第一代到第四代多址技术：从FDMA、TDMA、CDMA到OFDMA

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。

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。

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。