思考这样一个问题,同一个基站(信号塔)覆盖范围内,大家都在玩手机,那么这个基站是如何区分不同手机信号呢?怎么区别这是张三女朋友电话,还是李四的追剧?

 

图 1 不同用户同时接入网络

 

本文将从频率开始介绍,逐步过渡多频分与时分多址技术。主要内容有:

 

频率资源

 

FDMA

 

TDMA

 

GSM 的多址技术

 

多址技术(Multiple Access)

 

 

我们知道,大自然中从无线电、自然可见光线到 X 射线,都有一定的频率范围。先从一个基本的公式说起:

 

图 2 频率与波长公式

 

光速=波长*频率,光速值是固定的,所以频率越高,波长越短。

 

想想同学们身边的通信技术,要么通过有线,要么通过无线传播,即有线通信与无线通信。通过有线传输,自然不必多说。平时上网用的网线,叫做双绞线,就是一种常见的有线传输介质,现在的 5 类双绞线传输速率可以达到 100Mbps。

 

图 3 有线与无线通信

 

如果把有线介质换成光纤,在实验室里面测试,单模光纤最大速率可以达到 26Tbps,这是我们网线速率的将近 3 万倍。

 

图 4 光纤,尾纤

 

我们的平常所说的无线通信,实际上是指利用电磁波进行通信。

 

电磁波的频率有大有小,比如说频率高的 Gamma 射线,具有杀死细胞的能力,用于医疗。而我们用于无线通信的频率,从图 5 可以看出,主要集中在微波 Microwave 和无线 Radio wave 波段。

 

频率资源非常有限。

 

图 5 频率谱

 

在无线通信领域内,多个用户同时通过一个基站和其他用户进行通信时,很明显为了不相互之间“干扰”,有必要对不同的用户的进行区分?怎么区分呢?

 

通过频率、时间和码来区分。

 

频率区分就是 FDMA(frequency division multiple access),Access 不是地址,而是接入的意思。通过频率 frequency,区分 division,多个用户 multiple,接入 access 网络的技术。

 

时间区分就是 TDMA,码区分就是 CDMA,还有 4G/5G 使用的 OFDMA 技术。

 

这些都是成熟的多址技术。多址技术在无线通信领域中异常重要,我们的移动通信的第一代技术 1G,使用的是 FDMA 技术,2G 使用了 TDMA 技术,3G 时代使用 了 CDMA 技术,4G 时代使用了 OFDMA 技术。

 

图 6 1G-5G 通信技术

 

FDMA

频分多址技术,就是给小王同学、小李同学分配不同的通信频率,比如图 7 中所示。小李同学使用频率 2,小王同学使用频率 1。这样小王和小李,就可以在同一时间段一起通信了,互相不干扰。

 

图 7 频分多址技术

 

普遍的说,不同的用户,占用不同的频率段,这些频率段互相不影响,可以实现多个用户同时接入网络。正如车道一样,你走你的,我走我的。

 

图 8 不同用户使用不同的频率

 

在实际的卫星 CBAND 通信中,总带宽为 500MHZ,就是说总共能给使用的带宽是 500M,然后我们把它进行切割,分成 24 个小块,或者叫做 24 个信道 CHannel,每个信道的带宽为 40MHz(36MHz 可用的,预留 4MHz 作为相邻两个信道的过度保护带)。这样可以实现同时满足 24 位用户通信。

 

图 9 卫星 CBAND

 

TDMA

时分多址 Time Division Multiple Access,顾名思义,就是切割时间。文章前面也说了,频率资源是有限的,在这有限的频率资源内,我们必须尽可能的提高它的利用率。

 

而且,为了获得高传输速率,尽可能的要用大带宽。

 

如果同样的一段频率,小王同学和小李同学都在同一时间去使用,必然会相互之间干扰。那么简单啊?只要在时间上划分不就可以了,小王同学你晚上用,小李同学你早上用。虽然都是用同一段频谱,但是时间不一样,也可以实现相互不影响。

 

这就是 TDMA 的思想。图 10 中,一段 2.5KHz 的频谱,有两个用户在使用,这两个用户都完全占用了这段频率,只是在时间轴上按照 1-2-1-2 这样的顺序,轮流“坐庄”。

 

图 10 TDMA

 

我们一般把时间上划分的小块,叫做时隙 Slot。

 

总结

CDMA 与 OFDMA 多址方式相对比较复杂,将单独介绍。

 

在通信系统中,经常是多种多址方式组合在一起,时间轴上划分时隙,同时频率轴上也进行划分,这样实现了更多的用户同时接入,提升了网络容量。

 

比如说我们的 GSM 通信技术,就是使用了 TDMA+FDMA 结合,总共有 25MHz 的带宽,划分成 124 个小块,每个小块频率范围是 200KHz。对应在时间轴上,每个 200KHz 对应 8 个时隙。

 

图 11 GSM 频率与时隙划分

 

可以这样粗略的推断,GSM 的一个 200Khz 载波上,可以同时准许 8 个用户电话。实际的 GSM 系统是,还要预留部分信道用于传输控制信令,再考虑 HR 半速率,实际的系统中用户数会有变化。

 

补充:

同学们可能也经常听说“复用”的概念,复用和多址如果不是很较真的,初学者可以认为是一个意思,就是在资源有限的情况下,如何高效利用资源。如果硬是要区别,多址肯定要复用,不同的用户肯定先要占用不同的资源,才能区分;但是复用不一定要多址,因为我一个用户同时占用多个资源,这也叫资源复用。