通信工程师考试移动通信网中的基本技术

6.2.3  移动通信网中的基本技术
1．多址方式
当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互间通信时，需要给每个用户的信号赋以不同的特征，以区分不同的用户，这种技术称为多址技术。众所周知，移动通信是依靠无线电波的传播来传输信号的，具有大面积覆盖的特点。因此网内一个用户发射的信号其他用户均可接收到所传播的电波。网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给自己的信号就成为建立连接的首要问题。在蜂窝通信系统中，移动台是通过基站和其他移动台进行通信的，因此必须对移动台和基站的信息加以区别，使基站能区分是哪个移动台发来的信号，而各移动台又能识别出哪个信号是发给自己的。要解决这个问题，就必须给每个信号赋以不同的特征，这就是多址技术要解决的问题。多址技术是移动通信的基础技术之一。

多址方式的基本类型有：频分多址方式(FDMA: Frequency Division Multiple Access)、时分多址方式(TDMA: Time Division Multiple Access)、空分多址方式(SDMA: Space Division Multiple Access)、码分多址方式(CDMA: Code Division Multiple Access)等。目前移动通信系统中常用的是FDMA、TDMA、CDMA以及它们的组合。
1) 频分多址方式(FDMA)
在通信时，不同的移动台占用不同频率的信道进行通信。因为各个用户使用不同频率的信道，所以相互没有干扰。FDMA的信道每次只能传递一个电话，并且在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时连续不断地发射信号，在接收设备中使用带通滤波器只允许指定频道里的能量通过，滤除其他频率的信号，从而将需要的信号提取出来，而限制临近信道之间的相互干扰。由于基站要同时和多个用户进行通信，基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；另外，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用四个频道才能实现双向通信。

FDMA是最经典的多址技术之一，在第一代蜂窝移动通信网(如TACS、AMPS等)中使用了频分多址。这种方式的特点是技术成熟，对信号功率的要求不严格。但是在系统设计中需要周密的频率规划，基站需要多部不同载波频率的发射机同时工作，设备多且容易产生信道间的互调干扰，同时，由于没有进行信道复用，信道效率很低。因此现在国际上蜂窝移动通信网已不再单独使用FDMA，而是和其他多址技术结合使用。
在TDMA通信系统中，小区内的多个用户可以共享一个载波频率，分享不同时隙，这样基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；但系统设备必须有精确的定时和同步来保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。
TDMA技术广泛应用于第二代移动通信系统中。在实际应用中，综合采用FDMA和TDMA技术的，即首先将总频带划分为多个频道，再将一个频道划分为多个时隙，形成信道。例如GSM数字蜂窝标准采用200 kHz的FDMA频道，并将其再分割成8个时隙，用于TDMA传输，如图6.5所示。

　　3) 码分多址方式(CDMA)
(1) 扩频的概念。众所周知，对于时域上的脉冲信号，其脉冲宽度越窄，频谱就越宽。那么，如果用所需要传送的信号信息去调制很窄的脉冲序列，就可以将信号的带宽进行扩展。所谓扩频调制，就是指用所需要传送的原始信号去调制窄脉冲序列，使信号所占的频带宽度远大于所传原始信号本身需要的带宽。其逆过程称为解扩，即将这个宽带信号还原成原始信号。这个窄脉冲序列称为扩频码。如果用这样一种扩频后的无线信道来传送无线信号，则由于信号扩展在非常宽的带宽上，因此来自同一无线信道的用户干扰就很小，使得多个用户可以同时分享同一无线信道。
实现扩频的方式有三种：直接序列扩频、跳频、跳时。其中CDMA系统中常用直接序列扩频方式，它是指在发送端直接用一个宽带的扩频码序列和原始信号相乘，以扩展信号的带宽，而在接收端则用相同的扩频码和宽带信号相乘进行解扩，从中还原出原始的信息，如图6.6所示。只有知道该扩频码序列的接收机才能够对收到的信号进行解扩，并恢复出原始数据。我们把原始信息的速率称为信息速率，而把扩频码的速率称为码片速率，用chip表示。

(2)  CDMA中的码序列。大家知道，在信息传输过程中，各种信号之间的差别越大越好，这样相互之间不易发生干扰，也就不会发生误判。要实现这一目标，最理想的信号形式是类似白噪声的随机信号，但真正的随机信号或白噪声是不能重复和再现的，实际应用中是用周期性的码序列来逼近它的性能的。CDMA中采用伪随机序列(称为PN码)作为扩频码，因为伪随机序列具有近似白噪声的特性，所以具有良好的相关性。CDMA系统中采用的伪随机码有m序列、Walsh函数等。
(3)  CDMA。CDMA通信系统中，所有用户使用所有频率和所有时间上都是重叠的。系统用不同的正交编码序列来区分不同的用户，如图6.7所示。

CDMA中，不同的移动台共同使用一个频率，但是每个移动台都被分配带有一个的码序列，与所有别的码序列都不相同，所以各个用户之间没有干扰。在发送时，信号信息和该用户的码序列相乘进行扩频调制，在接收端，接收器使用与发端同样的码序列对宽带信号进行解扩，恢复出原始信号，而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。这种多址技术因为是靠不同的码序列来区分不同的移动台，所以叫做码分多址技术。
实际应用中，也是综合采用FDMA和CDMA技术的，即首先将总频带划分为多个频道，再将一个频道按码字分割，形成信道。例如窄带CDMA中，采用1.25 MHz的FDMA频道，将其再进行码字的分割，形成CDMA信道。
CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA系统或TDMA系统相比具有更大的系统容量，更高的话音质量以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个的普遍重视和关注。在第三代数字蜂窝移动通信系统中，无线传输技术将采用CDMA技术。
由上可见，蜂窝结构的通信系统特点是通信资源的重用。频分多址系统是频率资源的重用；时分多址系统是时隙资源的重用；码分多址系统是码型资源的重用。在实际应用中，一般是多种多址方式的结合使用。如GSM系统中，是FDMA/TDMA的结合使用；窄带CDMA系统(IS-95)和3G中的宽带码分多址(WCDMA)中，采用的则是FDMA/CDMA方式。

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