多址复用技术详解——空分复用、频分复用、时分复用、码分复用

多址复用技术详解——空分复用、频分复用、时分复用、码分复用

1. 空中接口的频率对于运营商而言是最重要的战略资源。在中国，无线频谱资源是由政府直接分配给运营商；在欧洲很多国家，运营商的频谱资源通过拍卖获得。

   • 电磁波的传播方式在视距情况下遵循自由空间传播模型，同频率之间信号与信号之间的干扰不可避免。频率必须独占使用决定了它的稀缺性，进一步对无线通信产生了深远的影响。无线系统中的复用、无线资源管理、功率控制等技术都是为了尽最大可能有效利用频率资源而设计的。

   • 在中国，目前只有GSM900和GSM1800被分配。GSM900上下行各25MHz，GSM1800上下行各75MHz。另外还有一个GSM扩展频段，称为Extend GSM（EGSM），上下行各10MHz。

   • GSM采用的载频间隔是200kHz，即1MHz带宽可分为5个频点。GSM900共有255-1=124个频点，GSM1800有755-1=374个频点。

2. 为了让尽可能多的手机用同一个频段，无线通信设计了多址复用技术，包括空分复用、频分复用、时分复用、码分复用。

   • 空分复用和蜂窝

     采用扇形定向天线，可以控制将不同频率的信号通过不同的天线定向发射到某一方向，从而避免在信号重叠区域的干扰。定向天线是蜂窝通信中非常重要的组成部分。当希望增加更多用户时，进行小区分裂，把一个大的小区分为很多小的小区，同时降低发射机的发射功率，，以减小单个发射机的覆盖范围，尽量避免同频干扰，从而可以通过发射机数量的增加开服务于更多用户。

   • 频分复用（FDM,Frequency Division Multiplexing）、时分复用（TDM,Time Division Multiplexing）

     • 在GSM中，把GSM900的频段25MHz均匀分为124块，每一块占200kHz的频段，即频点。一个用户通话时独占一个频点，周围的用户在这个时刻不能占用相同频点，否则会有干扰。
     • 在GSM中，使用相同频率的用户通过在不同的时隙里工作来区分。

• 3G的基础——码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)

  • CDMA是美国高通公司提出来的，并由此获得了大量专利，CDMA也是目前3G无线通信的基础技术。人常说一流的公司做标准，二流的公司做品牌，三流的公司做产品。高通征收高额专利费这种经营模式导致CDMA产业链的发达速度远远落后于GSM产业链。
  • GSM采用频分和时分复用来对终端进行区分，CDMA里没有频分时分复用，依靠不同的扩频码来区分不同的终端。扩频码的特点是必须正交，即两个信号的乘积在某个区间内积分为0，没有相关性。

3. CDMA中的扩频：信号占用的带宽增加，在带宽上的平均功率下降。

• 理论基础是香农定理。

  ​ C = Blb（1 + S/N）

• C代表传输速率，B代表信号带宽，S/N是信噪比。信号的带宽越大，传输速率越高。在带宽既定的情况下，信道的信噪比越高，传输速率越高。信噪比一般由发射机功率、接收机与发射机之间的距离和噪声信号的强度决定。

• 如果信噪比很低，香农定理可以简化为C/B = 1.44S/N。传输同样速率的信号，如果增加信号的带宽，就可以降低接收机信噪比的要求。优点是：①发射机功率可以降低；②同样的发射机功率，接收机与发射机之间的距离可以增加；③降低接收机信噪比的要求还可以对抗干扰。

• 由于带宽的增加可以大大降低S/N的要求，C和B的比值通常被称为处理增益或者扩频增益。

4. CDMA中的抗干扰特性

• CDMA的系统框架为 信道编码–>扩频–>调制–>发射机…接收机–>解调–>解扩–>信道译码。

多了扩频与解扩环节，对窄带干扰进行解扩时，相当于对其进行一次扩频，将它的窄带频谱展开为宽带频谱，干扰信号的平均能量大大降低，对其积分为0从而过滤。

• 扩频通过将原始信号和扩频码进行相乘得到，即模二加。在CDMA中，通常采用的扩频码是Walsh码和m序列。

5. 载干比与频宽（功率与频率的关系）

   GSM采用频分复用，蜂窝系统面临相邻小区的干扰。在无线通信中，通常使用载干比来衡量干扰。在GSM中通常考虑同频干扰（C/I）和邻频干扰（C/A）。

   • 同频干扰（C/I），是指当不同小区使用相同频率时，另一小区对当前服务小区所产生的干扰。GSM中规定C/I>9DB。
   • 邻频干扰（C/A），是指在频率再用模式下，相邻频率会对服务小区所使用的频率进行干扰。邻频的信号比当前所占用的频点功率高没关系，高的不是太多即可。GSM中规定C/A>-9DB。

   CDMA靠扩频码区分不同用户，可以同频组网。需要注意的是，扩频和解扩本身并不能提供信号的增强，信号的增强是以增加传输带宽为代价得来的。

此外，为了应对多址复用带来的种种干扰，GSM采用功率控制、不连续发射、跳频、设置时间提前量等多种方法。为了利用每个频点，GSM仅在物理层就设计了15种信道。下次再进行介绍。