通信中的多址技术:基站如何区分不同用户,时分与频分多址技术

通信中的多址技术:基站如何区分不同用户,时分与频分多址技术图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FDMATDMAGSM的多址技术多址技术我们知道

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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?

通信中的多址技术:基站如何区分不同用户,时分与频分多址技术

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:

  1. 频率资源
  2. FDMA
  3. TDMA
  4. GSM的多址技术

多址技术(Multiple Access)

通信中的多址技术:基站如何区分不同用户,时分与频分多址技术

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:

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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”。

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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。

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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。

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