，ti/T就表示总信道中有i个信道被同时占用的概率，用Pi表示，则式（3-6）可以改写为

由式（3-7）可以看出，完成话务量是通信网同时被占用信道数的统计平均值，它表示了通信网的繁忙程度。

【例3-2】 某个通信网共有10个信道，在下午一时到三时两个小时的观察时间内，统计出i个信道同时被占用的时间（小时数）如表3-1所示，计算通信网的完成话务总量。

解：利用式（3-6）可得全网的完成话务量A0为

这个结果说明，在总共10个信道中，在2h的观察时间内，平均每小时有5.95个信道同时被占用，每个信道每小时被占用的时间为5.95/10=0.595h。因为一个信道最大的可容纳的话务量为1Erl，因此它的平均信道利用率为59.5%。从这个计算结果来看，似乎利用率不是很高，但要进一步提高利用率就会使呼损率变大。

对于多信道共用的移动通信网，如果满足每次呼叫相互独立，在时间上都有相同的概率，且每个用户选用无线信道是任意的，则其呼损率为

式（3-8）就是电话工程中的第一爱尔兰公式，式中的3个参数B、A和n给定任意两个都可以算出第三个参数，是非常实用的公式。在工程中，可根据如表3-2所示的爱尔兰呼损表来确定各个参数，在呼损率不同的情况下，信道利用率也是不同的。信道利用率η用每小时每信道完成的话务量来计算，即

由表3-2可以看出，在给定呼损率B的条件下，随着信道数n的增大，完成话务量A不断增长。当n＜3时，A随n的增长接近指数规律；当n＞6时，则接近线性关系。

很显然，一天24h中，每小时的话务量是不可能相同的。话务量是指用户一天中最忙的几个小时的平均话务量，用AB来表示，它是一个统计平均值。同时，将忙时话务量与全天话务量之比称为集中系数，用k表示，它代表了忙时话务量占全天话务量的比例，k一般为10%～15%。设每一用户每天平均呼叫次数为G′（次/天），每次呼叫平均占用信道时间为T（秒/次），可得到每个用户最忙时的话务量表达式为

【例3-3】 某用户每天平均呼叫3次（G′=3次/天），每次呼叫平均占用信道时间为2min（T=120s），集中系数为10%（k=0.1），则每个用户忙时的话务量为多少？

解：由题意可知，该用户每天平均呼叫G′=3次/天，每次呼叫平均占用信道时间为T=2min=120s，集中系数k=0.1=10%，则忙时的话务量为

国外资料表明，公用移动通信网可按照AB=0.01来设计，专业移动网可按照AB=0.05来设计。由于使用电话的习惯不同，国内建议公用移动通信网按照AB=0.02～0.03来设计，专业移动网按照AB=0.08设计。

在用户忙时话务量确定之后，每个信道所能容纳的用户数m可以表示为

【例3-4】 设用户忙时话务量AB=0.01（Erl/用户），呼损率B=10%，现有8个无线信道，试计算该系统的容量和利用率。如果呼损率为20%，容量和利用率有什么变化？

解：（1）由表3-2可以查出B=10%，n=8时，A=5.5971Erl，因此每信道用户容量为（用户/信道），该系统的用户容量M=m×n=70×8=560（用户），由式（3-9）可得。

（2）当B=20%，n=8时，查表得到A=7.3692Erl，因此每信道用户容量为（用户/信道），系统的用户容量为M=m×n=736（用户），由式（3-9）可得。

由上述结果可以看出，当呼损率提高后，全网的容量和效率都提高了，这就是通信网设计时要折中考虑的问题。

4.FDMA系统的几种主要干扰

介绍了有关话务量和呼损率的概念之后，可对多信道共用技术加深理解。影响FDMA系统的另一个问题就是干扰。FDMA系统是基于频道划分为信道的，用户利用一对频道（f～F）进行通信，如果有其他信号串入该用户的反向信道（用户接收机的频带），就会造成干扰。对FDMA系统有影响的主要有互调干扰、同频道干扰和邻道干扰。

1）互调干扰

互调干扰是指系统内由非线性器件产生的各种组合频率成分，落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰。当干扰强度即功率足够大时，将损害到有用信号。为了克服互调干扰，应尽可能提高系统的线性程度，减少发射机互调和接收机互调。除上述方法外，还应该尽量选用无互调的频率集，这属于FDMA蜂窝系统的频率规划问题。

2）同频道干扰

在蜂窝系统中，同频道干扰是指相邻群区中，同频率信道小区信号造成的干扰。它与蜂窝的结构和频率规划密切相关，需要合理地选定蜂窝结构和频率规划。

3）邻道干扰

邻道干扰是指相邻频道信号中，存在的寄生辐射落入本频道接收机带宽内造成对信号的干扰。为了克服邻道干扰，必须严格规定收发机相关的技术指标，即规定发射机寄生辐射和接收机中频选择特性。除此之外，加大频道间的隔离度也可有效地减少邻道干扰。

5.FDMA系统的主要特点

FDMA系统的主要特点如下。

（1）每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。为了在有限的频谱内增加信道数量，系统都希望间隔越窄越好。FDMA信道的相对带宽较窄（如25kHz），每个信道的每一个载波只支持一个电路链接，也就是说FDMA通常是在窄带系统中实现的。

（2）FDMA方式中，每个信道只传输一路数字信号，信号速率一般较低，所以每个符号传输的时间相对较长，由码间干扰引起的误码率极小，因此在窄带FDMA系统中无须自适应均衡。

（3）基站复杂庞大，移动台简单。基站有多少信道就需要重复设置多少收发信设备，同时需要天线共用器，功率损耗大，容易产生信道间的互调干扰。

（4）FDMA系统每个载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器，允许指定信道里的信号通过，滤除其他频率信号，从而限制邻近信道间的相互干扰。

（5）越区切换复杂和困难。在FDMA系统中，分配语音信道后，基站和移动台都是连续传输的，所以在越区切换时，必须瞬时中断传输几十甚至几百毫秒的时间，把通信从一个频率切换到另一个频率。这对于语音瞬时中断问题不大，但是对于数据传输将会引起数据丢失。

3.2.3 时分多址（TDMA）方式

时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分成若干时隙，无论是帧还是时隙，都不能重叠。

1.TDMA系统概念

在TDMA系统中，每一个时隙就是一个信道，分配给一个用户，其时隙用户结构示意图如图3-9所示，每个移动台在一帧中分配了一个特定时隙。系统根据一定的原则分配时隙，各移动台在上行帧内，只能按指定时隙向基站发送信号。为了保证在不同传播时延情况下，各移动台到达基站处的信号不会重叠，通常上行时隙内必须设有保护间隔，在该间隔内不传送信号。在满足定时和同步的条件下，基站可以在各个时隙中接收到各个移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各个移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路信号中把发给它的信号区分出来。

在频分双工（FDD）方式中，上、下行链路的信号分别在不同的频率上。在时分双工（TDD）方式中，上、下行帧都在相同的频率上。时分双工示意图如图3-10所示。

不同通信系统的帧长度和帧结构是不同的。典型的帧长在几毫秒到几十毫秒之间。例如，GSM系统的帧长为4.6ms，每帧8个时隙；DECT系统的帧长为10ms，每帧24个时隙；PACS系统的帧长为2.5ms，每帧8个时隙。TDMA系统既可以采用频分双工（FDD）方式，也可以采用时分双工（TDD）方式。在FDD方式中，上行链路和下行链路帧结构既可以相同，也可以不同。在TDD方式中，通常将在某一频率上一帧中一半的时隙用于移动台发信，另一半的时隙用于移动台收信，收发工作在相同的频率上进行。

在TDMA系统中，设计每帧中的时隙结构通常要考虑到3个主要因素，即控制和信令信息的传输、信道多径的影响和系统的同步。两种典型的时隙结构如图3-11所示，在每个时隙中有专门划分出的部分比特用于控制和信令信息的传输。

2.TDMA系统主要特点

TDMA系统主要有如下特点。

（1）同步是TDMA系统正常工作的前提，由于TDMA系统的传输速率高（远大于语音编码速率），所以TDMA系统的同步开销较大；为了便于接收端的同步，在每一个时隙中还要传输同步序列。

（2）发射信号的速率随着时隙数的增加而提高，如果到达100kbps以上，码间串扰就会加大，必须采用自适应均衡器，用以补偿传输失真。图3-11中第二种帧结构的优点，就是便于接收端均衡器消除码间干扰对整个时隙的影响。这是因为在时隙中插入自适应均衡器所需要的训练序列，对于接收端来说，训练序列是明确的，接收端根据训练序列的解调结果，就可以估计出信道的冲击响应，从而准确地调节均衡器的系数。

（3）在上行链路的每一个时隙中要留一定的保护间隔，即每个时隙中传输信号的时间要小于时隙长度。这是为了克服因移动台至基站距离的随机变化而引起的移动台发出的信号到达基站接收机时刻的随机变化，从而保证不同的移动台发出的信号在基站处都能落在规定的时隙内，而不会出现相互重叠的现象。

（4）基站的复杂性减小，多个时分信道占用一个载波，占据相同带宽，只需要一部收发信机，互调干扰小。

（5）抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。

（6）越区切换简单，由于TDMA系统中的移动台不是连续传输的，所以可利用空闲时隙监测其他基站，这样的越区切换在无信息传输时进行，因而没有必要中断传输信息，即使传输数据也不会因为越区切换而丢失。

TDMA的呼损性能可完全采用FDMA中的分析方法和结论。TDMA中的信道数为每个基站使用载波数与每个载波的时隙数的乘积。

3.2.4 码分多址（CDMA）方式

码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）是以扩频信号（扩频信号是一种经过伪随机序列调制的宽带信号）为基础的多址方式。

图3-12所示为CDMA的原理框图，它利用不同码型实现不同用户的信息传输。信号先由信源发出，经过简单的信道编码，再进行扩频调制。扩频调制需要先产生一系列时域上的窄脉冲与时域上的宽幅信号相乘，得到一系列的窄幅信号，这相当于在频域上将原信号拉宽，其信号通常比原始信号的带宽高几个数量级，即所谓扩频通信。扩频信号经信道传输到达接收方，再由相同扩频码进行扩频解调，最后经过信道解码即得所需数据。

1.CDMA系统概念

常用的扩频信号有两类，即跳频信号和直接序列扩频信号（简称直扩信号），因而相对应的多址方式为跳频码分多址（FH-CDMA）和直扩码分多址（DS-CDMA）。与这两种多址技术对应的扩频技术是跳频扩频技术（FHSS）和直接序列扩频技术（DSSS）。

2.CDMA系统的特点

与其他多址方式相比，CDMA系统有如下特点。

（1）CDMA系统是许多用户共享同一频率，存在自身多址干扰，同时许多用户共享一个信道，会发生远近效应，必须采用功率控制的方法克服。

（2）系统容量大，CDMA是干扰限制性系统，任何降低干扰的技术都可以直接转化为系统容量的提高。除此之外，系统还有容量软特性，比如在TDMA系统中，同时可接入的用户数量是固定的，不能再多接入任何一个用户，而在DS-CDMA系统中多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会产生硬堵塞现象。

（3）在CDMA系统中，信道数据速率很高，由于PN序列的自相关性，所以时延扩展部分在接收机中得到了自然的抑制。且由于信号被扩展在一个较宽的频谱上，容易获得最佳的抗多径衰落效果。而在TDMA系统中，为了克服多径效应造成的码间干扰，需要用复杂的自适应均衡。

（4）CDMA系统可实现平滑的越区切换。DS-CDMA系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发射相同信号，接收机可以同时接收并合并这些信号，当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定时，移动台才进行切换。

3.2.5 空分多址（SDMA）方式

除了上述常用的多址方式外，空分多址也是一种可用的多址方法。空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）通过空间的分割来区分不同的用户。在移动通信系统中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同的用户方向上形成不同的波束，如图3-13所示。

不同波束可采用相同的频率，也可以采用不同的频率。在极限情况下，自适应阵列天线具有极小的波束和无限快的跟踪速度，可以实现最佳的SDMA。此时，在每个小区内，每个波束可以提供一对无其他用户干扰的唯一信道。采用窄波束天线可有效地克服多径干扰和通道干扰。上述理想状态需要无限多个天线阵元，但在实际应用中是不可能实现的。在现实条件下，采用适当数目的阵元，也可以获得较大的系统增益。