多用户协同通信3.docx

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多用户协同通信3

无线宽带通信

课程总结报告

协同通信

系（院）：

信息工程学院 

专业：

通信工程

姓名：

许时宁

指导教师：

王洪雁

完成时间：

2014年6月17日

摘要

协同通信，与协同办公软件不同，协同通信更多是体现在协同过程的操作上，是协同工具。

对于协同的理解，平台提供商给出的含义差异性很大；大多数使用者倾向于认为，“协同”是体现在企业硬性管理之外的跨部门、跨区域之间进行协同作业的软性管理机制，而协同作业的过程无法用标准的管理制度固定下来，或者说固定下来之后就不能在称之为协同了，所以，更多的使用者认为“协同”的真正含义应该是“协同工具”。

有效和强大的“协同工具”，是基于CTI融合通信技术开发的统一联络通信平台系统，即将目前各种通信方式：

电话、传真、短信、即时消息、VoIP等无缝的集成在一个平台之上，使用者无需关心对方使用的是哪一种通信方式，都可以进行无障碍的沟通，而客户也可以无障碍的随时呼叫到目标联系人，而不必关系目标人的手机是否丢了、办公电话是否换了、出差了或者其他情况；融合通信已经成为500强企业的核心沟通工具，例如IBM、Dell等。

关键字:

协同通信协同工具通信方式沟通工具

Abstract

Cooperativecommunication,unlikethecollaborativeofficesoftware,communicationismoreembodiedinthecollaborativeprocessoperation,isthecollaborativetools.

Forcollaborativeunderstanding,platformprovidersaregreatmeaningdifferences;mostuserstendtothink,"collaboration"istheembodimentofsoftmanagementmechanismofcollaborationintheenterprisemanagementoftherigidacrossdepartments,betweenregions,andtheprocessofcollaborationmanagementsystemstandardmethodwithnofixed,orfixeddowncannotbecalledcollaborative,therefore,moreusersthatthetruemeaningof"collaborative"shouldbe"collaborativetools".

Effectiveandpowerful"collaborativetools",istheunityofCTIfusioncommunicationtechnologydevelopmentcommunicationplatformsystembasedon,itisavarietyofmeansofcommunication:

telephone,fax,SMS,instantmessaging,VoIPseamlessintegrationonaplatform,usersneednotcareabouteachotherusingwhatkindofcommunication,allcanbebarrierfreecommunication,andcustomerscancalltocontactwithoutobstacles,withoutrelationtargetmobilephoneislost,theofficephone,whetherforbusinessorothercircumstances;fusioncommunicationhasbecomethe500strongenterprisescorecommunicationtools,suchasIBM,Delletc..

Keywords:

cooperativecommunicationcollaborationtoolcommunicationcommunicationtools

目录

摘要2

Abstract3

目录4

一多用户通信6

1.1关于多用户通信6

1.1.1多用户通信描述6

1.1.2复用与多址特点7

1.2卫星网的多址模式8

1.2.1每载波多信道方式（MCPC）8

1.2.2卫星系统TDMA的帧结构举例8

1.3无线信道空间传输损耗9

1.3.1直线传播和自由空间损耗9

1.3.2自由空间传播损耗9

1.3.3多径传播和多径衰落10

1.4随机接入模式10

1.4.1随机接入模式的适应环境10

1.4.2随机接入和预订方式11

1.4.3载波侦听随机接入（多址）11

1.5蜂窝无线通信原理12

1.5.1蜂窝无线网构成特征12

1.5.2蜂窝小区特点14

1.5.3蜂窝系统中的CDMA14

1.5.4跳频模式的CDMA（FHMA）16

二协作感知模型及其对无线通信系统的影响 18

2.1协作感知模型 19

2.2协作频谱检测模型19

三协同通信模型20

3.1协同模型 20

3.2混合模型 20

 四协同通信系统的影响21

4.1对现代无线通信系统的影响21

4.2对网络拓扑结构的影响22

4.3对通信终端的影响24

4.4对业务模式及应用的影响24

五结束语   25

参考文献25

一多用户通信

基本内容：

多用户通信近些年来得到了很大发展，特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的CDMA等典型多址技术应用，更具长足发展的前景。

本章主要介绍多用户通信基本概念，并重点介绍几种多址技术原理和应用，涉及内容较为广泛，并直接联系到专业技术。

知识点及层次

（1）M多用户通信概念和分类。

（2）复用/多址的关系与多址原理。

（3）移动无线、卫星通信和局域网等多址特点。

（4）三代移动通信中的多址技术概述。

（5）无线信道特征和多径衰落环境下的分集技术

1.1关于多用户通信

多用户通信近些年来得到了很大发展，特别是以卫星通信、移动无线和基于扩频的CDMA等典型多址技术应用，更具长足发展的前景。

1.1.1多用户通信描述

    1.通信资源正交分割与信道化（Channelization）

    ●信道不同域资源正交分割———通信资源从根本上说是传输信道可用带宽，但为共享通信资源，可根据业务流量、性质和级别，将其从各种资源“域”进行均等或不均等分割，提供多个子信道。

这种分割可在频域、时域、空（间）域，以及光传输波长，正交编码，甚至时-频、空-时等进行“域”分割。

其中，正交编码、时-频复用基于扩频技术，属于携带信息的正交码序列而使信道同时提供全时、全频带的正交通信方式;空-时编码则并不等同于一般正交传输方式。

    ●由通信资源的正交分割，而提供大量子信道，可实现多用户通信，并包括复用与多址模式。

    2.多用户通信（定义）

    ●多个用户通过一定接入方式和基于通信资源的某种正交分割方式，同时共享该信道资源。

简言之，多用户通信就是一个通信信道被多个用户同时使用。

    ●由定义，表明多用户通信覆盖广泛的通信领域，并包括较为传统的各种复用和近些年大量发展的光波分复用，各种多址模式和随机接入（多址）方式，以及广播系统等。

1.1.2复用与多址特点

    1.复用特点

    ●在复用系统中，多用户的接入、分插、交换、分路等操作，大都是在固定地点集中完成。

    ●各种多址模式，从传输信道的共享角度，都包含着不同的复用方式。

    2.“多址”的含义

    ●在相应复用形式的基础上脱颖而出的多址技术，突出强调了多用户的“接入”特点———多用户（比一般复用系统大得多的用户数）可在地球广阔领域（地、空、海域）实施个体分布性、遥远分散性的灵活与随机接入。

多址模式就是如此超出已有复用概念的特殊接入方式下的复用。

    3.多址类型

    ●类型———FDMA，TDMA，CDMA;SDMA，PDMA;LAN中多址技术—CSMA，CSMAˉCD;ALOHA;光接入系统中的各种多址方式。

    ●CDMA系列———CDMA通常指基于扩频调制技术的直接序列扩频CDMA（DSˉCDMA），它与复用和FDMA、TDMA等多址概念的不同在于:

CDMA多用户共享信道资源，并非信道本身的“域”资源正交分割，而是相互正交的PN码（m序）系列为极大量多址用户提供携带各自信码的多址码（地址）而达到全时、全带宽（DSˉCDMA是同一个载波）的信道共享。

光接入中的CDMA是在多用户进入ONU中的运行模式采用CDMA。

    4.3种主要多址方式的示意表示

    下图列出了FDMA、TDMA和CDMA的多址模式。

1.2卫星网的多址模式

1.2.1每载波多信道方式（MCPC）

    卫星系统中的单路单载波（SCPC）方式的FDMA；MCPC运行机制是为多信宿（多个接收用户）预分配模式：

FDM/FM/FDMA。

1.2.2卫星系统TDMA的帧结构举例

    1.适于欧洲A律PCM的高速TDMA帧结构

    ●基于A律PCME1基群帧结构的TDMA帧

    TDMA帧:

利用PCME1中的16个帧构成1个TDMA帧。

帧周期:

125μs×16帧=2ms/TDMA帧，帧比特数:

256×16=4096bit，1个4096bit的TDMA帧在PCME1系统占2ms.

    ●INTELSAT系统中TDMA帧

    1个TDMA高速数据帧———占时间33.9μs

    卫星高速数据比特率:

RINT=120.832Mbit/s或帧周期为Tf=33.9μs

    2.适于北美洲的高速TDMA帧

    ●基于μ律PCMT1基群，同样取16帧———每帧193bit.

    1个TDMA帧比特数:

193×16=3088bit或1.544×106×2ms=3088bit

    ●INTELSAT系统中TDMA帧比特率仍为RINT

    3.匹配速率的压一扩缓存器

    ●由于A律与μ律各16帧比特数，均以2ms时间映射到INTELSAT高速TDMA帧结构时，分别占用33.9μs和25.6μs，因此各需一对匹配（缓冲）速率的缓存器。

进入缓存的速率分别为2.048Mbit/s和1.544Mbit/s

两缓存输出比特率均为卫星高速帧的比特率RINT=120.832Mbit/s。

    ●接收端从高速帧中分下的各比特流要进入相应的PCM解复用系统。

因此各4096和3088比特数据段仍各以2ms返回到PCMA律E1或μ律T1基群系统。

1.3无线信道空间传输损耗

1.3.1直线传播和自由空间损耗

    超高频和微波波段信号的空间传播，会对信号带来多种传输损伤、很大衰减和多径衰落。

    1.直线传播损伤

    ●衰减和失真;

    ●自由空间损耗;

    ●噪声;

    ●大气吸收;

    ●多径和折射。

    2.衰减因素

    第1章中给出了导向电磁信道的各波段及其波长。

这里从双绞线、电缆到光纤、波导等传输媒体，都是导向媒体，而在自由空间长距离的电磁波传播，属于非导向媒体传输;因此衰减是较为复杂的距离函数，并在地球周围受到充满大气层的影响。

传播衰减主要影响因素是:

传播频段f，传播距离L，电磁波速率C（近于光速）。

1.3.2自由空间传播损耗

    1.微波段信号远程传播如卫星到地面约36000km。

信号波束随传播距离而发散。

上行链路的发射信号功率，由大功率速调管可达上千瓦，而卫星转发器只能靠太阳能供电，由于卫星表面积受限，因此下行链路发射功率很难达到上百瓦。

因此地球站接收信号功率不过微瓦级，并且还包含了收、发天线增益几十个dB的补偿效果。

    2.空间传播损耗（dB）

1.3.3多径传播和多径衰落

    1.多径传播

    在第1章提到过天线辐射的信号以三种方式传播:

地波、天波和空间波（后者即称谓的直线波）;

    ●当电磁波遇有比其波长要大的障碍物时，则发生反射;

    ●并在该物体边界进行衍射（绕射）;

    ●若障碍物尺寸不大于电磁波长，会发生散射，即散射成几路弱信号———多径衰落。

    2.多径传播后果

    ●多径到达的信号，由于相位不同，强弱相差很大，若无序混迭、相位抵消，就使接收信号难以检测与恢复质量良好的信息;

    ●产生严重的码间干拢（ISI）;

    ●特别是在较高速度的移动台天线发出的信号，运动方向、障碍物环境较快变化，多径信号中主路径不稳定等因素导致的接收信号更难处理。

    3.衰落类型

    ●慢衰落（平坦衰落—flatfading）;

    ●快衰落（fastfading）;

    ●选择性衰落（Selectivefading）。

    4.衰落信道的3种类型

    ●高斯信道———是最简单的信道模型，同时它更符合于通信恒参传输媒体。

本书各种传输系统，均是基于高斯信道进行性能分析。

    ●瑞利衰落信道———多径衰落导致多条均很弱的路径信号，而不存在一条主路径。

    ●赖斯衰落信道———是较瑞利衰落利于处理的情况，它具有明显的主路径和多个较弱的间接路径。

    5.多径衰落环境下的信号接收

    ●选用适当的分集技术与合并处理

    ●自适应均衡

    ●前向纠错编码

    ●高性能传输技术———如TCM，复合编码，OFDM等

1.4随机接入模式

1.4.1随机接入模式的适应环境

    1.适用环境

    ●在局域环境中的通信网，如LAN（计算机局域网或无线数据网，WLAN），由于覆盖区域小，以宽带高速网络设备投入并非昂贵;在网用户数也不算太多。

因此传统操作模式属于“面向无连接”通信方式，在高速（如带宽10M或100M）、数据量不太大及非实时业务占多数情况下，这种随机接入方式较“面向连接”方式快捷简便。

    2.广播网与媒体接入控制协议（MAC）

    ●通信网两大类型:

交换网（电路交换与分组交换、报文交换）和广播网。

    ●广播网之所以简单，是网中所发出的所有信息均可被其所有用户所接收。

因此就不像交换网那样建立连接或按路由表寻路、寻址，而是直接寻址、选路，将信息传给特定用户。

MAC协议就是使多个用户（站点）共享同一传输媒体，而各能寻址所望接收用户的接入机制。

    ●多用户对通信资源或传输媒体的共享，基本方式有两种:

第一类是静态而无碰撞的———信道化机制（如各种复用/多址）;第二种是基于分组数据的媒体动态共享方式，以适应突发业务。

将这类方式称作“媒体接入控制”（MAC）机制。

    ●MAC协议的两种常用形式———随机接入和预定方式。

1.4.2随机接入和预订方式

    1.ALOHA（属随机接入）

    ●纯ALOHA

    ●时隙ALOHA（SˉALOHA）

    2.预定ALOHA（RˉALOHA）

    ●对于PˉALOHA和SˉALOHA均因媒体利用率低，若某用户业务量大将会使分组数据产生很大延时变化。

采用预定方式，利用率将不受Smax限制。

一般每个站点均可随时利用预定子时隙v（v一般只占1个分组长度Lbit时间的5%）。

    3.轮询

1.4.3载波侦听随机接入（多址）

    ●由于ALOHA系统因碰撞和尽量避免碰撞耗费了带宽和时间，各种ALOHA的效率都很低。

    ●载波侦听多址技术的几种模式———CSMA、CSMAˉCD和CSMAˉCA，都是通过侦听信道上有否载波，使各站点据情况来决定能达到成功发送信息的时机。

    1.CSMA

    ●1ˉ坚持CSMA（1ˉpersistentCSMA）———为尽快发送，各站点一直在侦听，一旦空闲便即发送分组。

多站点均如此做，则因碰撞而失败的概率很大。

    ●非坚持CSMA（nonˉpersistentCSMA）———侦听的站点，如果检测到信道有载波，则即执行“退后”（补偿）算法，而重新预定下次侦听时间。

当然如果信道空闲则即发送。

这样较1ˉ坚持等待时间长而减少碰撞。

    ●pˉ坚持CSMA———综合上述两种CSMA方式，某欲发送信息的站点，侦听遇忙后仍继续侦听，直至遇闲后，则以概率p发送其分组，以1-p继续等待系统最大传播延时tmax后再行侦听。

    2.CSMAˉCD

1.5蜂窝无线通信原理

蜂窝无线移动通信已有三代技术应用和国际标准，其中

●“1G”系统———模拟移动系统，已基本淘汰;

●“2G”系统———为目前主流应用，以GSM网为代表主要利用TDMA多址模式;同时也推广了窄带CMDA。

●“3G”系统———是目前营造宽带CDMA移动通信环境的主流技术。

相继推出三个国际性标准:

WˉCDMA，cdmaˉ2000和TDˉSCDMA，将在全球以三足鼎立之势争夺“3G”市场和未来发展。

1.5.1蜂窝无线网构成特征

下图是围绕基站子系统（BSS）的数字移动通信系统的基本组成部分。

1.移动台（MS）

    是移动系统中直接由用户使用的移动设备，并分为“手机”和车载台两种

●功能———执行接入无线网、控制与处理主被叫通信;提供人—机接口:

送、受话器、显示器与键盘;适配器—与计算机、其他设备连接，独立上网功能。

●注册与管理———具备用户识别号码，并由电话局一次性注入相应移动台。

内置包括用户信息的SIM卡（SubscriberIdentityModule）。

2.基站分系统（BSS）

●是无线移动网的通信部分的所有地面基础设施。

BSS通过无线接口与移动台连接，通过基站控制器（BSC）与移动交换中心连接;BSS完成无线发送、接收和管理功能，还接受网管系统控制。

3.交换子系统（MSS）

●MSS包括移动交换中心（MSC）和存储用户数据和移动管理信息库。

MSS还管理移动网中用户与其他通信网的通信。

4.操作和维护分系统

    以电信管理网TMN的概念规定管理目标，网内所有操作维护设备形成一个完整的系统，对网内业务控制设备进行全面管理。

1.5.2蜂窝小区特点

1.蜂窝形状

●采用六边形小区（hexagohalcellpattern），有效覆盖率大:

。

●七小区蜂窝制———中心小区与周边6个小区天线间等距离:

。

●小区中心到各顶角距离等于边长，便于合理的重复使用（reuse）频率。

2.频率重用

●根据总频率数与小区规模确定小区簇大小如N=7。

这样若网络总频率数为395个，则各小区平均频率数目为395/7=56个。

一般小区分配10～50个频率。

●同一重用频率小区天线间最小距离D=4.6R。

3.小区容量及其扩展

    当小区移动用户增多而移动网频率数有限，小区可能发生堵塞，解决办法如下:

●开通未使用的频道;

●频率借用———动态调用邻近频率不紧张小区的频率。

●蜂窝小区分割———将小区再分割为微小区，甚至微微小区，仍为六角形结构。

如:

通常蜂窝小区为6.5～13km（半径），可分割为最小为1.5km的微小区。

●蜂窝小区扇形化———（CellSectoring）如在小区中心向每隔一个顶角连线分成的3个扇区构成3个平行四边形;若向每个顶角连线则形成6个楔形（锐角正三角形）。

●微蜂窝小区———（microcells）仅有1.0km或几百米范围的微小区，基站功率将大大降低，体积也更小，甚至挂在电杆上。

1.5.3蜂窝系统中的CDMA

1.基于扩频的CDMA

●在第9章已经具体讨论了基于扩频码———PN序列的伪随机性和扩展带宽的特点而实现的特殊调制方式。

●正交编码也是CDMA常用的扩频码，如Walsh-Hadarmad（沃尔什-哈德玛）码，是由n×n方阵的各行构成。

如IS-95（2G）系统窄带CDMA前向链路64个逻辑信道采用64×64Walsh矩阵的64bit正交码来区分信道（号码）。

当用这种互相关系数ρ=0的正交码作为多址码时，当各用户码片不能保持同步时，则彼此不再正交，引起很大自干扰。

（参见下面例10-10与例10-11）。

●蜂窝系统的CDMA采用直接序列扩频（DS-SS），总的系统带宽中，前向、反向信道各占一半。

前向信道，对于数据和话音是以8.55kbit/s附加检错位后为9.6kbit，再进行（n0，k0，N）=（2，1，9）卷积编码，速率为19.2kbit/s，并进行一定交织深度的块交织编码———20ms的24×16阵列，则速率为19.2kbit/s。

●IS-95系统的DS-SS功能是，将19.2kbit/s的信息流，利用64×64Walsh矩阵中的1行———将Rb=19.2kbit/s扩展到Rc=64Rb=64×19.2=1.228Mbit/s。

●发送信号———以QPSK调制方式，发射速率为1.228Mbit/s的射频信号（到移动站用户）。

2.蜂窝CDMA特点与优点

●任何用户可全时、全频带利用系统。

●具有软容量特点，可方便地增加用户数，但同时也提高了背景噪声电平，性能随之下降。

●抗多径衰落，特别是因带宽大，抗频率选择性能强。

●PN码具有极短的码片宽度Tc，比信道相关时间小得多，因为PN序列有低自相关性，因此超过一个码片Tc的同步延时被认为是噪声，可利用Rake机进行分集接收。

●移动用户越过小区边界采用软切换方式。

3.蜂窝CDMA缺点

●自干扰———N个用户在一个小区内，对于接收者来说若各个PN码不能完全相干，而会对其产生N-1倍于接收信号功率的干扰量。

因此扩频处理增益Gp必须以它提供的干扰容限Jm来“吃掉”这一自干扰，并做到Jm/（N-1）尚有余量来抗外来干扰。

●远-近效应（near-fareffect）———这是DS-SSCDMA多用户共用同一频道所特有的问题。

如基站接收各移动站信号，距其近的站较距其远的站接收信号强度大，因此强接收信号就提高了弱信号在基站解调器的背景噪声电平。

●功率控制———针对远-近效应，蜂窝移动系统采用了功率控制，如基站向小区内各移动站不断发出800Hz导频，各移动站凭收到导频电平大小，向相反大小调整发射信号电平，以达到基站收到远近不同移动站的电平趋于相等。

4.软切换（softhandoff）

（1）软切换:

是CDMA系统特有的越区切换功能，移动用户在越过小区边界时，未放弃旧小区通道之前便获得新进小区的通道。

（2）软切换过程:

DS/CDMA系统中没有频率重用问题，邻区干扰不大，因此软切换机制将通话中的移动台临时连接到邻近多个基站