基站是如何區(qū)分不同手機(jī)信號(hào)的呢時(shí)分與頻分多址技術(shù)詳細(xì)介紹

思考這樣一個(gè)問(wèn)題，同一個(gè)基站(信號(hào)塔)覆蓋范圍內(nèi)，大家都在玩手機(jī)，那么這個(gè)基站是如何區(qū)分不同手機(jī)信號(hào)呢？怎么區(qū)別這是張三女朋友電話，還是李四的追??？

圖1 不同用戶同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)

本文將從頻率開(kāi)始介紹，逐步過(guò)渡多頻分與時(shí)分多址技術(shù)。主要內(nèi)容有：

頻率資源

FDMA

TDMA

GSM的多址技術(shù)

多址技術(shù)(Multiple Access)

我們知道，大自然中從無(wú)線電、自然可見(jiàn)光線到X射線，都有一定的頻率范圍。先從一個(gè)基本的公式說(shuō)起：

圖2 頻率與波長(zhǎng)公式

光速=波長(zhǎng)*頻率，光速值是固定的，所以頻率越高，波長(zhǎng)越短。

想想同學(xué)們身邊的通信技術(shù)，要么通過(guò)有線，要么通過(guò)無(wú)線傳播，即有線通信與無(wú)線通信。通過(guò)有線傳輸，自然不必多說(shuō)。平時(shí)上網(wǎng)用的網(wǎng)線，叫做雙絞線，就是一種常見(jiàn)的有線傳輸介質(zhì)，現(xiàn)在的5類雙絞線傳輸速率可以達(dá)到100Mbps。

圖3 有線與無(wú)線通信

如果把有線介質(zhì)換成光纖，在實(shí)驗(yàn)室里面測(cè)試，單模光纖最大速率可以達(dá)到26Tbps，這是我們網(wǎng)線速率的將近3萬(wàn)倍。

圖4 光纖，尾纖

我們的平常所說(shuō)的無(wú)線通信，實(shí)際上是指利用電磁波進(jìn)行通信。

電磁波的頻率有大有小，比如說(shuō)頻率高的Gamma射線，具有殺死細(xì)胞的能力，用于醫(yī)療。而我們用于無(wú)線通信的頻率，從圖5可以看出，主要集中在微波Microwave和無(wú)線Radio wave波段。

頻率資源非常有限。

圖5 頻率譜

在無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)，多個(gè)用戶同時(shí)通過(guò)一個(gè)基站和其他用戶進(jìn)行通信時(shí)，很明顯為了不相互之間“干擾”，有必要對(duì)不同的用戶的進(jìn)行區(qū)分？怎么區(qū)分呢？

通過(guò)頻率、時(shí)間和碼來(lái)區(qū)分。

頻率區(qū)分就是FDMA(frequency division multiple access)，Access不是地址，而是接入的意思。通過(guò)頻率frequency，區(qū)分division，多個(gè)用戶multiple，接入access網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。

時(shí)間區(qū)分就是TDMA，碼區(qū)分就是CDMA，還有4G/5G使用的OFDMA技術(shù)。

這些都是成熟的多址技術(shù)。多址技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域中異常重要，我們的移動(dòng)通信的第一代技術(shù)1G，使用的是FDMA技術(shù)，2G使用了TDMA技術(shù)，3G時(shí)代使用 了CDMA技術(shù)，4G時(shí)代使用了OFDMA技術(shù)。

圖6 1G-5G通信技術(shù)

FDMA

頻分多址技術(shù)，就是給小王同學(xué)、小李同學(xué)分配不同的通信頻率，比如圖7中所示。小李同學(xué)使用頻率2，小王同學(xué)使用頻率1。這樣小王和小李，就可以在同一時(shí)間段一起通信了，互相不干擾。

圖7 頻分多址技術(shù)

普遍的說(shuō)，不同的用戶，占用不同的頻率段，這些頻率段互相不影響，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)。正如車道一樣，你走你的，我走我的。

圖8 不同用戶使用不同的頻率

在實(shí)際的衛(wèi)星CBAND通信中，總帶寬為500MHZ，就是說(shuō)總共能給使用的帶寬是500M，然后我們把它進(jìn)行切割，分成24個(gè)小塊，或者叫做24個(gè)信道CHannel，每個(gè)信道的帶寬為40MHz(36MHz可用的，預(yù)留4MHz作為相鄰兩個(gè)信道的過(guò)度保護(hù)帶)。這樣可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足24位用戶通信。

圖9 衛(wèi)星CBAND

TDMA

時(shí)分多址Time Division Multiple Access，顧名思義，就是切割時(shí)間。文章前面也說(shuō)了，頻率資源是有限的，在這有限的頻率資源內(nèi)，我們必須盡可能的提高它的利用率。

而且，為了獲得高傳輸速率，盡可能的要用大帶寬。

如果同樣的一段頻率，小王同學(xué)和小李同學(xué)都在同一時(shí)間去使用，必然會(huì)相互之間干擾。那么簡(jiǎn)單啊？只要在時(shí)間上劃分不就可以了，小王同學(xué)你晚上用，小李同學(xué)你早上用。雖然都是用同一段頻譜，但是時(shí)間不一樣，也可以實(shí)現(xiàn)相互不影響。

這就是TDMA的思想。圖10中，一段2.5KHz的頻譜，有兩個(gè)用戶在使用，這兩個(gè)用戶都完全占用了這段頻率，只是在時(shí)間軸上按照1-2-1-2這樣的順序，輪流“坐莊”。

圖10 TDMA

我們一般把時(shí)間上劃分的小塊，叫做時(shí)隙Slot。

總結(jié)

CDMA與OFDMA多址方式相對(duì)比較復(fù)雜，將單獨(dú)介紹。

在通信系統(tǒng)中，經(jīng)常是多種多址方式組合在一起，時(shí)間軸上劃分時(shí)隙，同時(shí)頻率軸上也進(jìn)行劃分，這樣實(shí)現(xiàn)了更多的用戶同時(shí)接入，提升了網(wǎng)絡(luò)容量。

比如說(shuō)我們的GSM通信技術(shù)，就是使用了TDMA+FDMA結(jié)合，總共有25MHz的帶寬，劃分成124個(gè)小塊，每個(gè)小塊頻率范圍是200KHz。對(duì)應(yīng)在時(shí)間軸上，每個(gè)200KHz對(duì)應(yīng)8個(gè)時(shí)隙。

圖11 GSM頻率與時(shí)隙劃分

可以這樣粗略的推斷，GSM的一個(gè)200Khz載波上，可以同時(shí)準(zhǔn)許8個(gè)用戶電話。實(shí)際的GSM系統(tǒng)是，還要預(yù)留部分信道用于傳輸控制信令，再考慮HR半速率，實(shí)際的系統(tǒng)中用戶數(shù)會(huì)有變化。

補(bǔ)充：

同學(xué)們可能也經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)“復(fù)用”的概念，復(fù)用和多址如果不是很較真的，初學(xué)者可以認(rèn)為是一個(gè)意思，就是在資源有限的情況下，如何高效利用資源。如果硬是要區(qū)別，多址肯定要復(fù)用，不同的用戶肯定先要占用不同的資源，才能區(qū)分；但是復(fù)用不一定要多址，因?yàn)槲乙粋€(gè)用戶同時(shí)占用多個(gè)資源，這也叫資源復(fù)用。