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
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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:
    移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第1张图片
    GSM帧结构如下:
    移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第2张图片
    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
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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:
移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第3张图片
  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:
  移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第4张图片
  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:

  移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第5张图片
             发送端的过程
             
  移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第6张图片
              接收端的过程
              
再粘两张扩频和解扩频的过程图:
移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第7张图片
移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第8张图片
移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第9张图片

  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。
  移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第10张图片
  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。
  移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第11张图片
  再贴一个OFDM的原理图(其中这些载波是相互正交的):
  移动通信关键技术-多址技术和复用技术_第12张图片

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