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FDMA

频分多址(frequency division multiple access, FDMA),是把总带宽被分隔成多个正交的频道,每个用户占用一个频道。例如,把分配给无线蜂窝电话通讯的频段分为30个信道,每一个信道都能够传输语音通话、数字服务和数字数据。

频分多址是模拟高级移动电话服务(AMPS)中的一种基本的技术,是北美地区应用最广泛的蜂窝电话系统。采用频分多址,每一个信道每一次只能分配给一个用户。频分多址还用于全接入通信系统(TACS)。

FDMA是以不同的频率区分不同用户的信道的。在一个频率信道中同一时刻只能传送一个用户的业务信息。典型的例子如第一代蜂窝系统中的AMPS制式和TACS制式中所用的多址技术。

在TACS或AMPS制式中,由于必须采用FDD方式,要为每个无线小区分配一组n对(上行和下行)频率信道,这n对频率信道可供该无线小区中的所有用户共同使用,但只能供该无线小区的n个用户同时使用。某移动用户在发送信息时,占用一对频率信道中的上行频率信道,工作在该频率信道上的基站接收机就设置相应中心频率及带宽的接收带通滤波器接收该用户信息;而其他移动用户可在其他上行频率信道上同时发送信息。由于各频率信道上的基站接收机都设置了对应中心频率和一定带宽的接收带通滤波器,所以基站各接收机能正确地接收各用户的信息。同样,各移动用户接收信息时,在同一对频率信道中的下行频率信道上接收来自基站的信息。由于各移动台设置了相应中心频率及带宽的带通滤波器,也能正确地接收各自的信息。在900MHz频段,一对频率信道的上下行频率信道的频率间隔为45MHz。

按照这种技术,把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比,频分多址使通道容量可根据要求动态地进行交换。

在FDMA系统中,分配给用户一个信道,即一对频谱,一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道,另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号,任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转,因而必须同时占用2个信道(2对频谱)才能实现双工通信。

FDMA是指不同的移动台(或手机)占用不同的频率,即每个移动台占用一个频率的信道进行通话或通信。因为各个用户使用不同频率的信道,所以相互没有干扰。这是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移动通信的基本技术,早期的移动通信多使用这种方式。由于每个移动用户进行通信时占用一个频率、一个信道,频带利用率不高。随着移动通信的迅猛发展,很快就显示出其容量不足的缺点。

在频分多址中,不同地址用户占用不同的频率,即采用不同的载波频率,通过滤波器选取信号并抑制无用干扰,各信道在时间上可同时使用。频分多址技术比较成熟,第一代蜂窝式移动电话系统采用的就是FDMA技术。模拟蜂窝式移动电话系统均使用频分多址技术。在采用FDMA技术的第一代蜂窝系统中,各频率信道除了要传送用户语音外,还要传送信令信息。一般情况下,要为信令信息的传送专门分配频率信道,该频率信道称为专用控制信道或专用信令信道。但在通话过程中进行信道切换时,是在业务信道中传送切换信令的。由于每个移动用户使用控制信道的时间相对于使用业务信道的时间要少得多,所以往往一对控制信道可供一个基站或多个基站内的所有移动用户共同使用。另外还利用语音信道传送状态信号、证实信号、应答信号以及为检测正在使用的话音信道质量而在整个通话过程中总是传送的检测音(SAT)等模拟信令。

采用FDMA技术的第一代蜂窝系统,每频率信道带宽不超过30kHz。传送语音的业务信道是采用调频方式将用户话音调制到某一载频上实现的。传送信令的专用控制信道是采用FSK调制方式将较低速率的信令数据调制到某一载频上实现的。由于传送的信令数据速率较低,一般为8~10kbit/s,每个码元的持续时间远大于由于多径传输产生的时延扩展。所以,在接收端不需要采用自适应均衡技术。

卫星通信中的多址联接技术和多路复用技术是信号分割理论的具体应用。它们很相似,但又有区别。多址技术是多个通信站的射频信号在射频信道上进行的多路复用,以达多个通信站间多边通信的目的;而多路复用是一个通信站的多路群信号在中频信道上进行的多路复用,以达两个站间的双边多路通信的目的。

FDMA频分多路多址联接方式是每个地球站分配一个专用的载波,并且,所有地球站的载波互不相同,为了载波互不干扰,它们之间有足够的间隔。即频分多路复用-调频方式-频分多址联接(FDM-FM-FDMA),这里,首先将电话信号经长途电信局送到载波终端,按频分多路复用FDM方式把信号复用在60路标准基带中,整个基带包括5个基群,每个基群有12个话路,将它们按预先分配方式分配给一个地球站。然后把60路的群信号用FM方式调制到分配给地球站的载波上,经本站天线系统向卫星发射。通过卫星上转发器将上行频率变换成下行频率,并发向各站,这些地球站将收到的信号解调便得到60路群信号,从群信号滤出发给本站的基群信号。

频分复用的目的在于提高频带利用率。在通信系统中,信道能提供的带宽往往要比传送一路信号所需的带宽宽得多。因此,一个信道只传输一路信号是非常浪费的。为了充分利用信道的带宽,因而提出了信道的频分复用问题。合并后的复用信号,原则上可以在信道中传输,但有时为了更好地利用信道的传输特性,还可以再进行一次调制。

在接收端,可利用相应的带通滤波器(BPF)来区分开各路信号的频谱。然后,再通过各自的相干解调器便可恢复各路调制信号。

频分复用系统的最大优点是信道复用率高,容许复用的路数多,分路也很方便。因此,它成为模拟通信中最主要的一种复用方式。特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂,会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。

在频分多址FDMA方式中,

式中的λi=ΔFi,i=1~n。ΔFi为第i个信道所使用的频率。

数字移动通信网的主要多址方式是FDMA、TDMA系统(GSM,DAMPS)。在频谱效率上约是模拟系统的3倍,容量有限;在话音质量上13kbit/s编码也很难达到有线电话水平、FTDMA系统的业务综合能力较高,能进行数据和话音的综合,但终端接入速率有限(最高9.6kbit/s)

TDMA系统无软切换功能,因而容易掉话,影响服务质量;TDMA系统的国际漫游协议还有待进一步的完善和开发。因而TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入。

CDMA码分多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等。

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。如TACS系统、AMPS系统等。

TDMA是采用时分的多址技术。业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS等。

CDMA(码分多址)是采用扩频的码分多址技术。所有用户在同一时间、同一频段上,根据不同的编码获得业务信道。

GSM:全球移动通讯系统GlobalSystemofMobilecommunication,是当前应用最为广泛的移动电话标准。

GPRS:GerneralPackerRadioService,通用无线分组业务是一项高速数据处理的科技,即以分组的“形式”把数据传送到用户手上。因此,GPRS技术可以令手机上网省时、省力、省花费。打个比方,GPRS就好比移动通信设备的ADSL,而GSM就是普通固定电话线。

时分多址(TimeDivisionMultipleAccess)是把时间分割成周期性的帧(Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时,基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输,各移动终端只要在指定的时隙内接收,就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

正交频分多址是OFDM(正交频分复用)调制的一种形式,它针对多用户通信进行了优化,尤其是蜂窝电话和其它移动设备。

它是针对蜂窝电话长期演进(LTE)的最合适调制方案。在这种演变的过程中,OFDMA的名称变为高速正交频分复用分组接入(HSOPA)。OFDMA的变量由WiMAX论坛选为调制方案,后来又根据IEEE针对IEEE802.16-2004(固话)和802.12e(移动)WiMAX的标准进行了标准化。

与CDMA(码分多真址接入)宽带CDMA及通用移动通信系统(UMTS)这类3G调制方案相比,它的好处在于具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能。对于低数据率用户,它只需要更低的发射功耗,具有恒定而不是随时间变化的更短延迟,以及避免冲突的更简洁方法。

OFDMA会把副载波的子集分配给各个用户。以关于信道状态的反馈为基础,系统能执行自适应用户到副载波的分配。只要这些副载波分配被迅速地执行,与OFDM相比,快速衰退、窄带同频干扰性能都得到了改进。反过来,这又改进了系统的频谱效率。

OFDMA显然与其它的调制方案既有不同点,又有相似之处。例如,它能被当作一种替代方案,把OFDM与时分多址连接方式(TDMA)或时域统计多路复用技术的结合起来。不采用“脉控”高功率载波,低数据率用户就能连续地以低发射功率进行传输,并且这会产生恒定且更短的延迟时间。

另一方面,OFDMA也可以被看作是频域和时域多路接入的结合。从这个角度看,频谱被分割成时频空间,并且时隙会沿着OFDM符号引导部分以及OFDM副载波引导部分进行分配。

通过一个短故事来理解OFDMA和其它几种技术之间的关系是最好的方法。IEEE802.11WLAN系列的标准是对室内网络考虑的。当模拟蜂窝技术表现出了它的市场潜力及它在技术上的不足时,工程师就开始设计能把Wi-Fi功能扩展到户外网络的专有的MAC和PHY系统。

事实上,宽带接入中的大部分活动发生在ISO第1层(PHY层)和2层(媒体访问控制或MAC层)。

当宽带无线MAN(城域网)的标准化工作开始后,它为研究其它调制方案打开了大门,并且OFDM和OFDMA的价值也变得显而易见了。WiMAX论坛对这些方案的评估和向标准机构提出的建议发挥了帮助作用。

这最终演进成IEEE802.16标准。IEEE802.16-2004提供固定带宽无线的标准,而IEEE802.16e则提供移动带宽无线标准。这两种标准都支持多个PHY模式,但其选项都不支持包括WCDMA或UMTS这种3G调制方案在内的现有方案。

与OFDM和OFDMA一起,可扩展的OFDMA方案也被包括在这一标准当中。

可扩展的802.16物理层(sOFDMA)凭借针对固话和便携式/移动使用模式的固定副载波间隔,为范围从1.25MHz到20MHz的信道带宽提供了最佳的性能。

根据信道带宽,利用可变的快速傅氏变换算法(FFT),这一架构以可扩展的子通道化结构为基础。除了可变的FFT大小外,这一规范也支持像多输入多输出(MIMO)天线分集这样的功能。

在FDD系统中,分配给用户一个信道,即一对频谱;一个频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道,另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号;任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转,因而必须同时占用2个信道(2对频谱)才能实现双工通信。它们的频谱分割如图所示。在频率轴上,前向信道占有较高的频带,反向信道占有较低的频带,中间为保护频带。在用户频道之间,设有保护频隙,以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠。

FDMA系统是基于频率划分信道。每个用户在一对频道中通信。若有其它信号的成分落入一个用户接收机的频道带内时,将造成对有用信号的干扰。就蜂房小区内的基站移动台系统而言,主要干扰有互调干扰和邻道干扰(关于互调干扰和邻道干扰,见前面对干扰的介绍)。在频率集重复使用的蜂房系统中,还要考虑同频道干扰。

在模拟蜂窝系统中,采用频分多址方式是唯一的选择。如以前我们所用的模拟网TACS系统,用的就是频分多址。而在数字蜂窝中,则很少采用纯频分的方式。比如我们现在用的GSM系统,虽然也在频率上做了划分,但是更重要的是采用了时隙的概念,所以人们更愿意把其划入时分复用(TDMA)。

时分多址是在一个宽带的无线载波上,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。

系统根据一定的时隙分配原则,使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号(突发信号),在满足定时和同步的条件下,基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时,基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输,各移动台只要在指定的时隙内接收,就能在合路的信号(TDM信号)中把发给它的信号区分出来。所以TDMA系统发射数据是用缓存-突发法,因此对任何一个用户而言发射都是不连续的。这就意味着数字数据和数据调制必须与TDMA一起使用,而不象采用模拟FM的FDMA系统。

由于TDMA更考虑时间上的问题,所以我们要注意通信中的同步和定时问题,否则会因为时隙的错位和混乱而导致接收端移动台无法正常接收信息。

采用TDMA带来的优点是抗干扰能力增强,频率利用率有所提高,系统容量增大,基站复杂性减小。TDMA用不同的时隙来发射和接收,因此不需双工器。同时越区切换简单(和FDMA相比较而言)。由于在TDMA中移动台是不连续地突发式传输,所以切换处理对一个用户单元来说是很简单的,因为它可以利用空闲时隙监测其他基站,这样越区切换可在无信息传输时进行。因而没有必要中断信息的传输,即使传输数据也不会因越区切换而丢失。

由于TDMA的诸多优点,所以我们在第二代移动通信系统(指我国采用的GSM系统)中引入了TDMA技术。


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