一文了解FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA、SDMA等無(wú)線接入技術(shù)

在上一期的文章中，我們講解了無(wú)線通信從模擬通信到數(shù)字通信，從1G到5G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，在這些更新?lián)Q代的升級(jí)過(guò)程中系統(tǒng)容量也在不斷的提升，這勢(shì)必也需要對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行升級(jí)和迭代。

無(wú)線通信和有線通信在接入方式上有著的根本區(qū)別。對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)信號(hào)以電磁波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于無(wú)線頻譜資源是有限的，這就會(huì)導(dǎo)致無(wú)線信道數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于用戶數(shù)量，所以，無(wú)線通信就會(huì)以多用戶共享的方式來(lái)接入網(wǎng)絡(luò)。有線通信則不需要這方面的考慮，他通過(guò)有線的方式以專用的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入，用戶數(shù)增加直接增加相應(yīng)的有線通道就可以了。

這就是他們的接入方式的根本區(qū)別，所以，我們將無(wú)線通信的接入技術(shù)稱為多址接入技術(shù)。它是無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，今天我們學(xué)習(xí)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(shí)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(xué)習(xí)它之前，我們先看日常生活中非常熟悉的一個(gè)例子。

平時(shí)，我們?cè)谑章?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%94%B5/">無(wú)線電廣播的時(shí)候，如果需要收聽不同電臺(tái)就需要將頻率調(diào)到對(duì)應(yīng)的電臺(tái)上。這里實(shí)際上就是利用了一種頻分復(fù)用（Frequency Division Multiplexing：FDM）的技術(shù)，不同電臺(tái)的信號(hào)分別從不同頻率的電磁波上傳輸，他們之間不會(huì)相互干擾，因此，我們就可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行收聽。

FDMA

FDMA實(shí)際上就是基于這種FDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)將頻帶資源進(jìn)行分割，產(chǎn)生若干個(gè)子頻段，每路信號(hào)占用一個(gè)頻段，從而形成若干個(gè)子信道，以供不同的用戶使用。信號(hào)在分割的頻率的各個(gè)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(hù)間隔頻段。

FDMA

TDMA

進(jìn)入數(shù)字通信時(shí)代，誕生了新的多址接入技術(shù)——時(shí)分多址（Time Division Multiple Access：TDMA），與FDMA明顯的區(qū)別是，它是在時(shí)間維度上將時(shí)間分割成具有周期性的幀，再把每一幀分成若干個(gè)時(shí)隙，而每個(gè)用戶就可以占用不同的時(shí)隙進(jìn)行通信。這樣就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶在不同的時(shí)間段里進(jìn)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(shí)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(shí)隙發(fā)射信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)只有在上行時(shí)隙發(fā)射信號(hào)。FDD方式是在下行頻段發(fā)信號(hào)，在上行頻段收信號(hào)。

TDD TDMA

FDD TDMA

由于信號(hào)在時(shí)間上是分時(shí)隙的，也就說(shuō)它是非連續(xù)進(jìn)行發(fā)送的，所以，可以用其他不進(jìn)行通信的時(shí)隙中做一些鏈路控制功能的操作。比如，可以監(jiān)測(cè)其他基站的信號(hào)，為網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)的無(wú)線資源信息；移動(dòng)臺(tái)還可以在其非通信時(shí)隙關(guān)閉發(fā)射機(jī)，節(jié)省電源消耗。

CDMA

碼分多址（Code Division Multiple Access）最初的設(shè)計(jì)是用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)，后來(lái)，高通首次將其應(yīng)用到了移動(dòng)通信系統(tǒng)中。它的原理是對(duì)不同用戶通過(guò)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(hào)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送出去。而在接收信號(hào)的時(shí)候，也同樣根據(jù)地址碼的正交性，通過(guò)對(duì)地址的碼的相關(guān)性檢測(cè)，從不同的信號(hào)中選出相應(yīng)的信號(hào)。

CDMA

顯而易見，這樣不同的用戶就可以在同樣的時(shí)間和同樣的頻率上進(jìn)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(dá)到FDMA系統(tǒng)的20倍左右，是TDMA系統(tǒng)的5倍左右。這在當(dāng)時(shí)，3G系統(tǒng)中的三大主流標(biāo)準(zhǔn)也都以CDMA作為基礎(chǔ)。

CDMA

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

TDMA FDMA CDMA

在CDMA系統(tǒng)中，它不分頻道又沒有時(shí)隙，全靠碼型進(jìn)行區(qū)分信號(hào)，這就需要具有良好的相關(guān)特性和隨機(jī)特性的地址碼和擴(kuò)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(duì)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(guò)給不同用戶分配不同的子載波，實(shí)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(huì)對(duì)傳輸頻帶進(jìn)行劃分。不過(guò)，不同的是FDMA不同用戶的信號(hào)在不同的頻段上傳輸時(shí)，不同頻段之間需要有保護(hù)間隔；而OFDMA通過(guò)分配相互正交的子載波可以使不同用戶相互重疊并同時(shí)傳輸信號(hào)，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(shí)間上進(jìn)行分割，通過(guò)不同的子載波集使其無(wú)線系統(tǒng)更加靈活。

OFDMA

實(shí)際上，OFDMA是TDMA、FDMA的綜合應(yīng)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(gè)波束的信號(hào)在空間上不重疊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)區(qū)分不同用戶的目的。由于利用空間進(jìn)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(yīng)用在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，實(shí)際上在4G和5G得到了廣泛的應(yīng)用，我們熟知的MIMO和Massive MIMO系統(tǒng)利用波束賦形技術(shù)，其實(shí)就是實(shí)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(gè)方向的波束是已知的，其定位能力也更加精準(zhǔn)。

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(yīng)用，SDMA會(huì)有著更加不錯(cuò)的發(fā)展前景。

最后

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在無(wú)線通信系統(tǒng)容量需求的不斷提升，以及碳中和的時(shí)代背景下，往往并不是單單采用一種多址技術(shù)，通常會(huì)將多個(gè)多址方式混合使用，或者在傳統(tǒng)的多址方式上進(jìn)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。