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无线通讯多工存取基本技术
 

【作者: 田華湘】2000年05月01日 星期一

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第三代行动电话(W-CDMA)即将在明年由日本率先推出,依据预估,其第一年用户达10万门,第二年可达170万门;欧洲也将于2002年推出,北美地区则延至2005年才推出,届时,全球用户数可累计达到6000万门,这将是「后PC时代」最有潜力的市场。话虽如此,可是,我们应该正视一些基本的问题,也是大多数台湾科技人以往避于不谈的老问题,那就是:「我们除了老跟着别人跑、赚取血汗钱之外,是否可能在某些领域领导外国人跟着我们跑、主动掌握商业利基呢?」


其实,国内已经有些人渐渐地在这几年,倾其公司所有资源在颠覆传统似是而非的思维及作法,都试图在解决这个困扰现代台湾经济近50年的大难题。这是值得称许的,也唯有如此,我们的产品才真正具有「科技生命力」,而不光是一时的「经济流行物」。本文也是基于这个理念,为想要了解或投资第三代行动电话技术者,简单介绍行动电话技术中最重要的「多工存取技术」(Multiple Access)-W-CDMA技术。


何谓「分工」?

W-CDMA是第三代行动电话的核心技术,源自CDMA,意为「分码多工存取」,而W是宽频的意思。 「多工存取」就是「要让众多的行动电话用户同时共享有限的频宽,而且不影响其通讯品质。」要达到这个目的,就出现了三大技术方法:分频多工存取、分时多工存取和分码多工存取。「通道」(Channel)是通讯线路中最小的单位,它可以是「线(Line)、电路(Circuit)、路径(Path)或设备(例如:交换机或交换开关(Switch))」;通道是使用「多工」(Multiplexing)技术产生的,而「多工」就是上述的「分频」、「分时」和「分码」多工。


分频多工(FDM):

利用固定频率和频宽,在电缆或无线电设备上产生个别的讯息通道。每个使用者的话机通道频率范围是固定的、独特的,而且不因通道暂不被使用而改变频率范围;AM和FM广播、电视广播都是采用分频多工的明显例子,因为,我们很少听到三家无线电视台要更改发射频率的新闻,如(图一)上。



《图一 FDM, TDM,CDM示意图》
《图一 FDM, TDM,CDM示意图》

分时多工(TDM):

将固定的时间单位(Timeslot)分配给使用者话机。在这段极短暂的时间里,使用者享有通讯连结(Connect)所需的所有资源,包含频宽大小和缓冲用记忆体,而且,不因通道暂不被使用而改变时间分配的次序,如图一中。 TDM总频宽不因使用者不同而改变,每个使用者都是在平均时间内享用总频宽,这有别于FDM将频宽平均分配给使用者;GSM手机系统就是采用TDMA技术。


分码多工(CDM):

为「展频」(Spread Spectrum)技术的一种。在无线网路上的所有收发机(Transceiver)使用相同的频率范围和极相似的功率发射讯号,每个收发机都被赋予了一个码,这个码和其它收发机上的码在代数定义里是「垂直」(Orthogonal)的。因为是「向量垂直」的关系,所以任何两个接收通道彼此没有任何关系(Uncorrelated),只要知道它的载波频率和展开码(Spreading Code),就可以将讯号解调(Demodulate)或解码。


CDM的收发讯号不会像FDM和TDM一样有「讯息碰撞」(Message Collision)的问题,而「讯息碰撞」在有线电话及电脑网路是很普遍的现象,所以才会有CSMA/CD等通讯协定存在以解决此问题。即使CDM收发讯号同时到达,但由于展开码「垂直」互斥,因此也不会对系统造成影向;而任何使用者所能利用的频率范围等于总频宽,这是和TDM一样的优点。CDM的作用如图一下所示,8个使用者采用不同的码,所以讯号互不干扰,而且,展开码的排列组合数目是2个n次方,因此,通道可以小点代表,分布在任何时间和频率范围内。这简直是​​「匪夷所思」,可是美国军方已经采用此技术10至20年了;GPS、个人通讯系统(PCS)、「极小孔径终端」(VSAT)卫星通讯系统和1.8GHZ的IS-95都是使用CDM。


何谓「存取」?

上面已经简要地介绍了「多工」的意义和种类,下面继续介绍如何利用「多工」技术「存取」共用的资源(Shared Medium)。这里所说的「存取」和电脑资料库的「存取资料」在观念上有些微不同,主要是因为在资料库里存取资料所强调的是「资料」(Data)本身,不在存取的过程,而此处所提的「多工存取」,是强调:「如何善用资源、中央处理器速度、记忆体等所谓媒体(Media)「频宽」限制,有效满足用户的要求,且不牺牲品质。 」


一般而言,「多工存取」有两种模式:1.要求一分配模式;2.随机存取(Random Access)模式。后者是记忆体、硬碟、乙太网路卡和路由器等最常采用的方法,而前者则是有线电话网路、TOKEN RING网路及无线网路常采用的方法。目前,无线网路较常使用的是「要求-分配模式」里的「统计分工」存取,这是利用统计方法和「排队理论」(Queueing Theory)来设计网路系统。「假设讯号到达时间呈Poisson分布」,这种假设有助于排除非线性因素,并使设计工作有理论基础。


「有需求就有供给」是经济学的原理,而「供需均衡」也是经济学里的正常现象。 「统计分工存取」也是在求得一个均衡值,它是平均服务的需求或平均等待服务的时间和平均提供服务的时间长短的均衡。若等待时间太久,代表拥塞,存取费时;反之,代表浪费,因为合理的等待时间是可以接受的,而且可以节省成本。同理,如果提供服务的时间太久,表示处理速率太慢,客户会抱怨;如果服务时间很短,可能代表闲置(Idle),经济效益低落。


展频的简介

由于W-CDMA是属于展频技术,所以我们得先了解展频的定义及功能。展频讯号最大的特征就是「低功率密度」(Low Power Density Spectrum)。因此,在相同频率范围内,几乎不存在其它干扰讯号。而且,在接收机里,解调功能可以将任何的干扰波能量展开,分布到其它频率中,借此削弱了它的干扰影向;它的发射或接收讯号能量甚至比周遭杂讯能量低。


依据Hartley-Shannon法则,在充满杂讯的Gaussian通道中,传输正确(Error-free)资讯C(bits/s)所需的频宽BT(Hz)等于0.693C(N/S),当0


《图二 展频调变时,输出讯号,干扰边际,处理增益和接收讯号的能阶关系》
《图二 展频调变时,输出讯号,干扰边际,处理增益和接收讯号的能阶关系》

为何要使用较高频的载波呢?目的就是要增加图二中的干扰边际(Mj)值。在图二中,处理增益GP=(S/N)out/(S/N)in=BT/C=Mj+(S/N)out(db),如果GP=30db,而(S/N)out =10db是我们所要的结果,则在接收端的干扰讯号能量密度将大于接受讯号能量密度达20db;若资料传输率为56K bits/s,此系统频宽(载波BT)等于56MHz。


展频分类

为了获得展频,必须利用pn序列将窄频的输入讯号转换为宽频讯号,这种转换就称为「展开」(spreading)。 「展开」有两种:1.直接序列展频;2.跳频。


1.直接序列展频(DS):

(图三)是二位元资料讯号m(t)和pn序列(像杂讯一般,但以0和1构成讯号,0的数目约等于1的数目,其长​​度单位叫作chip)调变成m (t)p(t),再由载波cos(2πfct)调变成WDS(t)。 p(t)的传输率可以在1至100多M chip,因此WDS(t)的频率被提高到数百MHz,而且:1.频宽超出p(t)的频宽;2.频谱功率密度非常低;3.波形像杂讯一般;4.功率比杂讯功率低很多。


《图三 DS展频讯号及其构成单元m和p》
《图三 DS展频讯号及其构成单元m和p》

在接收机端,展频讯号被解调成宽频讯号,再被p(t)解调为m(t)p(t)2。假设接收端与发射端所使用p(t)相同,而且同步,则p(t)2=1,亦即P(t)是单位向量,m(t)就等于m(t)p(t) 2,如同(图四)所示。图四下方m(t)无其它杂讯存在,因为p(t)已将它们展开了。如果pn(t)存在数个行动电话中,而且,彼此是「垂直」的「单位向量」(Orthonormal),例如:{V1,V2 ,V3}是三维的、垂直的单向量,V1T=〔3 /√11,1/√11,1/√11〕,V2T=〔-1/√6,2/√6,1/√6〕,V3T=〔-1/√66,-4/√66, 7/√66〕,则有下列的结果:V1‧V2= V1‧V3= V2‧V3=0,而V1‧V1= V2‧V2= V3‧V3=1,第一个结果表示V1和V2和V3 向量垂直,第二个结果表示V1,V2,V3是单位向量。如(图五)所示。将维数扩大到n,pn(t)也会有相同的结果,这时就可以同时让n个使用者使用此系统。详如(图六)CDMA的DS展频操作原理。


《图四 展频解调示意图》
《图四 展频解调示意图》
《图五 彼此垂直的三维单位向量》
《图五 彼此垂直的三维单位向量》

《图六 CDMA的DS展频操作原理》
《图六 CDMA的DS展频操作原理》

例二:使用DS展频技术,1瓦的资料讯号10KHz被10M chip/s的pn序列展开,系统频宽(载波)是10MHz;其发射功率密=1瓦/10MHz=0.1μ watts/Hz,是发射功率的0.1%,为-30db。由此可见得,DS展频功率已经降低很多。


2.跳频:(Frequency Hopping;FH)

是将资料讯号和余弦载波cos(2πfct)调变,再和pn序列TT(t-iTD)cos(2πfit)调变,最后得到WFH(t)=SMFSK(t)ΣTT(t-iTD)cos( 2πfit),左式表示此讯号是由频率合成器产生,当在第i个码时,产生fi频率,其停留时间(Dwell Time)是TD。因此,发射讯号依pn码的不同,而由一个频率跳到另一个频率。 「跳跃率」可以达到100k hops/s。FH讯号具有:1.在频宽内,依平均跳跃率,在选择的频率上短暂停留;2.总平均频谱功率密度极小;3.当在选择频率上停留时,讯号辐射标准功率大于杂讯功率。 (图七)是FH展频的操作原理。



《图七 FH展频的操作原理》
《图七 FH展频的操作原理》

例三:使用FH展频技术,1瓦的资料讯号10KHz被10000hops/s的速率展开,系统频宽是100MHz。假设讯号不重叠,资料讯号可以平均在100MHz上停留10000次(Slices)。每次停留时间是10-4s,其平均功率密度等于1瓦/100MHz=0.01μ Watts/Hz。此功率密度比例二中的DS展频功率密度还要小,可是,FH在选择频率上停留时的讯号辐射标准功率大于杂讯功率,因此,解调展开时,会有「频率选择性衰减」 (Frequency Selective Fading)现象发生。


CDMA

图六是典型的CDMA采用DS展频技术的原理图。因为p(t)、p1(t)、p2(t)彼此「垂直」,而且是单位向量,所以,可以被接收机接收,并且经关系比较器(Correlator)过滤,得到所要的讯号,同时将其它讯号及杂讯「展开」。


结论

1979年,美国曾出版一本引起轰动的书「GEB─一条永恒的金带」。书名上的3个字母G、E、B分别指数学家Godel(1906~1978)、画家Escher和18世纪古典音乐家巴哈,其中Escher就是专画「荒谬」画的大师。一条永恒的金带,如(图八),连系着人工智慧、生命复制、艺术哲理...等,这是拓扑学(Topology)里的Mobius Strip,莫比斯带只有单面,没有方向性,所以称它为「金带」,这是要和一般的纸张(有两面)作区分。


《图八 三度空间对称的创意精品》
《图八 三度空间对称的创意精品》

本文所提到的「展开」(Spreading)也是属于这种「金带」,在发射端,资料讯号被「展开」或「变换」(Transform),成为功率密度极小的「形体」,这个「形体」仍然保有此资料讯号的基本特性;虽然外貌已不显眼,渺小而似乎可省略不计,但在接收端,资料讯号被解调还原,而功率密度较大的杂讯及其它的讯号则也被「展开」,分散到其它频率中,因此,不对主要的资料讯号造成干扰。这种变换是N度空间的对称(Symmetry),在物理学里是原子的基本特性之一,更是现代数学里最玄奥的理论。其实老庄哲学里就包含这妙不可言的「阴阳相生」之道,我们在研究通讯科技时,更应该善用这一条永恒的金带。


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