一文詳解無線通信系統(tǒng)的關鍵技術(shù)

在上一期的文章中，我們講解了無線通信從模擬通信到數(shù)字通信，從1G到5G標準的演進，在這些更新?lián)Q代的升級過程中系統(tǒng)容量也在不斷的提升，這勢必也需要對接入網(wǎng)絡的方式進行升級和迭代。

無線通信和有線通信在接入方式上有著的根本區(qū)別。對于無線通信來說，數(shù)據(jù)信號以電磁波方式進行數(shù)據(jù)傳輸，由于無線頻譜資源是有限的，這就會導致無線信道數(shù)量遠遠小于用戶數(shù)量，所以，無線通信就會以多用戶共享的方式來接入網(wǎng)絡。有線通信則不需要這方面的考慮，他通過有線的方式以專用的通道進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)用戶的網(wǎng)絡接入，用戶數(shù)增加直接增加相應的有線通道就可以了。

有線通信

這就是他們的接入方式的根本區(qū)別，所以，我們將無線通信的接入技術(shù)稱為多址接入技術(shù)。它是無線通信系統(tǒng)的關鍵技術(shù)，今天我們學習下面的一些多址技術(shù)：

FDMA

TDMA

CDMA

OFDMA

SDMA

FDMA

頻分多址（Frequency Division Multiple access：FDMA）的起源較早，在模擬通信時代，就已經(jīng)使用了FDMA技術(shù)，它也是最為經(jīng)典的一種多址接入方式。在學習它之前，我們先看日常生活中非常熟悉的一個例子。

收音機

平時，我們在收聽無線電廣播的時候，如果需要收聽不同電臺就需要將頻率調(diào)到對應的電臺上。這里實際上就是利用了一種頻分復用（Frequency Division Multiplexing：FDM）的技術(shù)，不同電臺的信號分別從不同頻率的電磁波上傳輸，他們之間不會相互干擾，因此，我們就可以根據(jù)自己的需要進行收聽。

FDMA

FDMA實際上就是基于這種FDM技術(shù)實現(xiàn)，它通過將頻帶資源進行分割，產(chǎn)生若干個子頻段，每路信號占用一個頻段，從而形成若干個子信道，以供不同的用戶使用。信號在分割的頻率的各個子信道上相互不重疊，為了防止相鄰用戶之間頻段的干擾，還需要留有一定的保護間隔頻段。

FDMA

TDMA

進入數(shù)字通信時代，誕生了新的多址接入技術(shù)——時分多址（Time Division Multiple Access：TDMA），與FDMA明顯的區(qū)別是，它是在時間維度上將時間分割成具有周期性的幀，再把每一幀分成若干個時隙，而每個用戶就可以占用不同的時隙進行通信。這樣就可以實現(xiàn)多個用戶在不同的時間段里進行通信。

TDMA

在這種方式下，在相同的信道數(shù)情況下，相比于FDMA能夠容納更多的用戶。

在FDMA的通信系統(tǒng)中，一般采用FDD的雙工方式；而在TDMA的通信系統(tǒng)中，一般有兩種雙工方式可以選擇：頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）。TDD上下行使用相同的頻段，而FDD上行和下行頻段不同。在TDD方式下，基站只有在下行時隙發(fā)射信號，移動臺只有在上行時隙發(fā)射信號。FDD方式是在下行頻段發(fā)信號，在上行頻段收信號。

TDD TDMA

FDD TDMA

由于信號在時間上是分時隙的，也就說它是非連續(xù)進行發(fā)送的，所以，可以用其他不進行通信的時隙中做一些鏈路控制功能的操作。比如，可以監(jiān)測其他基站的信號，為網(wǎng)絡提供相關的無線資源信息；移動臺還可以在其非通信時隙關閉發(fā)射機，節(jié)省電源消耗。

CDMA

碼分多址（Code Division Multiple Access）最初的設計是用于軍事戰(zhàn)爭，后來，高通首次將其應用到了移動通信系統(tǒng)中。它的原理是對不同用戶通過使用互不相同、互相正交的地址碼分別調(diào)制不同用戶的信號數(shù)據(jù)并將其發(fā)送出去。而在接收信號的時候，也同樣根據(jù)地址碼的正交性，通過對地址的碼的相關性檢測，從不同的信號中選出相應的信號。

CDMA

顯而易見，這樣不同的用戶就可以在同樣的時間和同樣的頻率上進行通信，其系統(tǒng)容量也將大幅度提高。理論上，CDMA系統(tǒng)的系統(tǒng)容量可以達到FDMA系統(tǒng)的20倍左右，是TDMA系統(tǒng)的5倍左右。這在當時，3G系統(tǒng)中的三大主流標準也都以CDMA作為基礎。

CDMA

為了更好的理解CDMA我們可以通過宴會上人和人之間進行交流的例子來形象的解釋。對TDMA系統(tǒng)來說，大家都在一個房間里，每個人能只能說話五分鐘，然后下個人再說五分鐘....直到所有人說完再從第一個人開始新一次的循環(huán)。對于FDMA系統(tǒng)，分別把大家分到不同的房間里，每個房間的人互相進行交流。在上面的這兩種場景來說，只有有人從房間退出，才能有新的人加入。而對于CDMA系統(tǒng)，大家在同一個房間里使用不同的語言進行交流，A同學可以使用英文，B同學可以使用日文，C同學可以使用中文，如果你聽得懂某個人說的話，其他人的話語言聽不懂也就當作噪聲過濾掉了，大家說話互不干擾，在房間容量足夠的情況下，大家也就可以隨時進入房間交流了。

TDMA FDMA CDMA

在CDMA系統(tǒng)中，它不分頻道又沒有時隙，全靠碼型進行區(qū)分信號，這就需要具有良好的相關特性和隨機特性的地址碼和擴頻碼，它影響著系統(tǒng)的多址能力以及抗干擾的能力。這意味著對于CDMA系統(tǒng)碼型越多系統(tǒng)容量就越大。

OFDMA

正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），是將傳輸帶寬劃分成正交的一系列子載波集，將不同的子載波集分配給不同的用戶。通過給不同用戶分配不同的子載波，實現(xiàn)了多址方式，用戶之間滿足正交，在理想的同步條件下，用戶之間沒有相互干擾。

OFDMA

與FDMA方式類似，它們都會對傳輸頻帶進行劃分。不過，不同的是FDMA不同用戶的信號在不同的頻段上傳輸時，不同頻段之間需要有保護間隔；而OFDMA通過分配相互正交的子載波可以使不同用戶相互重疊并同時傳輸信號，這種方式明顯大大提高頻率的利用效率，它是將資源粒度分配的更小，還可以在時間上進行分割，通過不同的子載波集使其無線系統(tǒng)更加靈活。

OFDMA

實際上，OFDMA是TDMA、FDMA的綜合應用，它也是4G以及5G系統(tǒng)主要采用的多址技術(shù)。

SDMA

空分多址（Space Division Multiple Access），既將空間分割成不同的區(qū)域，在空間上形成不同的信道。它是利用陣列天線，產(chǎn)生不同的用戶方向的波束，各個波束的信號在空間上不重疊，這樣就可以實現(xiàn)區(qū)分不同用戶的目的。由于利用空間進行劃分，所以它也可以充分的利用頻率資源。

SDMA

SDMA最初只是應用在衛(wèi)星通信領域，實際上在4G和5G得到了廣泛的應用，我們熟知的MIMO和Massive MIMO系統(tǒng)利用波束賦形技術(shù)，其實就是實現(xiàn)了這種目的。它可以使得基站的功率可以大大降低，而系統(tǒng)的容量大幅度提高，由于各個方向的波束是已知的，其定位能力也更加精準。

陣列天線與波束賦形

SDMA具有良好的兼容性，可以與任何調(diào)制方式以及其他多址方式相互兼容。一般情況下，SDMA都是和其他多址方式結(jié)合使用。隨著天線技術(shù)的發(fā)展以及毫米波的應用，SDMA會有著更加不錯的發(fā)展前景。

最后

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在無線通信系統(tǒng)容量需求的不斷提升，以及碳中和的時代背景下，往往并不是單單采用一種多址技術(shù)，通常會將多個多址方式混合使用，或者在傳統(tǒng)的多址方式上進行推陳出新，產(chǎn)生新的多址方式，以提高系統(tǒng)的容量和系統(tǒng)的性能。