1.3 移动通信中的多址技术

1.3.1 多址通信概述

1. 多路复用技术

多路复用就是在发送端用复用器将多路信号合在一起，在接收端用分路器将各路信号分开的多用户共用信道方式，有频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、码分多路复用（CDM）和波分多路复用（WDM）等。

2. 多址接入技术

发端各路信息不需要集中，而是各自调制送入无线信道传输。接收端各自从无线信道上取下已调信号，解调后得到所需信息。许多用户同时通话，以不同的信道分隔，各用户信号通过在射频波道上的复用，从而建立各自的信道，以实现双边通信的连接，称为多址接入。解决多址接入问题的方法叫做多址接入技术。

移动通信的一大特点就是一个基站与多个移动台进行通信。多址接入技术可以使基站能从众多的移动台发出的信号中区分出是哪个移动台的信号，移动台也能识别基站发出的信号中哪一个是发给自己的。可以利用信号的某些特征实现多址接入，如工作频率、出现时间、编码序列等。

当以传输信号的载波频率的不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址（FDMA）方式；当以传输信号存在的时间的不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址（TDMA）方式；当以传输信号的码型的不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址（CDMA）方式。图1-18分别给出了N个信道的FDMA、TDMA和CDMA的示意图。

1.3.2 多址通信方式

在蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信系统的覆盖区内，建立用户之间的无线信道连接，属于多址接入技术。

1. 频分多址（FDMA）方式

（1）频分多路复用（FDM）技术。

频分多路复用（Frequency Division Multiplexed，FDM）技术将各路信号的频谱搬至互不重叠的频带上，同时在一个信道中传输，接收端通过不同中心频率的带通滤波器把各路信息信号分离出来，如图1-19所示。

（2）频分多址（FDMA）原理。

在频分多址（（Frequency Division Multiple Access，FDMA）系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，如频道为间隔25kHz，保证频道之间不重叠。每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户，如图1-20所示。

（3）FDMA的特点。

① FDMA信道每次只能传送一路电话。

② 每信道占用一个载频；相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求；符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的；移动台较简单，和模拟的较接近；基站复杂庞大，重复设置收发信设备；FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器，允许指定信道里的信号通过，滤除其他频率的信号，从而限制邻近信道间的相互干扰；FDMA需要精确的RF滤波器，需要双工器（单天线）。

③ 非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率（IM），产生额外的RF辐射。

④ FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小。

⑤ FDMA通常是窄带系统。

⑥ FDMA是采用调频的多址技术，业务信道在不同的频段分配给不同的用户。

⑦ FDMA适合大量连续非突发性数据的接入，单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网就是采用FDMA和TDMA两种方式的结合。

2. 时分多址（TDMA）方式

（1）时分多路复用（Time Division Multiplexed，TDM）技术。

TDM技术以时间作为分割信号的参量，使各路信号在时间上互不重叠，利用不同时隙来传送各路不同信号，如图1-21所示。

TDM是建立在抽样定理这一模拟信号数字化理论基础上的。

（2）时分多址（TDMA）原理。

时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）是在一个无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户使用，如图1-22所示。

（3）TDMA的帧结构。

TDMA帧是TDMA系统的基本单元，它由时隙组成，在时隙内传送的信号叫做突发（Burst），各个用户的发射相互连成1个TDMA帧，帧结构示意图如图1-23所示。

TDMA主要传输TDM的数字信号，每个MS占有的时隙（TS₀，TS₁，TS₂，…，TS_k）称为分帧或子帧。帧周期一般取语音PCM信号采样周期——125μs或整数倍。

例如，GSM采用FDMA和TDMA相结合的多址方式，总频带按200kHz间隔分成124对频道，每频道分成8个时隙（TS₀，TS₁，TS₂，…，TS₈），一个频道上的一个时隙分配给一个移动用户，如图1-24所示。

TDMA是采用了时分的多址技术，将业务信道在不同的时间段分配给不同的用户。TDMA的优点是频谱利用率高，适合支持多个突发性、低速率数据用户的接入。TDMA系统的数据传递是不连续的，是分组发射，可以关闭。不连续发送，可以利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理。分组发射需要额外的系统开销，如保护数据同步。TDMA的效率是指发射的数据中信息所占的百分比。

除中国联通、中国移动所使用的GSM网采用FDMA和TDMA两种方式的结合外，广电HFC网中的CM与CMTS间通信中也采用了时分多址的接入方式（基于DOCSIS1.0或1.1和Eruo DOCSIS1.0或1.1）。

（4）时间提前。

由于采用了TDMA技术，因此要求移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其余时间则必须保持沉默。否则它将对使用同一载频上不同时隙的另一些移动台的呼叫造成干扰，如图1-25所示。

某一移动台非常靠近基站，指配给它的是时隙2（TS₂），它只能利用该时隙进行呼叫，在该移动台呼叫期间，它向远离基站的方向移动。因此，从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台，与此同时，移动台的应答信息也将越来越迟地到达基站。如果不采取任何措施，则该时延将会长到使该移动台在TS₂发送的信息与基站在TS₃接收到的信息相重叠起来，引起相邻时隙的相互干扰。所以，在呼叫期间，要监视呼叫到达基站的时间，并向移动台发出指令，使移动台能够随着它离开基站距离的增加，逐渐提前发送信号，这个移动台提前发送信号的时间称为定时提前时间（TA）。

（5）TDMA的特点。

① 突发传输的速率高，远大于语音编码速率。设每路编码速率为kbit/s，共N个时隙，则在这个载波上传输的速率将大于Nkbit/s。

② 发射信号速率随N的增大而提高。

③ TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器。

④ 基站复杂性减小。

⑤ 抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。

⑥ 越区切换简单。

3. 码分多址（CDMA）方式

（1）码分复用（CDM）技术。

码分复用（Code Division Multiplexed，CDM）是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。

（2）码分多址（CDMA）原理。

在码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）通信系统中，是用各自不同的编码序列来区分，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。接收机的相关器可以在多个CDMA信号选出使用的预定码型的信号。

例1-2　共有4个站进行码分复用通信，4个站的码片序列为

A：（-1-1-1 +1 +1-1 +1 +1）

B：（-1-1 +1-1 +1 +1 +1-1）

C：（-1 +1-1 +1 +1 +1-1-1）

D：（-1 +1-1-1-1-1 +1-1）

现接收到码片序列S为（-1 +1-1 +1-1-1 +1 +1），可以判断为哪个站发的，发送的信号是什么。

其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。

在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工（FDD）。

（3）CDMA实现。

CDMA的技术原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码（PN）进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去；接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

① 扩频技术的概念。

通常将已调信号带宽与调制信号的带宽之比在100以上的信息传输方式称为扩频通信，否则只能是宽带或窄带通信。

扩频技术是一种信息传输方式，其系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽（或信息比特率），且与原始信号带宽无关。在发送端，频带的展宽是通过扩频来实现的。在接收端用与发送端完全相同的扩频码进行相关解扩来恢复信息。

扩频技术有直接序列（DS）扩频、跳频（FH）扩频、线性调频（chirp）、跳时扩频等技术。扩频技术广泛应用于卫星通信、微波通信、移动通信等通信系统中，其中多使用DS、FH技术。

② 直接序列（DS）扩频原理。

图1-26是直接序列扩频码分多址（CDMA/DS）的单工链路原理框图。

可见，它是经过二次调制的，其中PSK调制是窄带调制，而另一调制是一扩展频谱的调制。因为PN码是一高速窄脉冲的随机序列，PN码速率远高于PCM信息码速率，故已调的PSK信号频谱被展宽，所以调制后的信号带宽将远大于PSK调制后的信号带宽，因此称此过程为扩频。

由于PN码的码元宽度远小于PCM信号码元宽度，这使得通过伪随机码进行扩频的信号频谱远大于原基带信号的频谱。

CDMA的基本原理就是用一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行扩频；解扩时是将接收到的扩展频谱信号与一个和发端PN完全相同的本地码进行相关检测，若收到的信号与本地PN相匹配，信号就恢复到其扩展前的原始带宽。

③ 伪随机序列或伪噪声序列。

通常将m序列称为伪随机序列或伪噪声序列（PN码）。

什么是m序列？m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。它是由带线性反馈的移位寄存器产生周期最长的一种序列。图1-27给出了一个4级线性反馈移位寄存器（m序列）的例子。

因为4级移位寄存器共有2⁴=16种可能的不同状态，除全部“0”态外，只剩15种状态可用。即由任何4级线性反馈移位寄存器产生的序列周期最长为15。输出端Q₄由0经15状态再回到0，故周期最长。由此例可见，一般来说，一个n级线性反馈移位寄存器可能产生的最长周期等于2ⁿ-1，我们将这种最长线性反馈移位寄存器序列简称为m序列。

④ 扩频技术的优势。

扩频技术的优势是提高通信的抗干扰能力，即使系统在强干扰条件下也能安全可靠地通信，其原理如图1-28所示。

在接收机的输入信号中混入干扰信号，其功率谱如图1-28（c）所示。经扩频解调后的有用信号变成窄带信号，而干扰信号变成宽带信号，如图1-28（d）所示，再经窄带滤波器滤掉有用信号带外的干扰信号，如图1-28（e）所示，从而降低干扰信号强度，改善信噪比，这就是抗干扰的原理。

⑤ CDMA多址技术与扩频技术关系。

CDMA的基本思想是靠不同地址码来区分用户，每个用户分配不同的地址码。接收时，只有确知其地址码的接收机，才能解调出相应的基带信号，而其他接收机因地址码不同无法解调出信号。

基站地址的划分是根据各站的码型结构不同来实现和识别的，一般选伪随机序列码（PN码）作为地址码。由于PN码的码元宽度远小于PCM信号码元宽度（通常为整数倍），这就使得加了PN码的信号频谱远大于原基带信号的频谱，因此码分多址也称为扩频多址。

图1-29为一个CDMA/DS通信系统的框图，该系统共可传送n个载波：c₁（t），c₂（t），…，c_i（t），…，c_n（t），相应地共需n个地址码：w₁（t），w₂（t），…，w_i（t），…，w_n（t）。图1-29中只画出第i个载波c_i（t）的发送端与接收端的基本组成，已在图1-26中，即以c_i（t）的一条单工链路为例说明了系统组成和工作过程。

发端，各发送端用各不相同的、相互正交或准正交的地址码调制其所发送的信号，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘实现扩频调制后输出。

收端，以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的信号进行相关检测，提取与本地地址码一致的信号。即在接收端利用码型的正交性，通过地址识别（相关检测）从混合信号中选出相应的信号。

CDMA系统为每个用户分配特定的地址码，CDMA系统的地址码相互具有准正交性，而在频率、时间和空间上都可能重叠。

为每一个用户分配唯一的序列码（地址码），用户使用此码片序列进行扩频。

例1-3　共有4个用户进行码分多址通信，4个用户的码片序列为：w₁={-1-1-1 +1}；w₂={-1-1 +1-1}；w₃={-1 +1-1 +1 }；w₄={ + 1 +1 +1 +1 }，如图1-30（a）所示。

用户信息数据分别为：d₁={1，1，1，1}；d₂={-1，-1，-1，-1}；d₃={-1，1，1，1}；d₄={1，1，-1，-1}，如图1-30（b）所示。

经过地址调制后输出信号为s₁～s₄，如图1-30（c）所示。例如，用户3在接收端接收自己的信息，用本地地址码w₃与波形R相乘，再经判决后的信息j₃应该与d₃一致，解调信号为j₁～j₄，如图1-30（d）所示。其他用户要接收自己的信息也需要本地地址码与对应发端地址码一致，才能完成解调。

（4）CDMA方式的主要特点。

① 抗干扰能力强，保密性好。

② 设备简单，CDMA系统的许多用户共享同一频率，不管使用的是TDD还是FDD技术。

③ 信道数据速率很高。

④ 通信容量大，3种系统容量的比较结果为：mCDMA≈16mTACS≈9mGSM。

⑤ 实现多址连接灵活方便。

但还存在实际问题，如怎样选择地址码及分配。

CDMA是采用数字技术的分支——扩频通信技术发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，它是在FDMA和TDMA的基础上发展起来的。FDMA的特点是独占信道，而时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠；TDMA的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠；CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个频带进行数据传输，它在信道与时间资源上均为共享，因此，信道的利用率高，系统的容量大。CDMA技术基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码（PN）进行扩频，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去；接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的宽带信号做相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号（即解扩），以实现信息通信。

CDMA技术完全适合于现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。

4. 同步码分多址技术

同步码分多址（Synchronous Code Division Multiplexing Access，SCDMA）是指伪随机码之间是同步正交的，应用较广泛。广电HFC网中的CM与CMTS的通信中就用到该项技术，例如，美国泰立洋公司（Terayon）和北京凯视通电缆电视宽带接入，结合ATDM（高级时分多址）和SCDMA上行信道通信（基于DOCSIS2.0或Eruo DOCSIS2.0）。

中国提出的第三代移动通信系统（TD-SCDMA）也采用同步码分多址技术，这意味着代表所有用户的伪随机码在到达基站时是同步的，由于伪随机码之间的同步正交性，可以有效地消除码间干扰，系统容量将得到极大的改善，它的系统容量是其他第三代移动通信标准的4～5倍。