移动通信关键技术-多址技术和复用技术

移动通信网络简介

　　现在是2017年，4G已经使用很多年了，那么回顾一下移动通信的历史发展。

• 1G：以AMPS，ATCS为代表的模拟通信系统，主要技术是FDMA，主要业务是语音业务
• 2G：以GSM为代表的数字通信，主要技术TDMA是(IS-95采用的是CDMA)，主要业务是语音业务，还可以发短信等
• 　2.5Ｇ：以GPRS为代表
• 　2.75G：以Edge为代表
• 3G：WCDMA(联通)、CDMA2000(电信)与TD-SCDMA(移动)，主要技术是CDMA，主要业务是窄带多媒体业务
• 4G：主要技术OFDMA，主要业务是宽带多媒体业务
-

移动通信的发展

1G

• 主要技术：FDMA(频分多址)，就是频分复用的体现，不同频率的载波对应不同的逻辑信道，还是进行模拟调制，模拟通信。
• 代表：以AMPS，ATCS为代表的模拟通讯系统；AMPS系统采用7小区复用模式，并可在需要时采用扇区化 和小区分裂来提高容量 AMPS在无线传输中采用了频率调制。以大哥大为主。

2G

• 主要技术：TDMA(时分多址)，就是时分复用的体现，不同时隙对应不同的逻辑信道，是数字通信。
• 代表：GSM系统
• GSM系统结构图如下：
  
  GSM帧结构如下：
  
  后来为了改善2G传输速率，有了GPRS和EDGE，也就是我们通常说的2.5G和2.75G
-

3G

• 以WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA和它们的演进系统为代表的IMT-2000系统

4G

• 4G的标准是LTE，LTE是LTE是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式用于成对频谱和非成对频谱。
• LTE-TDD，国内亦称TD-LTE，即 Time Division Long Term
  Evolution（分时长期演进），由3GPP组织涵盖的全球各大企业及运营商共同制定，LTE标准中的FDD和TDD两个模式实质上是相同的，两个模式间只存在较小的差异，相似度达90%
  TDD即时分双工(Time Division Duplexing)，是移动通信技术使用的双工技术之一，与FDD频分双工相对应。TD-LTE是TDD版本的LTE的技术，FDD-LTE的技术是FDD版本的LTE技术。TD-LTE的下行速率和上行速率分别为100Mbps和50Mbps，而FDD-LTE的下行速率和上行速率分别为150Mbps和40Mbps。TD-SCDMA是CDMA（码分多址）技术，TD-LTE是OFDM（正交频分复用）技术。两者从编解码、帧格式、空口、信令，到网络架构，都不一样。

复用技术和多址技术

　　复用技术和多址技术其实是一码事，就是两个说法，都是在一条信道上传输多路信号，提高信道利用率的一种手段。
　　如果没有复用该技术的话，那么一个信道同时只能有一路信号传输，就像同时只能A和B打电话，其它人都得等到A和B通话结束之后才能打电话。

频分复用和频分多址

说到频分复用就要提到模拟信号发送和接收过程，请参考http://blog.csdn.net/tsfx051435adsl/article/details/78570242，这里不再赘述。

时分复用和时分多址

时分复用就得提到数字信号发送接收和模拟量数字化的过程，请参考http://blog.csdn.net/tsfx051435adsl/article/details/78574809，这里也不再赘述

码分复用和码分多址

　　首先谈CDMA和FDMA以及TDMA的关系，请看下图：

　　可以看出：模拟信号（1G）是通过频率的不同来区分不同的用户的；GSM是通过及其微小的时隙来区别不同的用户的；而CDMA是通过编码来区别不同的用户的。
　　下图是CDMA处理流程原理图简图：
　　
　　这些正交序列是扩频码，扩频技术是第三代移动通信的关键技术，啥叫扩频？就是传输信息所有带宽远大于信息本身的带宽。
　　
　　举个例子，当扩频因子为1时，数据1就用“1”来表示，扩频因子为4时，可能用“1011”来表示1，这样传输的时候可以降低误码率也就是信噪比，但是却减少了可以传输的实际数据，所以，扩频因子越大，传输的数据数率就越小。
　　
　　在说一个专有名词，叫做正交？这是线性代数里面的名词，两个向量对应坐标相乘再相加如果等于0，那么称这两个向量正交。那么正交向量有啥用？高中的时候学过力的分解吧，其中就有一个叫正交分解，也就是把一个力分解为两个方向互相垂直的力，也就是说水平方向的力对竖直方向没有作用，竖直方向对水平方向没有作用，所以所有的力都可以用这两个方向的力来表示，引用数学上的专业名词，这两个力就可以做为基底，因为所有的力都可以用这几个向量表示。同理，在三维空间中，描述一个点，都需要三个坐标，那么x、y、z就是一个基底，所有的点都是用基底表示的。同理在更高维度上（希尔伯特空间），可以用四个坐标、五个坐标、n个坐标来表示，只要这几个向量两两正交，或者叫线性无关，那么这些量就可以作为基底。

　　说了半天，正交有啥用处。就像上面那个图所示，如果给每个原始信号加一个相互正交的扩频码，随后合成的二进制码在信道上传输，在接收端再按照正交分解那样进行解扩频，就可以得到原始信号，这就是CDMA的工作原理。
　　先贴一张扩频和解扩频的图：

　　
　　　　　　　　　　　　　发送端的过程
　　　　　　　　　　　　　
　　
　　 　　　　　　　　　　　接收端的过程
　　 　　　　　　　　　　　
再粘两张扩频和解扩频的过程图：

　　到这里，码分复用就说完了，码分多址就是根据不同的扩频码区分不同的用户，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。
　　

正交频分复用和正交频分多址

OFDM是正交频分复用，通俗点就是正交+FDM，再从另外一个角度说明正交，正交在希尔伯特空间中是上述的定义。对于函数，怎么定义正交呢？
　　两个函数在[a,b]的积分如果为0，那么称这两个函数在[a,b]正交。两个变量在首先说说最简单的情况，sin(t)和sin(2t)是正交的【证明：sin(t)·sin(2t)在区间[0,2π]上的积分为0】，而正弦函数又是波的最直观描述，因此我们就以此作为介入点。既然本文说的是图示，那么我们就用图形的方式来先理解一下正交性。
　　
　　OK，函数正交就说到这里，就是两个相互正交的信号不会相互干扰本身的信息，就类似于正交分解一样。现在说一下FDM和OFDM的区别。
　　
　　FDM和OFDM的原理图如下，根据不同的载波频率来判断哪个用户。OFDM是将载波换成了两两正交的载波。
　　
　　再贴一个OFDM的原理图（其中这些载波是相互正交的）：