第一代到第四代多址技术:从FDMA、TDMA、CDMA到OFDMA

做通信物理层有关的内容研究已经有很长一段时间了。一直没有怎么总结,今天借着秋招,来总结一波。

 


 

 

本文所讲的是多址技术,日常常见的有时分多址、频分多址、码分多址,对应TDMA、FDMA、CDMA。

那么什么是多址技术呢,为什么需要多址技术呢?

早期的无线电报就不需要多址技术,因为它的通信方式是点对点的,能发能收,就OK了。而现在的移动通信,为了实现更高的通信效率,采用了基础网络构架。在这个基础网络构架当中,包括了很多基站,基站之间是相互连接的。手机在通信的时候,不是直接和另一部手机通过无线电来通信,而是先发送信号到离自己最近的基站,基站把信号送到离另一部手机最近的基站,再由这个基站通过无线的方式送达目的手机。

那么,就会有多部手机同时和一个基站通信,基站如何区分不同手机的信号呢?这就需要多址技术了。

已经获得过实际使用的多址技术包括 FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA。这几个技术都叫 XDMA,差别就在第一个字母。FDMA 的意思是,通过频率把用户区分的多个用户同时接入的技术。OFDMA 也是一种 FDMA,只不过它是正交的 FDMA ,有更高的频谱效率。

多址技术在无线通信当中占据着非常重要的地位。目前为止,移动通信是以多址技术来划分时代的。FDMA、TDMA、CDMA 和 OFDMA分别代表了第一代到第四代的移动通信技术。

 

  • FDMA 和 TDMA

我们首先来看 FDMA。不同的用户占据不同的频段,从而避免了相互干扰,实现了区分。

第一代到第四代多址技术:从FDMA、TDMA、CDMA到OFDMA_第1张图片

手机选择哪一个频率,可以通过滤波器来实现。由于滤波器的阻断都有过渡带,因此,相邻的两个频率之间一般会保留一定的带宽作为保护。

从原理上说,TDMA 和 FDMA 类似,只不过把频率换成了时间而已。时间资源被划分成帧,每一帧内又被划分为若干时隙,不同的用户使用不同的时隙实现区分。由于信道存在时延扩展,不同的时隙之间也需要保留一定的保护时间。在实现中,用户要选择某一个时隙,需要定时器,并且需要与基站同步。

第一代到第四代多址技术:从FDMA、TDMA、CDMA到OFDMA_第2张图片

所以,第一代移动通信采用了 FDMA,因为滤波器是电子产业里面最早成熟的技术之一。用它来实现最早的多址技术顺理成章。

TDMA是在高精度的定时技术,比如石英振荡器成熟之后才被采用的。


 

Q: 为什么 TDMA 需要很高的定时精度呢?如果一部手机的通信是断断续续的,是不是听到声音就不连贯了呢?

A: 实际上是这么处理:比如 GSM 系统,每个用户只占用 1/8 的时间,要在这段时间内传送完用户的数据,就要把速率提高 8 倍。接收机收到后,再把数据展开到所有的时间上,接收用户就能听到连续的语音了。

不过这样的处理会造成在时间上出现一个延迟。如果只是单向通信,这种延迟不会对人造成什么不好的感觉,相当于节目晚播出了几秒而已。在交互业务当中,如果我们说完了一句话希望马上听到对方的反馈,就不允许很大的延迟。

TDMA造成的延迟人基本感受不到。

 

 

Q: 从原理上看,TDMA 和 FDMA 差不多,那么 TDMA 的优势在哪儿?

A: TDMA 的优势在于系统的宽带化。意思是说,TDMA 把多个用户组合在一个载频上,一个载频的宽度就加大了。

  实现了带宽化之后,基站设备的基带和中射频通道中的主要器件,比如处理器、滤波器、功放、天线等也宽带化了,可以用一个宽带的通道代替若干个窄带的通道。随着器件水平的发展,还可以降低成本。宽带是技术发展的方向。


 

  • CDMA

CDMA 和 OFDMA 分别是第三代和第四代移动通信的多址技术。数学上讲,这两种技术的差别非常小,因此这里放在一起对比着来讲。

CDMA 的发明者竟然是好莱坞明星,这让人觉得人和人的差距咋就这么大咧,fbb 和这位相比,那敢情是弱爆了。

CDMA 是用码(code)来区分用户的。所谓的码,就是一个由 1 和 -1 构成的序列,例如 1 1 -1 -1,就是一个长度为 4 的扩频码。

扩频操作,就是把用户数据符号,假设为 x0,乘以上面这个码,得到 x0,x0,-x0,-x0 。也就是说,经过扩频知乎,一个符号变成了 4 个符号。如果要保持用户的速率不变,就需要 4 倍的带宽。因此,这个技术被称为 直接序列扩频。

关于 CDMA ,今天主要讲的就是这些,其实它有些复杂,改天专门写一篇文章介绍 CDMA。

 

总结:

CDMA 是第三代移动通信所采用的多址技术。CDMA 收到重视的一个很重要的原因在于扩频增益。因此得到的一个流行的说法是 CDMA 抗干扰能力很强。但实际上, 扩频增益是一个伪增益,并不能为系统容量带来任何好处。CDMA 的关键技术是 Rake 接收机,由此决定了 CDMA 是一个自干扰的系统。为了克服这个缺点,CDMA 采用了功率控制,UFR 和软切换等技术,在一定程度上弥补了这个缺点,但是却无法从根本上克服。多用户检测技术可以消除用户之间的干扰,从根本上解决 CDMA 系统的弱点,但是,3G 的两大主流标准 WCDMA 和 CDMA2000 在设计之初就没有考虑多用户检测技术,导致该技术始终处于学术研究的阶段而无法得到实用。随着 OFDM 技术的商业化,采用多用户检测的CDMA已经失去了商机。

 

主角登场!!!

  • OFDMA

OFDMA 是 LTE 的下行多址技术。OFDMA 就是用 OFDM 作为多址的方法。LTE 的上行多址技术叫 SC-FDMA,中文是单载波 FDMA,也是基于 OFDM 的一种多址技术。所以说,OFDM 是第四代移动通信的关键技术。

OFDMA 也是一种 CDMA。从表面上看,OFDM 和 CDMA 是两个完全不同的技术,甚至形成了第三代和第四代的差别。但是从数学上,他们的差别非常小,几乎可以看做是一个技术。在 CDMA 中,扩展码是实数,但是因为被扩展的符号是复数,所以扩展后的序列为复数。而在 OFDM 中,扩展码是复数,扩展后的序列也是复数。所以,OFDM 也可以被认为是一种特殊的 CDMA。

OFDM 当中的每一个频率叫做一个子载波,扩展后得到的长度为 Q 的序列叫做一个 OFDM 符号。

在 OFDM 当中,可以把一部分子载波分配给一个用户,把另一部分分配给另外的用户,从而作为多址的手段,称为 OFDMA。

传统的 FDMA 的各个信道之间为了避免相互干扰,需要保留一定的保护带,有一定的频谱损失。而 OFDM 的各个子载波之间没有保护带,而且又是正交的,互相之间没有干扰,所以比 FDMA 有较大的频谱效率优势。但是,这样的标准太低,子载波之间的正交是很自然的事情。

关于 OFDM,也需要另外开辟一章,好好讲解。

 

 

 


 

 

  此处总结一下,多址是无线通信的基础性技术,我们按照技术发展的过程介绍了 FDMA TDMA CDMA OFDMA ,他们分别是第一代到第四代移动通信的多址技术。实现 FDMA的基础是滤波器技术,因为其最简单所以最先应用。而 TDMA 是走向宽带化的第一步,需要依托于定时技术的发展。TDMA的问题在于,只有一个资源划分的维度,也就是时间,在走向更高的带宽的时候资源分配存在困难。但是 CDMA的问题在于他是一个自干扰的系统,虽然采用了快速功率控制, UFR、软切换等技术手段,但是仍然无法克服其缺点。CDMA 系统的多用户检测是解决这一问题的根本方法,但是由于实际系统设计的限制使得多用户检测技术无法应用。 OFDM 也是一种特殊的 CDMA ,它利用了线性系统的特性,用比较小的代价克服了信道的多径效应和多用户干扰,称为第四代移动通信的多址技术。

 

 

转载于:https://www.cnblogs.com/boxin/p/9786302.html

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