第十章 多址技术引言多址技术是多用户通信系统的关键技术之一，其核心就是让多个用户能够在给定的通信资源下同时通信多址技术总体上可以分为两大类，一类是有中心的集中控制，一类是无中心的分布式控制（也称为随机多址）本章主要讨论有中心的集中控制多址技术，这种多址方式的主要特点是单点对多点，其中的“单点”通常称为基站、中心站或者接入点，“多点”是多个通信节点的集合，其中的每个通信节点称为用户或者移动台多点通信必须保证系统的有序性，也就是说，系统的时间、频率、空间及功率等通信资源在分配给不同的用户使用时，要按照一定的规则来进行多址技术不仅要满足多用户都能正常通信的要求，还要尽可能优化地分配有限的通信资源，在一定频谱资源的条件下，使系统能够容纳的用户数尽可能多或传输速率尽可能高无线通信基础与应用210.1 概述多址技术的实现方式主要有两大类，即受控的集中式多址和分布式随机多址集中式多址存在一个集中式的协调机构（即基站或接入点）来管理和分配通信资源，这种方式需要较高的信令成本，但易于保证通信质量，因此特别适用于连续的、且对实时性要求较高的业务，移动通信运营商多采用此类多址方式分布式随机多址则无需协调机构来统一管理，每个用户基于本地知识自主使用通信资源，可能导致相互冲突干扰。
产生冲突的各方可以通过某种协调机制，从而在冲突发生后自主解决冲突所产生的问题，保证通信的有序进行随机多址的典型技术有ALOHA、时隙ALOHA、载波侦听多址接入（Carrier Sensing Multiple Access，CSMA）等选用什么样的多址方式取决于通信系统的应用环境和要求，无论哪种多址方式，其核心议题都是在通信资源有限的条件下努力容纳更多的用户和业务，提高通信系统的容量无线通信基础与应用310.1.1 上行链路和下行链路根据多用户位于接收端还是发射端，可以将通信链路分为下行链路和上行链路两种类型下行链路实现单点到多点的通信，也称前向链路上行链路完成多点到单点的通信，也称为反向链路无线通信基础与应用410.1.2 双工方式通信系统的双工方式，一般可以分为单工通信、半双工通信和全双工通信三种单工通信是指通信双方中，一方只能进行发送，另一方只能进行接收，也即通信发生在一个发射机和一个接收机之间单工通信的典型例子是寻呼系统半双工通信是指通信双方都可以进行发射或者接收，但是对任意一方来讲，发射和接收不是同时进行，而是交替进行的对讲机普遍采用了半双工的通信方式实现半双工通信时，既可以采用同频半双工方式，也可以采用异频半双工方式。
全双工通信是指通信双方中的任何一方，都可以同时进行发送和接收在无线通信环境下，传统的全双工通信方式主要有两种，即频分双工（FDD）和时分双工（TDD）无线通信基础与应用510.1.2 双工方式FDD利用不同的频率范围（一般称为频道）来区分发送和接收信道，也就是说发送和接收分别在不同的频道上进行在采用FDD的集中式多址技术中，通常下行频率高于上行频率在FDD中收发往往共用一副天线,需要在收发单元和天线之间插入双工器双工器是一种特殊的双向三端滤波器，既要将天线接收到的微弱信号有效地耦合到接收机，又要将较大功率的发射信号有效地馈送到天线上去，同时还要求经由双工器泄露到接收机的发射功率特别低才行，即保证收发之间足够的隔离度无线通信基础与应用610.1.2 双工方式TDD利用不同的时间来区分发送和接收信号在TDD中收发信机一般工作在相同的频道上，但它们在不同的时刻进行发送和接收为了降低对通信双方同步精度的要求，同时避免发送和接收之间的相互影响，接收和发送的时间应互不重叠，并应保留一定的时间间隔这里特别需要注意TDD和半双工的差别TDD的优点是由于收发是在相同频道上进行的，收发信道的衰落特性具有一致性，也称为信道互易性。
收发信机在共用天线时，不需要采用双工器在使用TDD的集中式多址技术中，还可以根据具体业务的特点灵活的调整上下行链路占用的时间，无线通信基础与应用710.1.3 多址技术分类多址技术将通信资源分配给不同的用户使用，具体的通信资源不同，对应的多址技术也不同频分多址（FDMA）将不同的频率分配给不同的用户，各个用户使用不同的频率同时通信时分多址（TDMA）将不同的时隙分配给不同的用户，各个用户使用同一频率上的不同时隙顺序通信码分多址（CDMA）将不同的扩频码序列分配给不同的用户，各个用户同时使用相同的频率，依靠扩频码序列区分彼此这三种多址方式既可单独使用，也可混合使用，而且在无线通信网中通常混合使用除以上三种基本的多址技术以外，随着OFDM及大规模多天线技术的使用，进一步出现了空分多址（SDMA）、正交频分多址（OFDMA）以及非正交多址（NOMA）等多种新型多址技术频道和信道两个容易混淆的概念通常将分配给用户使用的通信资源称为信道，而频道则是特定的一段频率范围无线通信基础与应用810.1.3 多址技术分类无线通信基础与应用910.2 频分多址 FDMA频分多址是指将系统的频谱资源划分为若干个等间隔的频道（也称信道）供不同的用户使用。
每个用户分配一个频道，不同用户占用的频道不同，同一时刻一个频道只能供一个用户使用，频道之间一般设有保护频段由于移动台的发射频率范围（即上行频段）与接收频率范围（即下行频段）不同，因此移动台之间不能直接传输信息，需要基站中转，两个移动台相互通信需要占用两对双工信道（4个频道）无线通信基础与应用1010.2 频分多址 FDMA无线通信基础与应用1110.2 频分多址 FDMA使用频分多址的第一代模拟蜂窝通信系统的特点通常带宽较窄（25-30KHz），每个频道只能传输一个用户的业务；用户分配FDMA信道后，即使没有话音传输，信道也不能被其他用户使用；移动台和基站在建立通信链路后，连续不断发射信号，由于传输不间断，故同步开销小；传输速率低，符号周期通常远大于多径时延扩展，码间干扰不明显，信号经历平坦衰落，一般不需要采用均衡技术由于基站同时在多个频道上发送多个用户的信号，因此具有较大的峰均比，当采用非线性放大器时，易产生互调干扰无线通信基础与应用1210.3 时分多址 TDMA无线通信基础与应用1310.3 时分多址 TDMATDMA系统的双工方式可以采用FDD，也可以采用TDD在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上传输无线通信基础与应用1410.3 时分多址 TDMA在TDD方式中，时间划分成上行帧（用于移动台发送）和下行帧（用于移动台接收）两部分，上/下行帧工作在相同的频率上。
上/下行帧再进一步分成若干时隙，其具体的组织方式又有两种无线通信基础与应用1510.3 时分多址 TDMA无线通信基础与应用1610.3 时分多址 TDMA时分多址系统的特点主要有由于用户仅在特定时隙发送信息，因此移动台的发送是不连续的这个特点能够有效降低移动台的电量消耗，因为可以在非工作时隙（大多数时间）关闭移动台的发射机电源由于用户仅在特定时隙接收信息，因此移动台的接收也是不连续，这个特点在移动通信系统中非常有用因为移动台可以在空闲期间监测其他相邻基站的信号质量，利于实现移动台辅助的过区切换，从而极大地提升系统用户容量下一章专门讨论该问题即使在FDD方式下，只要上下行时隙错开一段时间，发射和接收无需同时进行，这样就可以在收发共用一副天线时使用单刀双掷电子开关来代替双工器，从而减小设备的成本和体积每个用户只能在给定的时隙发送和接收，而且每个时隙采用的是突发的传输方式，因此每个时隙均需进行同步和信道估计，系统开销较大由于一个频道要传输多个用户的信息，因此传输速率通常较高，占用带宽较大，符号周期通常小于多径时延扩展，更容易受到频率选择性衰落的影响，码间串扰严重，接收机需要使用均衡器来消除ISI。
可以根据用户的业务不同，为其分配不同数目的时隙，将多个时隙捆绑在一起为用户提供按需使用带宽的服务，从而实现变速率通信无线通信基础与应用1710.3.1 时隙结构设计设计TDMA时隙结构，需考虑下面几个主要问题：随路信令信息的传输：在每个时隙中，专门划出部分比特用于随路信令信息的传输多径传播的影响：由于一个频道要传输多个用户的信息，因此传输速率通常较高，占用带宽较大，符号周期通常小于多径时延扩展，更容易受到频率选择性衰落的影响，码间干扰ISI严重，接收机必须使用均衡器消除ISI，为此需要在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列；由于信道通常是时变的，因此需要周期性插入训练序列，通常训练序列的周期要小于信道的相关时间多用户间上行同步：上行链路的每个时隙中要留出一定的保护间隔（不传输任何信号），即每个时隙传输信息的时间要小于时隙长度设置保护间隔是为了避免上行用户时隙碰撞，实现多用户之间的上行同步10.3.2节将对保护间隔进行详细的说明接收机的定时同步：每个时隙中都要传输同步序列，以帮助接收机获得载波同步和位定时同步同步序列和训练序列可以分开传输，也可以合二为一无线通信基础与应用1810.3.1 时隙结构设计典型的TDMA时隙结构如图所示在时隙中设置一定的功率上升和功率下降时间，为发射机的打开和关闭设置保护时间。
前置序列、中置序列以及后置序列都是对接收端已知的冗余数据，用作载波同步、位同步及训练序列等保护间隔是一段空闲时间，在其中不传输任何数据，用于保证各个时隙之间的正交性不被破坏（即互不重叠）数据字段为实际传输的有效载荷，也即业务数据在时隙结构设计时，需要尽可能增大数据部分所占的比重，以提高频谱效率无线通信基础与应用1910.3.2 保护间隔与时间提前量无线通信基础与应用2010.3.2 保护间隔与时间提前量无线通信基础与应用2110.3.2 保护间隔与时间提前量无线通信基础与应用2210.3.2 保护间隔与时间提前量无线通信基础与应用2310.3.2 保护间隔与时间提前量无线通信基础与应用2410.3.2 保护间隔与时间提前量无线通信基础与应用2510.3.2 保护间隔与时间提前量无线通信基础与应用2610.4 码分多址CDMACDMA技术基于直接序列扩频调制，所有用户同时工作在相同的载波频率上，不同的用户使用不同的扩频码序列分别进行扩频调制，这些扩频码序列相互正交或者准正交在CDMA通信系统中，不同用户的传输信号不是靠频率或时间来区分的，而是用各不相同的扩频序列来区分的如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号在这两个维度上是完全重叠的，接收机必须使用相关器从叠加信号中选出其中使用预定扩频码序列的信号。
在CDMA蜂窝通信系统中，为了实现双工通信，下行链路和上行链路可以使用不同的频道，即频分双工FDD；也可以使用不同的时间，即时分双工TDD无线通信基础与应用2710.4.1 扩频码序列在CDMA系统中，扩频序列除了需要具备良好的自相关特性外，还需具备以下两个条件：序列族中不同序列之间具有良好的互相关特性，即要求接近于零的互相关值；序列族中应该包含足够数量的序列分配给用户使用，从而保证用户容量兼具理想的自相关特性和互相关特性且具有大量序列的单一类型的伪随机序列是不存在的，此时可以考虑采用复合序列通常采用具有理想互相关特性（即完全正交）的序列族作为CDMA系统的扩频序列Walsh序列族就是一种具有理想互相关特性的正交序列族，不同阶数的Walsh序列族可由哈达玛（Hadamard）矩阵得到无线通信基础与应用2810.4.1 扩频码序列无线通信基础与应用2910.4.2 多址干扰与远近效应在CDMA系统中，为了保证足够的扩频码个数，不同信道采用的扩频序列是准正交的，这样不同的信道之间就会产生CDMA特有的多址干扰（MAI）CDMA系统中所有用户使用相同的频率，多个用户各自发送的直扩信号叠加在一起进入基站接收机。
当基站需要从中解调任意一个用户的信息时，除了所希望的有用信号外，还收到了其它用户的信号，且不同用户使用的扩频码序列不是完全正交的，因此解扩时，就不能把它们完全抑制，从而会对该用户信号造成干扰这种由于采用码分多址技术。