数字通信的基础 | 一文理清无线通信技术如何有效利用电波频带宽-感算商城

通过我们日常使用的智能手机发送和接收音频、图像、视频等数据时，尽管使用人数较多，但对方将数据发送给自己或自己将数据发送给希望的对方都能很自然地实现。这不仅是因为无线通信使用了更宽的频带以提到数据通信速度（传输速度），还得益于在多条数据的发送及接收当中有阻止数据相互重叠和噪声干扰等问题的技术，这些技术以提高频带宽的利用效率，即以有效利用电波为目的。这些技术主要是指：

能传输多条数据的“多路复用”（Multiplexing）技术；
利用多路复用技术实现了与多个用户同时连接的“多址接入”（Multiple Access）

需要特别指出的是，多址接入是为第五代移动通信系统（5G）做出贡献的重要方法，5G的目标是支持包括家电和IoT设备等物品在内的超多数连接（100万个连接/km²）。

本文为读者理一理这两条技术路线的概念和实现机制。

多个用户(终端)同时使用移动通信（图片仅供参考）

多路复用的基本概念

多址接入的基本概念

专栏：多路复用与多址接入之间的关系

多路复用技术的实现机制

多址接入技术的实现机制

专栏：FDD-LTE和TD-LTE是什么意思？

总结

多路复用：有效利用单一传输路径(空间)

在无线机制推文中，我们介绍了通信系统——无论是有线通信（传输路径为电缆），还是无线通信（传输路径为空间）——的基本模型构成（图1）。

在这个模型中，假设发送侧/传输路径/接收侧都只有一个，并且在某个时候传输的数据也是一条（我们暂且将其称为单纯通信）。如果发送方能够同时向接收侧发送多条数据，这将提高数据发送和接收的效率。因此，人们设计了一种通过单一传输路径同时传输多条数据的技术。这种技术就称为多路复用。

图1 通信系统的基本模型构成

多址接入：多用户互不干扰的无线通信

如果将多路复用视为将多条数据同时重叠发送，那么多路复用中就不包括发送侧和接收侧的要素。在无线通信的情况下，将发送和接收的要素添加到多路复用的方法，也就是多个用户共享传输路径以传输多条数据的方法被称为多址接入（Multiple Access）。

在与通信相关的书籍、资料和网络内容中，根据所解释的内容，可以看到有的地方将多路复用和多址接入记述为同一技术。在本文中，如上所述，我们将从多址接入是一种利用多路复用并允许多个用户共享传输路径进行通信的方法这个角度来进行解说。

<专栏> 多路复用与多址接入之间的关系

表1显示了多路复用和多址接入之间的关系。为了与多址接入进行比较，多路复用中的发送侧和接收侧都只有一个。此外，由于多路复用具有多个信道，而多址接入也具有多个信道，因此可以说多址接入是以多路复用为基础的。

表1 多路复用与多址接入之间的关系(点击放大)

这里提到到“信道”是指我们简单地将其视为携带一条数据的电波——信号波的通道（通信路径）。从这个意义上来说，信道有时也称为线路。在无线通信的情况下，例如，当传输10个不同的信号波（多路传输）时，也可以说存在10个信道的通信路径。

在实际的无线通信中，相比于从一个用户到另一个用户或从一个用户到多个用户的共享传输路径的事例，多个用户之间相互共享传输路径的事例更多，例如移动通信系统（图2）和卫星通信系统（图3）。

图2 移动通信系统示意图

图3 卫星通信系统示意图

本文接下来简单介绍多路复用和多址接入的机制。

多路复用的机制：FDM/TDM/CDM

无线通信中的多路复用方法有多种，代表性的方法如下所示。

频分多路复用（FDM：Frequency Division Multiplexing）
时分多路复用（TDM：Time Division Multiplexing）
码分多路复用（CDM：Code Division Multiplexing）

每种方式的机制的一般性示意图如图4a、4b、及4c所示，我们将着眼于红框内的传输路径进行解说：

频分多路复用（FDM）

图4a 频分多路复用（FDM）示意图

频分多路复用（FDM：Frequency Division Multiplexing）是一种将多条数据分配到不同频带并将各个频带作为信道（Ch）在单一传输路径上同时传输的多路复用技术。

图4a显示了FDM的一般性示意图。在发送侧将分配了多条数据的频带作为信道在单一传输路径上进行多路复用传输。接收侧可以使用由能够选择各信道的频带的终端接收发送的数据。

作为在无线通信中使用FDM的例子，有日本国内地上波电视播放。虽然传输路径只有空间这一条，但包含图像和音频数据的电波从多个电视台分别以每个频率发送，接收侧可以通过选择唯一的频率来观看所需的电视节目。此外，模拟播放无线电也使用FDM。

时分多路复用（TDM）

图4b 时分多路复用（TDM）示意图

时分多路复用（TDM：Time Division Multiplexing）是一种将多条数据按时间分割后作为信道进行分配，并使用相同的频率在单个传输路径上传输的多路复用技术。

TDM的一般性示意图如图4b所示。在发送侧，来自终端的多条数据被按时间分割并分配给信道（Ch），并在单一传输路径上进行多路复用传输。接收侧通过在与发送侧相同的时间分离到各个信道，多个终端可以分别接收发送的数据。

在无线通信中采用TDM的例子有欧洲和美国的电视播放。

码分多路复用（CDM）

图4c 码分多路复用（CDM）示意图

码分多路复用（CDM：Code Division Multiplexing）是一种将每个终端各不相同的识别符号与数据混合，然后添加得到的同一频带内信号，并通过单一传输路径同时传输该信号群的多路复用技术。

图4c显示了CDM的工作机制。通过将数据与比该数据的1位时间宽度更短的周期性识别符号相混合（调制）来生成调制信号。对该调制信号和传输时的原始数据（原始信号）的频带宽进行比较后发现，调制信号的频带宽更宽。该特征已成为通信方面的优势，例如对外部噪声在传输路径上造成的干扰具有更强的抵抗能力。它通过将每个终端各不相同的多个调制信号原封不动地添加来进行多路复用，并通过单一传输路径来发送该多路复用信号。在接收侧，通过根据每个终端分别将多路复用信号与在调制时使用的识别符号相混合（解调）来恢复数据，可以各接收所发送的数据。

在无线通信中，还没有发现采用CDM的标准系统的例子，绝大多数情况下都是作为多址接入方式的CDMA（Code Division Multiple Access）而被广泛采用

＜专栏＞智能手机技术规格中记载的FDD-LTE和TD-LTE是什么意思？

在使用智能手机和手机的移动通信或固定电话的通话中，发送和接收是同时进行的，这意味着语音数据使用单一信道在两个方向上传输。因此可以认为双向传输也是多路复用技术之一。

智能手机等技术规格中写着“FDD-LTE”或TD-LTE（通常将TDD-LTE写作TD-LTE），这个FDD（Frequency Division Duplex）和TDD（ Time Division Duplex）的意思是双向传输。

另一方面，LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信系统（4G）的通信标准，这其中也包含着多址接入 -在4G的情况下是OFDMA- 的意思。因此，也可以说“FDD-LTE”描述了双向传输和多址接的方式。

虽然有点复杂，但是双向传输并不算是多路复用，双向传输和多路复用的应用——多址接入一般都是这样分开记述的。

图5a FDD 示意图

FDD被称为频分双工，通过为下行/下载（在终端侧接收数据）和上行/上传（在终端侧发送数据）分配不同的频率来实现双向传输（图5a）。

图5b TDD 示意图

TDD也称为时分双工，上下行使用相同的频带，在时间轴方向上分割音频数据，通过在短时间（通话时为毫秒量级）内交替发送和接收音频数据，从而实现双向传输（图5b）。因此，严格来说，TDD并不是同时发送和接收，但在通话时，接收到的声音并不会让人感到不适。

多址接入的机制：FDMA/TDMA/CDMA

多址接入是一种通过共享多路复用信道使多个用户能够互不干扰地进行通信的方法。多址接入的基本方式按演变顺序排列如下：

频分多址接入（FDMA：Frequency Division Multiple Access）
时分多址接入（TDMA；Time Division Multiple Access）
码分多址接入（CDMA：Code Division Multiple Access）

下面，我们将根据图3中的示意图，以每种多址接入方式的示意图和使用它们的卫星通信为例，对这些方式的机制进行说明。

在此需要指出的是，在新近的无线通信，例如4G-LTE移动通信和个人通信（Wi-Fi 6/6E和Wi-Fi 7等）中，使用称为正交频分多址接入（OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access）的方式，其基础是一种称为正交频分多路复用（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）的调制技术和多路复用技术。关于OFDM的说明需要复杂的预备知识，比如数据多值化、QAM（Quadrature Amplitude Modulation）以及数据信号频谱之间的正交性等，因此，我们在此将其省略并准备在其他页面进行解说。

频分多址接入（FDMA）

图6a 频分多址接入（FDMA）的示意图

频分多址接入（FDMA）是将来自多个用户的数据分配到已划分的频带信道（Ch）并通过单一传输路径进行传输的方式（图6a）。FDMA于上一世纪80年代开始运用，模拟方式的第一代移动通信系统（1G）的手机和汽车电话均采用FDMA。

卫星通信中的FDMA通信示意图如图6b所示。图中显示的是假设图3中的送信侧为1个（地球站E0）时，将多路复用数据信号发送到多个接收侧（地球站E1-E3）的情况。

图6b 使用频分多址接入（FDMA）的卫星通信示例

从地球站E0发送数据信号时，将发往地球站E1-E3的每条数据调制到相应频率，然后将信号在卫星中继器支持的频带内等间隔排列，以便相邻信号频带不会重叠（不会相互干扰）。接收这些信号的地球站E1-E3分别将可以接收的频率信号分离并提取数据。

时分多址接入（TDMA）

图7a 时分多址接入（TDMA）示意图

时分多址接入（TDMA）是一种将来自多个用户的数据按固定时间间隔分割后分配到信道并通过单一传输路径进行传输的方式（图7a）。TDMA于上一世纪90年代开始运用，已发展为数字方式的第二代移动通信系统（2G）中的手机（GSM、PDC、PHS等）就采用了TDMA。

卫星通信中的TDMA通信示意图如图7b所示。与上一节一样，图中显示了在假设图3中的发送侧为一个（地球站E0）时将多路复用数据信号发送到多个接收侧（地球站E1-E3）的情况。

图7b 使用时分多址接入（TDMA）的卫星通信示例

从地球站E0发送数据信号时，将时间分成帧，再将帧中被参考突发信号占有的部分除外，将对剩余部分进行分割后的区间（时间槽）作为信道，然后将发往地球站E1-E3的数据分配给每个信道。然后，在地球站E1-E3的每个站里，将与地球站E0的发送时间相匹配的信号分离并提取数据。在卫星通信中，自1985年左右以来，除了FDMA之外还采用TDMA。

这里提到到“参考突发信号”是，为了使通过TDMA进行的通信稳定而不受干扰，需要使发送侧和接收侧的信道切换速度等的时间保持一致（同步）。地球站E0通过在帧开头放置称为突发信号的信号来控制同步。

码分多址接入（CDMA）

图8a 码分多址接入（CDMA）示意图

码分多址接入（CDMA）是一种通过将每个用户的数据与不同的识别符号相混合来生成信号，然后将全部用户的信号重叠到同一频带上并通过单一传输路径进行传输的方式（图8a）。2000年代开始运用的第三代移动通信系统（3G）的手机就使用CDMA。

卫星通信中的CDMA通信示意图如图8b所示。与上一节一样，图中显示了在假设图3中的发送侧为一个（地球站E0）时将多路复用数据信号发送到多个接收侧（地球站E1-E3）的情况。

图8b 使用码分多址接入（CDMA）进行的卫星通信示例

在地球站E0中，将为接收侧地球站E1-E3分别分配的识别符号与发往各站的数据信号相混合，以生成频带比数据信号的频带更宽的信号，并将加上该信号后的多路复用信号传输到卫星中继器。

在从卫星中继器接收多路复用信号的地球站E1-E3侧，为了将信号分离而将接收到的多路复用信号与每个地球站的识别符号相对比，仅从与其匹配的信号中提取数据。

此外，在卫星通信中使用CDMA是上一世纪90年代以后的事情。

总结

我们从实现多个用户之间互不干扰的无线通信的角度说明了多址接入是无线通信中的一种重要方法。在结束之前，我想对其进行一些稍微更加深入的讨论。

多址接入是伴随着FDMA/TDMA/CDMA而发展的，可以毫不夸张地说，频率利用率随着这种发展而得到了提高是无线通信发展的关键。例如，提高移动体通信中的频率利用率会导致用户数量和数据通信总量的增加。频率利用率在这里简单地将其视为每个频带的数据通信速度（单位为bps（bit per second）/Hz）。此外，频率利用率有时也称为频谱效率或带宽效率。

正如在本文中简单提到的那样，目前移动体通信的主流——4G的多址接入方式是正交频分多址接入（OFDMA：Orthogonal Frequency Division Multiple Access），据说频率利用率与3G的CDMA相比提高了2倍左右。此外，5G还采用了一种称为非正交多址接入（NOMA：Non-Orthogonal Multiple Access）的方式，该方式比OFDMA具有更高的频率利用率。

重复一遍，如上所述，为了提高频率利用率而不断发展的多址接入对于无线通信的未来发展和利用推广可以说是不可或缺。