FDMA

頻分多址(frequency division multiple access, FDMA)，是把總頻寬被分隔成多個正交的頻道，每個用戶占用一個頻道。例如，把分配給無線蜂窩電話通訊的頻段分為30個信道，每一個信道都能夠傳輸語音通話、數字服務和數字數據。

頻分多址是模擬高級行動電話服務(AMPS)中的一種基本的技術，是北美地區套用最廣泛的蜂窩電話系統。採用頻分多址，每一個信道每一次只能分配給一個用戶。頻分多址還用於全接入通信系統(TACS)。

基本介紹

• 中文名：頻分多址
• 外文名：frequency division multiple access
• 簡稱：FDMA
• 簡介：模擬高級行動電話服務中的技術

基本介紹

圖1 系統原理

FDMA是以不同的頻率區分不同用戶的信道的。在一個頻率信道中同一時刻只能傳送一個用戶的業務信息。典型的例子如第一代蜂窩系統中的AMPS制式和TACS制式中所用的多址技術。

在TACS或AMPS制式中，由於必須採用FDD方式，要為每個無線小區分配一組n對(上行和下行)頻率信道，這n對頻率信道可供該無線小區中的所有用戶共同使用，但只能供該無線小區的n個用戶同時使用。某移動用戶在傳送信息時，占用一對頻率信道中的上行頻率信道，工作在該頻率信道上的基站接收機就設定相應中心頻率及頻寬的接收帶通濾波器接收該用戶信息；而其他移動用戶可在其他上行頻率信道上同時傳送信息。由於各頻率信道上的基站接收機都設定了對應中心頻率和一定頻寬的接收帶通濾波器，所以基站各接收機能正確地接收各用戶的信息。同樣，各移動用戶接收信息時，在同一對頻率信道中的下行頻率信道上接收來自基站的信息。由於各移動台設定了相應中心頻率及頻寬的帶通濾波器，也能正確地接收各自的信息。在900MHz頻段，一對頻率信道的上下行頻率信道的頻率間隔為45MHz。

按照這種技術，把在頻分多路傳輸系統中集中控制的頻段根據要求分配給用戶。同固定分配系統相比，頻分多址使通道容量可根據要求動態地進行交換。

在FDMA系統中，分配給用戶一個信道，即一對頻譜，一個頻譜用作前向信道即基站向移動台方向的信道，另一個則用作反向信道即移動台向基站方向的信道。這種通信系統的基站必須同時發射和接收多個不同頻率的信號，任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經過基站的中轉，因而必須同時占用2個信道(2對頻譜)才能實現雙工通信。

1.1特點

FDMA是指不同的移動台(或手機)占用不同的頻率，即每個移動台占用一個頻率的信道進行通話或通信。因為各個用戶使用不同頻率的信道，所以相互沒有干擾。這是模擬載波通信、微波通信、衛星通信的基本技術，也是第一代模擬移動通信的基本技術，早期的移動通信多使用這種方式。由於每個移動用戶進行通信時占用一個頻率、一個信道，頻帶利用率不高。隨著移動通信的迅猛發展，很快就顯示出其容量不足的缺點。

圖2 信號傳播圖

在頻分多址中，不同地址用戶占用不同的頻率，即採用不同的載波頻率，通過濾波器選取信號並抑制無用干擾，各信道在時間上可同時使用。頻分多址技術比較成熟，第一代蜂窩式行動電話系統採用的就是FDMA技術。模擬蜂窩式行動電話系統均使用頻分多址技術。在採用FDMA技術的第一代蜂窩系統中，各頻率信道除了要傳送用戶語音外，還要傳送信令信息。一般情況下，要為信令信息的傳送專門分配頻率信道，該頻率信道稱為專用控制信道或專用信令信道。但在通話過程中進行信道切換時，是在業務信道中傳送切換信令的。由於每個移動用戶使用控制信道的時間相對於使用業務信道的時間要少得多，所以往往一對控制信道可供一個基站或多個基站內的所有移動用戶共同使用。另外還利用語音信道傳送狀態信號、證實信號、應答信號以及為檢測正在使用的話音信道質量而在整個通話過程中總是傳送的檢測音(SAT)等模擬信令。

採用FDMA技術的第一代蜂窩系統，每頻率信道頻寬不超過30kHz。傳送語音的業務信道是採用調頻方式將用戶話音調製到某一載頻上實現的。傳送信令的專用控制信道是採用FSK調製方式將較低速率的信令數據調製到某一載頻上實現的。由於傳送的信令數據速率較低，一般為8～10kbit/s，每個碼元的持續時間遠大於由於多徑傳輸產生的時延擴展。所以，在接收端不需要採用自適應均衡技術。

衛星通信中的多址聯接技術和多路復用技術是信號分割理論的具體套用。它們很相似，但又有區別。多址技術是多個通信站的射頻信號在射頻信道上進行的多路復用，以達多個通信站間多邊通信的目的；而多路復用是一個通信站的多路群信號在中頻信道上進行的多路復用，以達兩個站間的雙邊多路通信的目的。

FDMA頻分多路多址聯接方式是每個地球站分配一個專用的載波，並且，所有地球站的載波互不相同，為了載波互不干擾，它們之間有足夠的間隔。即頻分多路復用－調頻方式－頻分多址聯接（FDM－FM－FDMA），這裡，首先將電話信號經長途電信局送到載波終端，按頻分多路復用FDM方式把信號復用在60路標準基帶中，整個基帶包括5個基群，每個基群有12個話路，將它們按預先分配方式分配給一個地球站。然後把60路的群信號用FM方式調製到分配給地球站的載波上，經本站天線系統向衛星發射。通過衛星上轉發器將上行頻率變換成下行頻率，並發向各站，這些地球站將收到的信號解調便得到60路群信號，從群信號濾出發給本站的基群信號。

1.2目的

頻分復用的目的在於提高頻帶利用率。在通信系統中，信道能提供的頻寬往往要比傳送一路信號所需的頻寬寬得多。因此，一個信道只傳輸一路信號是非常浪費的。為了充分利用信道的頻寬，因而提出了信道的頻分復用問題。合併後的復用信號，原則上可以在信道中傳輸，但有時為了更好地利用信道的傳輸特性，還可以再進行一次調製。

圖3 性能比較

在接收端，可利用相應的帶通濾波器（BPF）來區分開各路信號的頻譜。然後，再通過各自的相干解調器便可恢復各路調製信號。

頻分復用系統的最大優點是信道復用率高，容許復用的路數多，分路也很方便。因此，它成為模擬通信中最主要的一種復用方式。特別是在有線和微波通信系統中套用十分廣泛。頻分復用系統的主要缺點是設備生產比較複雜，會因濾波器件特性不夠理想和信道記憶體在非線性而產生路間干擾。

1.3計算

在頻分多址FDMA方式中，

式中的λi=ΔFi，i=1～n。ΔFi為第i個信道所使用的頻率。

相關技術

數字移動通信網的主要多址方式是FDMA、TDMA系統(GSM，DAMPS)。在頻譜效率上約是模擬系統的3倍，容量有限；在話音質量上13kbit/s編碼也很難達到有線電話水平、FTDMA系統的業務綜合能力較高，能進行數據和話音的綜合，但終端接入速率有限(最高9.6kbit/s)

TDMA系統無軟切換功能，因而容易掉話，影響服務質量；TDMA系統的國際漫遊協定還有待進一步的完善和開發。因而TDMA並不是現代蜂窩移動通信的最佳無線接入。

CDMA碼分多址技術完全適合現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換、國際漫遊等。

2.1多址技術區別

FDMA是採用調頻的多址技術。業務信道在不同的頻段分配給不同的用戶。如TACS系統、AMPS系統等。

圖4 相關技術

TDMA是採用時分的多址技術。業務信道在不同的時間分配給不同的用戶。如GSM、DAMPS等。

CDMA(碼分多址)是採用擴頻的碼分多址技術。所有用戶在同一時間、同一頻段上，根據不同的編碼獲得業務信道。

GSM：全球移動通訊系統GlobalSystemofMobilecommunication，是當前套用最為廣泛的行動電話標準。

GPRS：GerneralPackerRadioService，通用無線分組業務是一項高速數據處理的科技，即以分組的“形式”把數據傳送到用戶手上。因此，GPRS技術可以令手機上網省時、省力、省花費。打個比方，GPRS就好比移動通信設備的ADSL，而GSM就是普通固定電話線。

2.2時分多址

時分多址(TimeDivisionMultipleAccess)是把時間分割成周期性的幀(Frame)每一個幀再分割成若干個時隙向基站傳送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。同時，基站發向多個移動終端的信號都按順序安排在予定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內接收，就能在合路的信號中把發給它的信號區分並接收下來。

2.3正交頻分多址

正交頻分多址是OFDM(正交頻分復用)調製的一種形式，它針對多用戶通信進行了最佳化，尤其是蜂窩電話和其它移動設備。

它是針對蜂窩電話長期演進(LTE)的最合適調製方案。在這種演變的過程中,OFDMA的名稱變為高速正交頻分復用分組接入(HSOPA)。OFDMA的變數由WiMAX論壇選為調製方案，後來又根據IEEE針對IEEE802.16-2004(固話)和802.12e(移動)WiMAX的標準進行了標準化。

與CDMA(碼分多真址接入)寬頻CDMA及通用移動通信系統(UMTS)這類3G調製方案相比，它的好處在於具有更高的頻譜效率和更好的抗衰落性能。對於低數據率用戶，它只需要更低的發射功耗，具有恆定而不是隨時間變化的更短延遲，以及避免衝突的更簡潔方法。

圖5 容量

OFDMA會把副載波的子集分配給各個用戶。以關於信道狀態的反饋為基礎，系統能執行自適套用戶到副載波的分配。只要這些副載波分配被迅速地執行，與OFDM相比，快速衰退、窄帶同頻干擾性能都得到了改進。反過來，這又改進了系統的頻譜效率。

OFDMA顯然與其它的調製方案既有不同點，又有相似之處。例如，它能被當作一種替代方案，把OFDM與時分多址連線方式(TDMA)或時域統計多路復用技術的結合起來。不採用“脈控”高功率載波，低數據率用戶就能連續地以低發射功率進行傳輸，並且這會產生恆定且更短的延遲時間。

另一方面，OFDMA也可以被看作是頻域和時域多路接入的結合。從這個角度看，頻譜被分割成時頻空間，並且時隙會沿著OFDM符號引導部分以及OFDM副載波引導部分進行分配。

通過一個短故事來理解OFDMA和其它幾種技術之間的關係是最好的方法。IEEE802.11WLAN系列的標準是對室區域網路絡考慮的。當模擬蜂窩技術表現出了它的市場潛力及它在技術上的不足時，工程師就開始設計能把Wi-Fi功能擴展到戶外網路的專有的MAC和PHY系統。

圖6 正交頻分多址

事實上，寬頻接入中的大部分活動發生在ISO第1層(PHY層)和2層(媒體訪問控制或MAC層)。

當寬頻無線MAN(城域網)的標準化工作開始後，它為研究其它調製方案打開了大門，並且OFDM和OFDMA的價值也變得顯而易見了。WiMAX論壇對這些方案的評估和向標準機構提出的建議發揮了幫助作用。

這最終演進成IEEE802.16標準。IEEE802.16-2004提供固定頻寬無線的標準，而IEEE802.16e則提供移動頻寬無線標準。這兩種標準都支持多個PHY模式，但其選項都不支持包括WCDMA或UMTS這種3G調製方案在內的現有方案。

與OFDM和OFDMA一起，可擴展的OFDMA方案也被包括在這一標準當中。

可擴展的802.16物理層(sOFDMA)憑藉針對固話和攜帶型/移動使用模式的固定副載波間隔，為範圍從1.25MHz到20MHz的信道頻寬提供了最佳的性能。

根據信道頻寬，利用可變的快速傅氏變換算法(FFT)，這一架構以可擴展的子通道化結構為基礎。除了可變的FFT大小外,這一規範也支持像多輸入多輸出(MIMO)天線分集這樣的功能。

分類詳解

3.1頻分復用

在FDD系統中，分配給用戶一個信道，即一對頻譜；一個頻譜用作前向信道即基站向移動台方向的信道，另一個則用作反向信道即移動台向基站方向的信道。這種通信系統的基站必須同時發射和接收多個不同頻率的信號；任意兩個移動用戶之間進行通信都必須經過基站的中轉，因而必須同時占用2個信道（2對頻譜）才能實現雙工通信。它們的頻譜分割如圖所示。在頻率軸上，前向信道占有較高的頻帶，反向信道占有較低的頻帶，中間為保護頻帶。在用戶頻道之間，設有保護頻隙，以免因系統的頻率漂移造成頻道間的重疊。

FDMA系統是基於頻率劃分信道。每個用戶在一對頻道中通信。若有其它信號的成分落入一個用戶接收機的頻道帶內時，將造成對有用信號的干擾。就蜂房小區內的基站移動台系統而言，主要干擾有互調干擾和鄰道干擾（關於互調干擾和鄰道干擾，見前面對干擾的介紹）。在頻率集重複使用的蜂房系統中，還要考慮同頻道干擾。

在模擬蜂窩系統中，採用頻分多址方式是唯一的選擇。如以前我們所用的模擬網TACS系統，用的就是頻分多址。而在數字蜂窩中，則很少採用純頻分的方式。比如我們現在用的GSM系統，雖然也在頻率上做了劃分，但是更重要的是採用了時隙的概念，所以人們更願意把其劃入時分復用（TDMA）。

3.2時分復用

時分多址是在一個寬頻的無線載波上，把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），每個時隙就是一個通信信道，分配給一個用戶。

系統根據一定的時隙分配原則，使各個移動台在每幀內只能按指定的時隙向基站發射信號（突發信號），在滿足定時和同步的條件下，基站可以在各時隙中接收到各移動台的信號而互不干擾。同時，基站發向各個移動台的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各移動台只要在指定的時隙內接收，就能在合路的信號（TDM信號）中把發給它的信號區分出來。所以TDMA系統發射數據是用快取-突發法，因此對任何一個用戶而言發射都是不連續的。這就意味著數字數據和數據調製必須與TDMA一起使用，而不象採用模擬FM的FDMA系統。

由於TDMA更考慮時間上的問題，所以我們要注意通信中的同步和定時問題，否則會因為時隙的錯位和混亂而導致接收端移動台無法正常接收信息。

採用TDMA帶來的優點是抗干擾能力增強，頻率利用率有所提高，系統容量增大，基站複雜性減小。TDMA用不同的時隙來發射和接收，因此不需雙工器。同時越區切換簡單（和FDMA相比較而言）。由於在TDMA中移動台是不連續地突髮式傳輸，所以切換處理對一個用戶單元來說是很簡單的，因為它可以利用空閒時隙監測其他基站，這樣越區切換可在無信息傳輸時進行。因而沒有必要中斷信息的傳輸，即使傳輸數據也不會因越區切換而丟失。

由於TDMA的諸多優點，所以我們在第二代移動通信系統（指我國採用的GSM系統）中引入了TDMA技術。