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无线通信原理与应用
刘 涛
E-mail: ttlyz@
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第四章 多址接入
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主要内容
多址接入技术概述 基于竞争的多址接入
• Aloha • CSMA
无冲突的多址接入
• FDMA • TDMA • CDMA
频谱效率和系统容量
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时隙ALOHA
基本思想
将时间分成离散的时间片（slot），每个时间片用来传输 一个帧，每个用户只能在一个时间片的开始传送帧，其 它与纯ALOHA系统同。该系统要求全局时钟同步。
冲突 重传 重传
1
时隙
2&3
2
3
Time
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时隙ALOHA的易损时间区
不会碰撞
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无冲突多址接入技术概述
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。
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无冲突多址接入技术概述
S max 1 = ≈ 0.368 e
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纯ALOHA和时分ALOHA的吞吐量比较
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p-持续ALOHA
分时隙Aloha 的一种变形，其中p持续参数 决定节点在一个时隙发送数据包的概率 （0>p>1） 。 减小持续参数也就减小了碰撞次数，但同 时增加了传输时延。
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基于竞争的多址接入
• ALOHA • CSMA • 有限竞争协议
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纯ALOHA
基本思想
任何用户有数据发送就可以发送，每个用户通过监听信 道判断是否发生了冲突，一旦发现冲突，随机等待一段 时间后重新发送。 等待随机时间
冲突 重传 重传
1
2
3
3
2
Time
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多址接入技术概述
所有用户共享无线资源 信道接入成为中心问题，它决定了网络的基本容 量，并且对系统复杂度和/或成本有极大的影响 基本概念：实现不同地点、不同用户接入网络的 技术
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多址接入技术概述
多址接入技术分类
基于竞争 随机接入 Collision resolution 多址接入 无冲突
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频分多址
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 非线性是FDMA系统的主要矛盾
f1’ f2’ fn’ f1 f2 fn
…
Reverse channels Protecting bandwidth
…
Frequency
Forward channels
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频分多址
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频分多址
组成信号的频谱
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频分多址
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非坚持CSMA
• 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃 监听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲 则发送数据。 • 信道利用率高于 1- 坚持 CSMA ，但延迟特性要差 些
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载波侦听多址（CSMA）
p-坚持CSMA
• 适用于时分信道。站点在发送数据前先监听信道，信 道忙则等到下一个时间片再监听，信道空闲则以概率 p发送数据，以概率1-p将发送推迟到下一个时间片。 下一个时间片执行相同的操作直至发送成功或检测到 信道忙 • 该协议试图在 1-坚持CSMA和非坚持CSMA间取得性 能的折衷，影响协议性能的关键在于p的选择。
ALOHA, CSMA, BTMA
TREE, WINDOW, etc
FDMA, TDMA, CDMA， SDMA
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多址接入技术概述
多址接入技术设计主要考虑问题
• 小区内的效率 • 对其它小区的干扰 • 蜂窝系统容量
其它考虑的问题：
• • • • • 频率规划； 同步需求； 软切换； 功率控制需求； dma2000(3GPP2)
频分多址
频分多址
基本概念：总带宽被分隔成多个正交的频道，每个用户占用一个频道
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FDMA/FDD信道结构
Guard Band Wg Sub Band Wc
1
2
3
4
…
N
Frequency
Total Bandwidth W=NWc
t
不会碰撞
易损时间区 t0 t0+t t0+2t t0+3t 时间
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时隙ALOHA的吞吐量
与纯ALOHA比较，每个帧的易损时间区缩小了，冲突的概率 随之减小，因而系统吞吐量随之提高 易损周期内无其他分组传输出现的概率为 吞吐量为 最大吞吐量为
P(0 ) = e − G
S = G ⋅ P(0 ) = G ⋅ e − G
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纯ALOHA的吞吐量
在易损周期内到达分组为n的概率为
(2G ) n e −2G P(n ) = n! 易损周期内无其他分组传输出现的概率为
吞吐量为 最大吞吐量为
P(0 ) = e −2G
S = G ⋅ P(0 ) = G ⋅ e −2G
S max 1 = ≈ 0.184 2e
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无冲突多址接入技术概述
时分双工-TDD
• 双工装置简单； • 一个方向上的信号传输可用于另一个方向的信道测量 • 上下行链路之间的带宽分配灵活； • 需要同步，并要考虑收发无线切换的时间； • 需保护时隙来防止上下行时隙混叠； • 引起额外的延时和缓冲器的开销。
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无冲突的多址接入
• FDMA • TDMA • CDMA • SDMA
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无冲突多址接入技术概述
信号的分割 • 正交
• FDMA • TDMA • SDMA
• 准正交
• CDMA
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无冲突多址接入技术概述
多址还要考虑双工方式，收发如何复接在一起 分类：
Slotted Aloha
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有限竞争协议
竞争协议：轻负载下延迟特性好，重负载下信道利用 率低； 无冲突协议：重负载下信道利用率高，轻负载下延迟 特性不好； 有限竞争协议：结合以上两类协议的优点和克服各自 的缺点，在轻负载下获得良好的延迟特性，而在重负 载下获得较高的信道利用率。
频分多址
频分优点：
• 窄带信道（没有或较轻ISI） • 比较简单，容易实现，适用于模拟和数字 • 用于以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小 区 • 对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置 • 允许连续时间传送信号和进行信道估计
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频分多址
频分缺点：
• • • • 由于连续时间传送信号而导致越区切换复杂； 信道专用（空闲的用户也占有信道造成浪费）； 难以为一个用户分配多个信道； 需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系 统 • 频谱效率低，不宜在大容量的系统中使用。 • FD 没有在现有数字系统中单独使用。
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载波侦听多址（CSMA）
1-坚持CSMA
• 站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则坚持 监听直至发现信道空闲，一旦信道空闲立即（概 率1）发送数据，发现冲突后随机等待一段时间， 然后重新开始监听信道。 • 该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。
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载波侦听多址（CSMA）
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有限竞争协议
有限竞争协议的基本思想
• 对用户进行分组，每个时隙内只允许一个组的用户竞争信 道，通过减少在同一个时隙内竞争信道的用户数来提高竞 争成功的概率 • 组内用户数量随系统负载的变化动态调整，负载越轻用户 数越多，负载越重用户数越少，在两个极端上分别退化为 竞争协议和无冲突协议 • 协议的关键就在于如何根据系统负载自适应调整组的划分 ，将时隙分配给用户
Node 5 sense Delay
1
2
Delay
Node 4 sense
3
4
5
Collision
Time
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CSMA分类
Unslotted Nonpersistent CSMA Nonpersistent CSMA Slotted Nonpersistent CSMA CSMA Unslotted persistent CSMA Persistent CSMA Slotted persistent CSMA 1-persistent CSMA p-persistent CSMA
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载波侦听多址（CSMA）
p的选择
• 假设信道忙，N个结点有一分组要发送 • 则一旦信道空闲，尝试发送的结点数为Np • 如果 Np > 1，则冲突发生 • 因此，网络必须确保Np < 1以避免冲突，这里N是可 以被激活的最大结点数
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