無線通訊系統概論 行動通訊與網路 Chapter 7 多重分工技術

多重分工的概念與模型 多重存取技術是基於信號的正交性（orthogonalization）。無線信號可以表示為頻率、時間或碼的函數，如下： 其中s(f, t)是頻率與時間的函數，而c(t)是碼的函數 。 當c(t) = 1，s(f, t, c) = s(f, t) c(t)。 在FDMA中，兩信號的正交性條件如下： s(f, t, c) = s(f, t) c(t) 第 7 章 多重分工技術 第 176　頁

圖7.1 FDMA 的概念 頻率 用戶 1 用戶 2 用戶 n … 時間 碼 第 7 章 多重分工技術 第 177　頁

圖7.2 FDMA 系統的基本架構 BS 逆行通道 (上行) 順行通道 (下行) f’1 f1 MS #1 f’2 f2 MS #2 … … fn … 順行通道 (下行) f’1 MS #1 MS #2 MS #n … f’2 … … f’n 逆行通道 (上行) 第 7 章 多重分工技術 第 178　頁

圖7.3 FDMA的上行與下行通道之通道 頻率 頻率 … f’1 f’2 f’n f1 f2 fn 上行通道 下行通道 保護頻帶 1 2 3 保護頻寬 保護頻帶 1 2 3 … N 頻率 整體頻寬 W = NWc 4 子頻帶 第 7 章 多重分工技術 第 179　頁

分時多重存取 TDMA 的正交性條件為： 表示信號si (f, t) 與sj (f, t) 在時間軸T上沒有重疊的時間。 第 7 章 多重分工技術 第 179　頁

圖7.5 TDMA 的概念 頻率 用戶 1 用戶 2 用戶 n … 時間 碼 第 7 章 多重分工技術 第 179　頁

圖7.6 TDMA系統的基本架構 BS 頻率 f ’ 順行通道 (下行) MS #1 MS #2 … MS #n 逆行通道 (上行) 時槽 訊框 t 頻率 f #2 #n #1 … #1 … … MS #1 t #2 … #2 … … MS #2 t … … #n … #n … MS #n t 訊框 訊框 逆行通道 (上行) 第 7 章 多重分工技術 第 179　頁

圖7.7 TDMA/FDD系統的上行與 下行通道之架構 訊框 訊框 訊框 #1 #2 … #n #1 #2 … #n #1 #2 … #n t (a) 下行通道 … t f ’ #1 #2 #n (b) 上行通道 訊框 第 7 章 多重分工技術 第 180　頁

圖7.8 TDMA/FDD系統的上行與 下行通道之架構 訊框 訊框 頻率 f = f ’ #1 #2 … #n #1 #2 … #n #1 #2 … #n #1 #2 … #n 時間 下行通道 上行通道 下行通道 上行通道 第 7 章 多重分工技術 第 180　頁

圖7.9 TDMA訊框架構 頻率 時間 訊框 訊框 訊框 #1 #2 … #n #1 #2 … #n #1 #2 … #n 標頭 資料 保護時間 第 7 章 多重分工技術 第 181　頁

分碼多重存取 CDMA 的正交性條件為： 表示信號si(t) 與sj(t) 在碼軸 C 無重疊的信號，且信號沒有任何雷同的碼。 第 7 章 多重分工技術 第 181　頁

圖7.10 CDMA的概念 頻率 用戶 1 時間 用戶 2 用戶 n 碼 . 第 7 章 多重分工技術 第 182 　頁

圖7.11 CDMA 系統的架構 … … … 頻率 f ’ 頻率 f BS 逆行通道 (上行) 順行通道 (下行) C1’ C1 MS #1 Cn’ Cn MS #n BS 逆行通道 (上行) 順行通道 (下行) 第 7 章 多重分工技術 第 182　頁

分碼多重存取 CDMA 做為一種多重存取系統，是目前最受矚目的下一世代行動通訊系統之核心技術。CDMA 系統通常是以細片速率來量化，其定義為每秒所改變的位元量。細片速率通常用在CDMA 系統。 目前有兩種基本型態的CDMA 實作方式：直接序列（direct sequence; DS）與跳頻（frequency hopping; FH）。由於實務上除非使用超高速（頻率）合成器，否則FH 技術是難以使用的，因此一般來說DS 是最可行的方式，每選定一個碼，就動態地分配給各行動台。 第 7 章 多重分工技術 第 182　頁

圖7.12 展頻 圖7.12 顯示欲傳送的訊息訊號m(t)用碼信號c(t)，作展頻成為資料信號s(t)。即是， 頻率 功率 頻率 功率 數位 圖7.12 展頻 圖7.12 顯示欲傳送的訊息訊號m(t)用碼信號c(t)，作展頻成為資料信號s(t)。即是， 頻率 功率 頻率 功率 數位 信號 s(t) 碼 c(t) 展頻 信號 m(t) 第 7 章 多重分工技術 第 183　頁

直接序列展頻(DSSS) 在DSSS 方法中，無線信號是乘以一個偽隨機（pseudorandom）序列，其本身頻寬比信號大得許多，是以展開它的頻寬（圖7.13）。這是一種調變技術，偽隨機序列直接將（資料調變）載波作相位調變，增加傳輸頻寬與降低頻譜功率密度（亦即，在任一頻率的功率）。 第 7 章 多重分工技術 第 183　頁

圖7.13 直接順序展頻的概念 碼 c(t) 展頻信號 m(t) 展頻 傳送器 碼 c(t) 數位信號 s(t) 解展頻 接收器 功率 圖7.13 直接順序展頻的概念 碼 c(t) 展頻信號 m(t) 展頻 傳送器 碼 c(t) 數位信號 s(t) 解展頻 接收器 功率 數位信號 s(t) 頻率 頻率 功率 頻率 功率 第 7 章 多重分工技術 第 184　頁

頻率跳躍展頻(FHSS) 在FHSS 方法中，偽隨機序列是以隨機方式在寬頻率帶（圖7.14）上改變無線信號的頻率。展頻調變技術意味著無線發送端在通道之間作跳頻，雖然這規律是事先決定，它是隨機的。 RF 信號在接收端利用一個受偽隨機序列產生器（此產生器與發送端的偽序列產生器是同步的）控制的頻率合成器作解跳頻。跳頻可以是快速跳頻，如每資料位元數個跳頻，或慢速跳頻，如數個資料位元才一次跳頻。 第 7 章 多重分工技術 第 184　頁

圖7.14 頻率跳耀展頻系統的概念 m(t) 接收器 傳送器 展頻 解展頻 數位信號 數位信號 s(t) 展頻信號 s(t) 功率 功率 圖7.14 頻率跳耀展頻系統的概念 數位信號 s(t) 解展頻 接收器 跳頻 樣式 跳頻 樣式 展頻信號 m(t) 展頻 傳送器 功率 數位信號 s(t) 頻率 頻率 功率 頻率 功率 第 7 章 多重分工技術 第 184　頁 20

圖7.15 頻率跳耀式的範圍 頻率 時間 第 7 章 多重分工技術 第 185　頁

Walsh 碼 在CDMA ，各用戶是被分配到一個或多個從正交碼得到的正交波形。由於波形是正交的，不同碼的用戶不會相互干擾。 CDMA 的用戶之間必須同步，因為波形的正交需仰賴時間的同步。一個重要的正交碼集合是Walsh 集合 第 7 章 多重分工技術 第 185　頁

圖7.16 Walsh 碼 Wal (0, t) t Wal (1, t) t Wal (2, t) t Wal (3, t) t 第 7 章 多重分工技術 第 185　頁

圖7.17 近－遠的問題 接收信號強度 距離 距離 MS2 MS1 MS2 BS MS1 d2 BS d1 圖7.17 近－遠的問題 MS2 BS MS1 接收信號強度 距離 距離 d2 MS2 BS d1 MS1 第 7 章 多重分工技術 第 186　頁

圖7.18 相鄰通道干擾 MS1 MS2 頻率 f1 f2 第 7 章 多重分工技術 第 187　頁

圖7.19 展頻系統中的干擾 干擾基頻信號 干擾信號 基頻信號 展頻 信號 頻率 頻率 頻率 f 解展頻信號 f 第 7 章 多重分工技術 第 187　頁

正交分頻多工 OFDM 的基本策略是將高速率無線信號分成多個低速率子信號，並同時在多個正交載波頻率上傳送。在OFDM 中，兩信號的正交性條件如下： 第 7 章 多重分工技術 第 188　頁

正交分頻多工 數學上已經證實正弦波（sinusoidal wave）是週期波（整數週期T），並具正交性。 OFDM 的發送端將高速資料流轉換成n 個平行低速位元流，然後經過調變，結合反離散傅鑲葉轉換（inverse discrete Fourier transform; IDFT），接著加入保護時間以降低ISI 。在接收端則反向操作上述動作。 第 7 章 多重分工技術 第 189　頁 28

圖7.20 OFDM 信號的頻譜 (a) 單一OFDM子通道 (b) 多個OFDM 子通道 第 7 章 多重分工技術 第 188　頁

圖7.21 OFDM 發射器的調變步驟 N1 轉換序列至平行 N2 IDFT …. Nn 低速位元串流 插入保護時間 傳送 OFDM 信號 高速資料 …. 串流 Nn 第 7 章 多重分工技術 第 189　頁 30

圖7.22 OFDM 接收器的調變步驟 N1 移除保護時間 DFT 轉換平行至序列 N2 高速資料 串流 …. Nn 接收 OFDM 信號 第 7 章 多重分工技術 第 189　頁

空間分隔多重存取 在SDMA，全向性通訊空間是被切成數個空間分區（spatially separable sectors），利用在基地台使用智慧型天線，讓多個行動台同時使用相同通道。 第 7 章 多重分工技術 第 189　頁

圖7.23 SDMA的概念 波速 n 波速 1 波速 2 波速 3 波速 i s(f,t,c) 第 7 章 多重分工技術 第 190　頁

圖7.24 SDMA 系統的基本架構 波速1 波速 2 波速 3 MS3 MS2 BS MS1 第 7 章 多重分工技術 第 190　頁

表7.1 各種多重分攻技術之比較 第 7 章 多重分工技術 第 191　頁

圖7.25 FDMA 和OFDMA 第 7 章 多重分工技術 第 192　頁

圖7.26 OFDM和OFDMA 第 7 章 多重分工技術 第 192　頁

圖7.27 FDMA 和OFDMA的循環字首 第 7 章 多重分工技術 第 193　頁

調變技術 振幅調變（amplitude modulation; AM）是第一種用於將聲音資訊從一地傳至另一地的方法。固定頻率的載波信號，其振幅隨著傳送資料信號而變動。載波之振幅大小依調變信號大小而成正比。調變載波信號s (t) 為： 其中A cos (2πfct) 是具振幅A 與載波頻率fc 之載波信號，以及x (t) 為調變信號。A 是信號的直流電（dc）這部分。我們知道x(t)cos (2πfct) 代表一個雙邊帶（double sideband; DSB）信號。 第 7 章 多重分工技術 第 194　頁

圖7.28 振幅調變 訊息信號 x(t) 載波信號 AM 信號 s(t) 第 7 章 多重分工技術 第 194　頁

頻率調變 頻率調變（frequency modulation; FM）是一種以波的瞬時頻率之變異將資訊信號與交流電（ac）作整併。載波是被資訊信號所延伸或擠壓，而載波的頻率隨著調變電壓作改變。所傳送的信號形式為： 其中f Δ是尖峰頻率偏移（peak frequency deviation），這是FM 信號在 條件下距離原始頻率之最大差異。 第 7 章 多重分工技術 第 195　頁

圖7.29 頻率調變 訊息信號 x(t) 載波信號 Tie FM 信號 s(t) 第 7 章 多重分工技術 第 195　頁

頻率移位鍵 頻率移位鍵（frequency shift keying; FSK）係利用不同頻率對“1”或“0”在兩載波上作數位信號的調變。載波的差異就是頻率移位。 一種明顯方法用來產生FSK 信號是當資料位元為“1”或“0”時在兩獨立震盪器之間作切換。這種FSK 叫做非連續性FSK ，因為所產生的波形在切換時間是不連續的。相位的不連續性造成許多問題，包括頻譜擴散（spectral spreading）與偽造傳輸（spurious transmissions）。 第 7 章 多重分工技術 第 196　頁

頻率移位鍵 一種常見的方法用來產生FSK 信號是以訊息波形對單一載波震盪器作頻率調變。這種調變是類似FM 產生，除了調變信號是二進位形式。FSK 具有高信號雜訊比（signal-to-noise ratio; SNR），但低頻譜效率。它是用在所有早期的低位元率數據機。 第 7 章 多重分工技術 第 196　頁

圖7.30 頻率移位鍵 二進位 ‘1’的 載波信號 1 二進位 ‘0’的 載波信號 2 訊息信號 x(t) FSK 信號 s(t) 圖7.30 頻率移位鍵 二進位 ‘1’的 載波信號 1 二進位 ‘0’的 載波信號 2 1 0 1 1 0 1 訊息信號 x(t) FSK 信號 s(t) 第 7 章 多重分工技術 第 196　頁

相位移位鍵 在數位傳輸，載波的相位是隨著參考相位及依照所傳送的資料作離散改變的。相位移位鍵（phase shift keying; PSK）是一種傳送與接收數位信號的方法，其中傳送信號的相位是可變的。 舉例，在編碼時，相位移位可用0° 對“0”作編碼，而以180° 對“1”作編碼，因此“0”與“1”表示就相差180°。這種PSK 也叫做二進位相位移位鍵（binary phase shift keying; BPSK），因為1 位元是以單一調變符號來傳送 第 7 章多重分工技術第 197 　頁

圖7.31 相位移位鍵 載波信號 載波信號 1 0 1 1 0 1 訊息信號 x(t) PSK 信號 s(t) 圖7.31 相位移位鍵 載波信號 載波信號 1 0 1 1 0 1 訊息信號 x(t) PSK 信號 s(t) 第 7 章多重分工技術第 197 　頁

四相位移位鍵 QPSK 進一步延伸PSK 的概念，它假設相位移位的數目不再限制僅有兩個狀態。傳送的載波可以經過任何數目的相位改變。這其實也正是QPSK 的情況。利QPSK ，載波可以經過四種相位改變，且能夠代表四個二進位樣式的資料，有效地加倍載波的寬。 QPSK 的實作方式是作I/Q 調變，將I（in-phase）與Q（quadrature）信號依相同參考載波信號（換句話說，來自同一本地震盪器）作彙整。 第 7 章 多重分工技術 第 197　頁

圖7.32 BPSK與QPSK的星座圖 Q Q 0,1 1 1,1 0,0 I I 1,0 BPSK (b) QPSK 1,1 0,0 I I 1,0 BPSK (b) QPSK 第 7 章 多重分工技術 第 198　頁

π/4QPSK 在QPSK 與BPSK，輸入序列是以群組中的絕對位址做編碼。 在π/4QPSK 載波的相位為： 若 ，則 若 ，則 第 7 章 多重分工技術 第 198　頁

圖7.33 /4 QPSK 之所有可能狀態轉移 第 7 章 多重分工技術 第 199　頁

正交振幅調變 正交振幅調變（quadrature amplitude modulation; QAM）基本上就是AM 與PSK 的結合，其中兩個相位差90°的載波被作振幅調變。如果鮑率（baud rate）為1,200 Hz，每鮑三個位元，信號可以每秒3,600 位元來傳送。我們將信號以兩個振幅與四個可能相位移位來調變，結合兩者，我們有八個可能的波（表7.2） 第 7 章 多重分工技術 第 199　頁

表7.2 代表性QAM 表 111 代表的位元序列 振幅 相位移位 000 1 001 2 010 p/2 011 100 p 101 001 2 010 p/2 011 100 p 101 110 3p/2 111 第 7 章 多重分工技術 第 200　頁

圖7.34 16 QAM 的長方形星座圖 Q 1000 1100 0100 0000 1001 1101 0101 0001 I 0011 1011 1111 0111 1010 1110 0110 0010 第 7 章 多重分工技術 第 200　頁