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。

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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。

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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。

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• 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。

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　　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。