一文详解无线通信系统的关键技术

在上一期的文章中，我们讲解了无线通信从模拟通信到数字通信，从1G到5G标准的演进，在这些更新换代的升级过程中系统容量也在不断的提升，这势必也需要对接入网络的方式进行升级和迭代。

无线通信和有线通信在接入方式上有着的根本区别。对于无线通信来说，数据信号以电磁波方式进行数据传输，由于无线频谱资源是有限的，这就会导致无线信道数量远远小于用户数量，所以，无线通信就会以多用户共享的方式来接入网络。有线通信则不需要这方面的考虑，他通过有线的方式以专用的通道进行数据传输，实现用户的网络接入，用户数增加直接增加相应的有线通道就可以了。

有线通信

这就是他们的接入方式的根本区别，所以，我们将无线通信的接入技术称为多址接入技术。它是无线通信系统的关键技术，今天我们学习下面的一些多址技术：

FDMA

TDMA

CDMA

OFDMA

SDMA

FDMA

频分多址（Frequency Division Multiple access：FDMA）的起源较早，在模拟通信时代，就已经使用了FDMA技术，它也是最为经典的一种多址接入方式。在学习它之前，我们先看日常生活中非常熟悉的一个例子。

收音机

平时，我们在收听无线电广播的时候，如果需要收听不同电台就需要将频率调到对应的电台上。这里实际上就是利用了一种频分复用（Frequency Division Multiplexing：FDM）的技术，不同电台的信号分别从不同频率的电磁波上传输，他们之间不会相互干扰，因此，我们就可以根据自己的需要进行收听。

FDMA

FDMA实际上就是基于这种FDM技术实现，它通过将频带资源进行分割，产生若干个子频段，每路信号占用一个频段，从而形成若干个子信道，以供不同的用户使用。信号在分割的频率的各个子信道上相互不重叠，为了防止相邻用户之间频段的干扰，还需要留有一定的保护间隔频段。

FDMA

TDMA

进入数字通信时代，诞生了新的多址接入技术——时分多址（Time Division Multiple Access：TDMA），与FDMA明显的区别是，它是在时间维度上将时间分割成具有周期性的帧，再把每一帧分成若干个时隙，而每个用户就可以占用不同的时隙进行通信。这样就可以实现多个用户在不同的时间段里进行通信。

TDMA

在这种方式下，在相同的信道数情况下，相比于FDMA能够容纳更多的用户。

在FDMA的通信系统中，一般采用FDD的双工方式；而在TDMA的通信系统中，一般有两种双工方式可以选择：频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。TDD上下行使用相同的频段，而FDD上行和下行频段不同。在TDD方式下，基站只有在下行时隙发射信号，移动台只有在上行时隙发射信号。FDD方式是在下行频段发信号，在上行频段收信号。

TDD TDMA

FDD TDMA

由于信号在时间上是分时隙的，也就说它是非连续进行发送的，所以，可以用其他不进行通信的时隙中做一些链路控制功能的操作。比如，可以监测其他基站的信号，为网络提供相关的无线资源信息；移动台还可以在其非通信时隙关闭发射机，节省电源消耗。

CDMA

码分多址（Code Division Multiple Access）最初的设计是用于军事战争，后来，高通首次将其应用到了移动通信系统中。它的原理是对不同用户通过使用互不相同、互相正交的地址码分别调制不同用户的信号数据并将其发送出去。而在接收信号的时候，也同样根据地址码的正交性，通过对地址的码的相关性检测，从不同的信号中选出相应的信号。

CDMA

显而易见，这样不同的用户就可以在同样的时间和同样的频率上进行通信，其系统容量也将大幅度提高。理论上，CDMA系统的系统容量可以达到FDMA系统的20倍左右，是TDMA系统的5倍左右。这在当时，3G系统中的三大主流标准也都以CDMA作为基础。

CDMA

为了更好的理解CDMA我们可以通过宴会上人和人之间进行交流的例子来形象的解释。对TDMA系统来说，大家都在一个房间里，每个人能只能说话五分钟，然后下个人再说五分钟....直到所有人说完再从第一个人开始新一次的循环。对于FDMA系统，分别把大家分到不同的房间里，每个房间的人互相进行交流。在上面的这两种场景来说，只有有人从房间退出，才能有新的人加入。而对于CDMA系统，大家在同一个房间里使用不同的语言进行交流，A同学可以使用英文，B同学可以使用日文，C同学可以使用中文，如果你听得懂某个人说的话，其他人的话语言听不懂也就当作噪声过滤掉了，大家说话互不干扰，在房间容量足够的情况下，大家也就可以随时进入房间交流了。

TDMA FDMA CDMA

在CDMA系统中，它不分频道又没有时隙，全靠码型进行区分信号，这就需要具有良好的相关特性和随机特性的地址码和扩频码，它影响着系统的多址能力以及抗干扰的能力。这意味着对于CDMA系统码型越多系统容量就越大。

OFDMA

正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），是将传输带宽划分成正交的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户。通过给不同用户分配不同的子载波，实现了多址方式，用户之间满足正交，在理想的同步条件下，用户之间没有相互干扰。

OFDMA

与FDMA方式类似，它们都会对传输频带进行划分。不过，不同的是FDMA不同用户的信号在不同的频段上传输时，不同频段之间需要有保护间隔；而OFDMA通过分配相互正交的子载波可以使不同用户相互重叠并同时传输信号，这种方式明显大大提高频率的利用效率，它是将资源粒度分配的更小，还可以在时间上进行分割，通过不同的子载波集使其无线系统更加灵活。

OFDMA

实际上，OFDMA是TDMA、FDMA的综合应用，它也是4G以及5G系统主要采用的多址技术。

SDMA

空分多址（Space Division Multiple Access），既将空间分割成不同的区域，在空间上形成不同的信道。它是利用阵列天线，产生不同的用户方向的波束，各个波束的信号在空间上不重叠，这样就可以实现区分不同用户的目的。由于利用空间进行划分，所以它也可以充分的利用频率资源。

SDMA

SDMA最初只是应用在卫星通信领域，实际上在4G和5G得到了广泛的应用，我们熟知的MIMO和Massive MIMO系统利用波束赋形技术，其实就是实现了这种目的。它可以使得基站的功率可以大大降低，而系统的容量大幅度提高，由于各个方向的波束是已知的，其定位能力也更加精准。

阵列天线与波束赋形

SDMA具有良好的兼容性，可以与任何调制方式以及其他多址方式相互兼容。一般情况下，SDMA都是和其他多址方式结合使用。随着天线技术的发展以及毫米波的应用，SDMA会有着更加不错的发展前景。

最后

随着通信技术的发展，在无线通信系统容量需求的不断提升，以及碳中和的时代背景下，往往并不是单单采用一种多址技术，通常会将多个多址方式混合使用，或者在传统的多址方式上进行推陈出新，产生新的多址方式，以提高系统的容量和系统的性能。