西安电子科技大学：《数字通信理论与系统》课程教学课件（研究生）第12章多用户通信.pdf_大学文库

第12章多用户通信 TDD方式除了收发隔离度容易做到很高之外，还有当双向业务量相差很大时便于调配，以及收发信道的特性具有互易对称性等优点，因此在3G或4G宽带移动通信中得到了广泛的应用。 (3)半双工方式半双工也是一种时分双工，是人为手动地实现收发切换，而不是基于电子开关自动切换的双工方式。 12.13通信网的拓扑结构采用多址技术可以构成各种拓扑结构的通信网， ()星形网星形网，也称一点对多点的通信系统，它是由一个中心站(Hb)与多个小站之间的单向或双向通信链路构成的。由中心站到各个小站的传输链路称正向链路(Forward Link或Outband Link),由各个小站到中心站的传输链路称为反向链路(Return Link或Inbound Link),小站之间的通信通过中心站中继转发。在卫星通信中，中心站与各个小站都是地面站（或机载站），其正向或反向传输链路都包含有两段，即由地面站到卫星中继设备的上行链路(Uplink)和由卫星中继设备到地面站的下行链路(downlink)。 (2)网状网网状网(Msh网)是一种没有中心站的多点对多点的通信系统：如果网络中任意两个用户站 (通信终端)都存在直接传输链路，则构成的是全连接的网状网，否则是部分连接的网状网。多个通信终端也可通过一个中继节点（如卫星透明转发器）而构成网状网，这时一对通信终端之间的传输链路只有相对于中继节点的上行和下行两段链路。 (③)混合型拓扑结构通信网星形网与网状网可以混合起来构成混合型拓扑结构的通信网，例如树形结构的网络添加些直通链路就可以构成混合型网络，网状网增加一些Hb节点也可以构成混合型网络。 ()拓扑结构随时间而变的通信网 ①漫游型通信网：一般是指具有用户漫游功能的蜂窝形移动通信网或集群通信系统。用户终端可以在不同的蜂窝型星形子网之间漫游，保持与网中另一个用户终端进行通信。 ②存储转发型通信网：一般是借助一个移动的中继节点构成的通信网。例如以低轨道卫星作为移动的中继节点，卫星每到一个地区接收并存储可视区域内的地面站发送的信息，同时从它在以前接收和存储的西安电子料技大学

第 12 章多用户通信西安电子科技大学 3 TDD 方式除了收发隔离度容易做到很高之外，还有当双向业务量相差很大时便于调配，以及收发信道的特性具有互易对称性等优点，因此在3G或4G宽带移动通信中得到了广泛的应用。 (3) 半双工方式半双工也是一种时分双工，是人为手动地实现收发切换，而不是基于电子开关自动切换的双工方式。 12.1.3 通信网的拓扑结构采用多址技术可以构成各种拓扑结构的通信网。 (1) 星形网星形网，也称一点对多点的通信系统，它是由一个中心站(Hub)与多个小站之间的单向或双向通信链路构成的。由中心站到各个小站的传输链路称正向链路(Forward Link 或 Outband Link)，由各个小站到中心站的传输链路称为反向链路(Return Link 或 Inbound Link)，小站之间的通信通过中心站中继转发。在卫星通信中，中心站与各个小站都是地面站(或机载站)，其正向或反向传输链路都包含有两段，即由地面站到卫星中继设备的上行链路(Uplink)和由卫星中继设备到地面站的下行链路(downlink)。 (2) 网状网网状网(Mesh 网)是一种没有中心站的多点对多点的通信系统；如果网络中任意两个用户站 (通信终端)都存在直接传输链路，则构成的是全连接的网状网，否则是部分连接的网状网。多个通信终端也可通过一个中继节点(如卫星透明转发器)而构成网状网，这时一对通信终端之间的传输链路只有相对于中继节点的上行和下行两段链路。 (3) 混合型拓扑结构通信网星形网与网状网可以混合起来构成混合型拓扑结构的通信网，例如树形结构的网络添加一些直通链路就可以构成混合型网络，网状网增加一些 Hub 节点也可以构成混合型网络。 (4) 拓扑结构随时间而变的通信网 ① 漫游型通信网：一般是指具有用户漫游功能的蜂窝形移动通信网或集群通信系统。用户终端可以在不同的蜂窝型星形子网之间漫游，保持与网中另一个用户终端进行通信。 ② 存储转发型通信网：一般是借助一个移动的中继节点构成的通信网。例如以低轨道卫星作为移动的中继节点，卫星每到一个地区接收并存储可视区域内的地面站发送的信息，同时从它在以前接收和存储的

第 12 章多用户通信西安电子科技大学 4 其他区域地面站发送的信息中，挑选出其目的站点位于本区域内的信息进行转发。 ③ 移动自组织网络(Ad Hoc)： Ad Hoc 是一种多跳的临时性自治化系统。一方面网络信息采用分组交换机制，各个用户终端是可以移动的无线便携式终端，每个终端都兼有主机和路由器两种功能；另一方面其网络拓扑结构可以动态变化，没有严格的控制中心，所有节点的地位平等，节点可以随时加入或离开，节点之间的通信可以通过多跳路由实现。 12.2 各种基本多址方式的主要特点和应用 12.2.1 随机接入多址(Aloha) (1) 基本协议 Aloha 的基本原理是：多个用户随机地发送一个又一个的数据分组给同一个站接收，接收站每一时段只能接收一个用户的信息，因此有些分组被成功接收，另一些分组因相互碰撞而接收失败；接收站将接收成败的信息反馈发送给各个发送用户，当用户得知当前分组被成功接收时就接着发送下一个分组；如果没有成功传输则随机地延迟一段时间再重新发送这个分组，直至成功。 Aloha 系统有同步 Aloha 和异步 Aloha 两种典型的系统，或分别称为时隙 Aloha 和纯 Aloha。 (2) 纯 Aloha 的数据吞吐率设分组发送的起始时间是泊松过程，其平均速率为λ 个分组/秒，令Tp 表示一个分组的持续时间，则归一化信道业务量G 定义为 G T = λ p (12.2-1) 设冲突的分组延迟τ 后重发，随机数τ 的 PDF 为 () e a p a τ τ − = (12.2-2) 其中 a 为某个常数。令λ′为分组成功发送时的速率，则归一化信道吞吐量为 p S T = λ′ (12.2-3) 按照泊松分布，分组不重叠的概率为 p 2 2 e e − λT − G = ，于是S 与G 的关系为 2 e G S G − = (12.2-4) 此关系曲线如图 12.2-1 所示，最大值为 max S =1/ 2e 0.184 = (分组/时隙)。 (3) 时隙 Aloha 的数据吞吐率图 12.2-1 Aloha 系统的数据吞吐率

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

第 12 章多用户通信西安电子科技大学 8 存在远近效应虽然是 CDMA 系统的一个缺点，但是各个用户有了闭环功率控制之后，发射功率始终控制在最低限附近，使用户平均发射功率更小，这反而成为一个优点。当然，CDMA 手机比基于 TDMA 的 GSM 手机更省电的另一个更重要原因是，前者发射信号的峰平功率比要比后者低得多，因而其射频功率效率高得多。 (2) 异步 CDMA 系统的信道容量对于异步 CDMA 系统来说，即使各个用户的 PN 码是相互正交的，但也会存在多址干扰，因为正交是在同步条件下成立。当用户数较多时，所产生的多址干扰非常类似于高斯白噪声干扰；因此，一个含有 K 个用户的异步 CDMA 系统，假设各个用户发射的功率到达接收端时都为 P ，那么任意一个用户(例如第k 个)信道的信道容量可用香农公式给出： 2 0 log 1 ( 1) k P C W WN K P ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ + − (12.2-14a) 增大各个用户的发射功率，多址干扰也随之增大，当多址干扰功率( 1) K P －增大到可以与信道噪声总功率WN0相比拟时，多址干扰开始明显影响信道容量；再进一步增大各个用户发射功率，容量不再明显增大而进入饱和状态，。为表示为归一化容量 / C W k 与 b 0 E N/ 的关系，将上式可改写为 / C W k 0 2 b 0 ( / )( / ) log 1 1 ( 1)( / ) / b k k ENCW K C WE N ⎡ ⎤ = + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ＋－ (12.2-14b) 当多址干扰起决定性作用时，再增加用户数 K 不仅不能增加系统的总信道容量，还会使总容量逐步降低。设 0 ( 1) K P WN − ，则由上式得到的归一化总容量近似为 2 1 / / log 1 1 C W KC W K k K ⎛ ⎞ =≈+ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ － (12.2-15) C W/ 与 K 的关系曲线如图 12.2-3 所示，即归一化总容量随着 K 的增大而逐步降低。图 12.2-2 异步 CDMA 系统的容量饱和现象图 12.2-3 多址干扰为主时 CDMA 系统总容量与用户数的关系曲线 (3) 同步 CDMA 系统的信道容量

第12章多用户通信同步CDMA系统的各个用户子信道的容量不同于式(I2.2-15),应修正为 C.-mog,1+N+K-P) (12.2-16) 其中6就是式(12.2-13)所示的互相关系数。有可能在一定条件下做到6=0。实际上只要 82N/(K-1)P=1/I(K-1)] (12.2-17) 多址干扰就可以忽略不计，其中=P1。)是接收到每一个用户信号的信噪比。由于CDMA系统是扩频系统，其扩频倍数一般都大于用户数K,虽然信噪比1，也不难满足上述条件。例如：当各个用户扩频倍数为N=64,用户数K=8时，则在高斯白噪声条件下各个用户的信噪比一般为≤0.1，那么当8≤0.02即6≤0.14时，多址干扰的影响就可以忽略不计，而控制6的值到这个范围一般是容易实现的。影响互相关系数大小的因素主要有四个：载波频偏、符号的时间同步误差、收发两端的相对运动存在较大的加速度、存在多径效应。前两个因素的影响一般可以忽略不计。实际上第二代蜂窝网CDMA移动通信系统的大量实践已经证明，在一定条件下同步CDMA 系统的多址干扰是可以忽略不计的。时变多普勒频移现象和多径效应这两个因素对于互相关值的影响，是采用常规的处理方法无法消除的，直接影响接收检测性能，限制信道容量的提高。限制同步CDMA系统信道容量最大化的另一个障碍是，可用的正交PN码个数的限制。总信道被码分复用地分割成K个用户子信道后，假设多址干扰可以忽略不计，则各个用户子信道的容量为 Gmf品me器) (bps) (12.2-18) 其中和，分别为第k个用户的信息速率和每个比特的能量。由于这是一个具有K个用户的 CDMA系统，各个用户的特征码采用L长的二值PN码，即扩频倍数为L,各用户的最大归一化容量为C1W=,/L(bsHz),其中n,为码片成形波的频带效率。于是K个子信道的归一化总容量为 cIC /W=Kn,IL<1(Baud/z) (12.2-19) 由此可见，由于可用正交码个数K<L而直接导致信道总容量不能最大化。 (④增大同步CDMA系统信道容量的办法 ①采用多用户联合检测消除多址干扰的影响。 ②寻找尽可能多的推正交用户码。 ③采用M进制正交波形调制来增大CDMA系统信道容量。西安电子科技大学

第 12 章多用户通信西安电子科技大学 9 同步 CDMA 系统的各个用户子信道的容量不同于式(12.2-15)，应修正为 2 0 log 1 ( 1) k P C W WN K P δ ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ + − 2 (12.2-16) 其中δ 就是式(12.2-13)所示的互相关系数。有可能在一定条件下做到δ ≈ 0。实际上只要 2 δ 0 WN K P / [( 1) ] − = S/N ( ) 1/ [( 1) ] k K − γ (12.2-17) 多址干扰就可以忽略不计，其中 S/N ( ) 0 /( ) k γ = P WN 是接收到每一个用户信号的信噪比。由于 CDMA 系统是扩频系统，其扩频倍数一般都大于用户数 K ，虽然信噪比 S/N ( ) k γ 1，也不难满足上述条件。例如：当各个用户扩频倍数为 N =64，用户数 K =8 时，则在高斯白噪声条件下各个用户的信噪比一般为 S/N ( ) 0.1 k γ ≤ ，那么当 2 δ ≤ 0.02 即δ ≤ 0.14 时，多址干扰的影响就可以忽略不计，而控制δ 的值到这个范围一般是容易实现的。影响互相关系数大小的因素主要有四个：载波频偏、符号的时间同步误差、收发两端的相对运动存在较大的加速度、存在多径效应。前两个因素的影响一般可以忽略不计。实际上第二代蜂窝网 CDMA 移动通信系统的大量实践已经证明，在一定条件下同步 CDMA 系统的多址干扰是可以忽略不计的。时变多普勒频移现象和多径效应这两个因素对于互相关值的影响，是采用常规的处理方法无法消除的，直接影响接收检测性能，限制信道容量的提高。限制同步 CDMA 系统信道容量最大化的另一个障碍是，可用的正交 PN 码个数的限制。总信道被码分复用地分割成 K 个用户子信道后，假设多址干扰可以忽略不计，则各个用户子信道的容量为 Ck () () b b 2 2 0 0 log 1 log 1 k k W W P RE k WN WN ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = += + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝⎠⎝ ⎠ (bps) (12.2-18) 其中 ( ) b k R 和 ( ) b k E 分别为第k 个用户的信息速率和每个比特的能量。由于这是一个具有 K 个用户的 CDMA 系统，各个用户的特征码采用 L 长的二值 PN 码，即扩频倍数为 L ，各用户的最大归一化容量为Ck /W =ηg / L (bps/Hz)，其中ηg 为码片成形波的频带效率。于是 K 个子信道的归一化总容量为 C W/ = 1 K k k C = ∑ /W = g K L η / < 1(Baud/Hz) (12.2-19) 由此可见，由于可用正交码个数 K < L 而直接导致信道总容量不能最大化。 (4) 增大同步 CDMA 系统信道容量的办法 ① 采用多用户联合检测消除多址干扰的影响。 ② 寻找尽可能多的准正交用户码。 ③ 采用 M 进制正交波形调制来增大 CDMA 系统信道容量

第12章多用户通信采用M进制正交波形调制（即M元扩领）是十分有益的，它不仅能减小多址干扰的影响，而且有助于找到更多可用的准正交用户码来扩大用户数容量。 (⑤基于Wash调制和PN长码加扰的同步CDMA系统先证明对于存在多址干扰的K个用户的CDMA系统，采用M进制正交波形调制，有助于减小多址干扰的影响设所用M种正交波形是由相互正交的L长的二进制序列，例如Walsh序列 {C={,c,c,m=0,1,2,M-1经码片成形后所得成形波。各个用户的信息中每K比特看作一个符号，K=1og,M,每个符号用{C,m=0,12,M-1}中的一个码片序列表示，即实现M 元扩频：然后将各个用户扩频所得到的码片序列与它的特征码序列逐个码片地进行模2加，设某用户的特征码为{PO,p,pL-},它的某个符号扩频所得码片序列为{c(O,c,c(L-},则二者的模2加就是{c(O)⊕pO,c)⊕p,c(L-1)⊕p(L-1}:再进行波形成形、调制到射频后发送出去。设R和E分别为符号速率和每个符号的能量，则有R=R/K,E=KE,P=RE=RE。于是每个用户归一化信道容量为 RE C/W-log:1+WN,+K-RE] (12.2-20a) (RIW)EIN。 =1oe21++6K-1WR/w6N] (bps/Hz）而相应的K个用户的二进制调制CDMA系统的归一化容量为 (E1WE:/N。 CW'=log:++((KN] (bps/Hz) (12.2-20b) 那么二者达到相同的信道容量（风/W=R/W→C1W=C/W)时的归一化信噪比分别为E1N。和公/N,。根据香农公式描出的香农容量限曲线可知，M进制正交波形调制达到信道容量时的归一化信噪比应显著小于二进制波形调制的，即E/N。</N。此外，由于各个用户同一时间发送的符号扩频所得码片序列{(O),c),.,c(L-1)有M种可能，相互正交的概率很高，即使用户特征码之间的互相关系数较大，与正交的码片序列进行模2加之后，其互相关的值也可能变得很小。因此有充分理由认为：互相关系数68，则有 62(K-IXR/W)EIN()(K-1XR/W)Es/No 注意这是上式分母中第二项，其物理意义是多址干扰功率与噪声功率之比。这意味着达到相同的归一化信道容量时，M进制正交波形调制CDMA系统的多址干扰影响，远小于二进制正交波形调制CDMA系统中多址干扰影响：或者说前者可通过增大用户发射功率西安电子科技大学 10

第 12 章多用户通信西安电子科技大学 10 采用 M 进制正交波形调制(即 M 元扩频)是十分有益的，它不仅能减小多址干扰的影响，而且有助于找到更多可用的准正交用户码来扩大用户数容量。 (5) 基于 Walsh 调制和 PN 长码加扰的同步 CDMA 系统先证明对于存在多址干扰的 K 个用户的 CDMA 系统，采用 M 进制正交波形调制，有助于减小多址干扰的影响。设所用 M 种正交波形是由相互正交的 L 长的二进制序列，例如 Walsh 序列 { ( ) m C = () () () 01 1 { , , } mm m L cc c " − ，m M = − 0,1,2, , 1 " }经码片成形后所得成形波。各个用户的信息中每Ks 比特看作一个符号，Ks = 2 log M ，每个符号用{ ( ) m C , m M = 0,1,2, , 1 " − }中的一个码片序列表示，即实现 M 元扩频；然后将各个用户扩频所得到的码片序列与它的特征码序列逐个码片地进行模 2 加，设某用户的特征码为{ (0), (1), , ( 1)} p p pL " − ，它的某个符号扩频所得码片序列为{ (0), (1), , ( 1)} c c cL " − ，则二者的模 2 加就是 { (0) (0), (1) (1), , ( 1) ( 1)} c p c p cL pL ⊕ ⊕ −⊕ − " ；再进行波形成形、调制到射频后发送出去。设 Rs 和 Es 分别为符号速率和每个符号的能量，则有 Rs = Rb / Ks ，Es = Ks Eb ，P = R Es s = Rb Eb 。于是每个用户归一化信道容量为 ( ) b b 2 2 0 bb b b0 2 2 b b0 / log 1 ( 1) (/) / log 1 bps / Hz 1 ( 1)( / ) / R E C W WN K R E R WE N K R WE N δ δ ⎡ ⎤ = + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ + − ⎡ ⎤ = + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ + − (12.2-20a) 而相应的 K 个用户的二进制调制 CDMA 系统的归一化容量为 C W′ ′ / = b b0 2 2 b b 0 (/)/ log 1 1 ( ) ( 1)( / ) / R WE N δ K R WE N ⎡ ⎤ ′ ′′ ⎢ ⎥ + + − ′ ′ ′′ ⎣ ⎦ (bps/Hz) (12.2-20b) 那么二者达到相同的信道容量( b R W ′ ′ / = b R /W → C W′ / ′ = C W/ )时的归一化信噪比分别为 b 0 E N/ 和 b 0 E N ′ / 。根据香农公式描出的香农容量限曲线可知，M 进制正交波形调制达到信道容量时的归一化信噪比应显著小于二进制波形调制的，即 b 0 E N/ < b 0 E N ′ / 。此外，由于各个用户同一时间发送的符号扩频所得码片序列{ (0), (1), , ( 1)} c c cL " − 有 M 种可能，相互正交的概率很高，即使用户特征码之间的互相关系数较大，与正交的码片序列进行模 2 加之后，其互相关的值也可能变得很小。因此有充分理由认为：互相关系数δ δ′，则有 2 δ b b0 ( 1)( / ) / K R WE N − 2 ( ) δ′ b b 0 ( 1)( / ) / K R WE N − ′ ′ ′ 注意这是上式分母中第二项，其物理意义是多址干扰功率与噪声功率之比。这意味着达到相同的归一化信道容量时，M进制正交波形调制CDMA系统的多址干扰影响，远小于二进制正交波形调制 CDMA 系统中多址干扰影响；或者说前者可通过增大用户发射功率

西安电子科技大学：《数字通信理论与系统》课程教学课件（研究生）第12章 多用户通信

西安电子科技大学：《数字通信理论与系统》课程教学课件（研究生）第12章多用户通信