[科普中國]-多址通信

簡介

多址通信（multiple access communication），多個用戶使用一個公共信道實現(xiàn)各用戶間通信的方式，又稱任意選址通信和多元聯(lián)接 。在多址通信的聯(lián)接方式下，一個地點（地址）的通信設備可以同時與另外多個地點（地址）的通信設備相聯(lián)接；參與多址通信的各個地點的通信設備實際上構成了一個通信網(wǎng)。在工程上，多址通信也稱為點對多點通信。

多址通信廣泛應用于移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)，也廣泛用于計算機區(qū)域網(wǎng)絡上，是一種很有發(fā)展前途的通信方式。

多址通信的具體聯(lián)接方式有很多，目前常用的多址聯(lián)接方式有頻分多址FDMA、時分多址TDMA和碼分多址CDMA，以及它們的組合方式。

值得注意的是，雖然多址技術是多路復用技術的一種應用，但是多址與多路復用的含義還是有區(qū)別的：多址是指不同地點的通信站之間的聯(lián)接關系；多路復用是指同一通信站內(nèi)不同用戶信號之間共用信道的關系。

在多址聯(lián)接方式中有一個信道分配的問題，這里的信道在不同的場合有不同的含義，在FDMA中信道是指各用戶占用的頻段，在TDMA中，是指各用戶占用的時隙，在CDMA中，是指使用的正交碼組。1

信道分配信道分配給各用戶使用，其主要分配方式有固定分配、按需分配和隨機占用三種方式。①固定分配（亦稱預分配）：把公共信道分成為若干子信道，任何兩個站之間通信時要占用預先分配給它們的固定子信道，分配好后不再變更。用這種方式通信時不需要附加控制和調(diào)度信道，因而設備簡單。但是，各信道的容量固定、不能增減，特別是當某站分得的信道空閑不用時，其他臺站不能利用它，因此信道利用率低。②按需分配：按照需要和業(yè)務變動情況，隨時把信道合理地分配給用戶使用。多數(shù)這類系統(tǒng)設有一中心站集中控制信道分配。當某用戶需要通信時,它先與中心站聯(lián)系,中心站根據(jù)當時情況給通信雙方安排信道。有些系統(tǒng)采用分散控制方式，這時上述中心站的功能分別由各用戶自己實現(xiàn)。采用按需分配方式，雖然系統(tǒng)設備復雜，但信道利用率高。③隨機占用（亦稱爭用）：它沒有信道控制系統(tǒng)，當用戶需要通信時可按一定的規(guī)程隨機占用信道。這種方式適用于各用戶通信量較小的情況。當系統(tǒng)中同時工作的用戶過多時，會造成較大的互相干擾甚至失效，因而信道利用率低。

多址方式頻分多址頻分多址方式一般用于衛(wèi)星通信中。在頻分多址中，可以傳輸多路模擬電話信號，也可以傳輸多路數(shù)字信號。頻分多址方式也有幾種不同形式。

（1）預分配的頻分多址方式

這是最簡單的一種多址方式。每個地面站的載頻工作在一個專用頻率上，所有地面站的載波互不相同。這些不同的載波同時通過衛(wèi)星轉發(fā)器進行相互通信。為了使各載波之間互相不干擾，它們的載波頻率之間必須有足夠的間隔，而各載波頻帶之間必須留有保護頻帶。各個地面站之間的通信是這樣連接的：每個地面站的基帶信息是預先固定分配好了的，即發(fā)往某個地面站的信息都固定在基帶的某一基群內(nèi)。因此地面站接收到從衛(wèi)星轉發(fā)器發(fā)來的信號（載波是給本站的，基帶信息是全部的）后，從基帶信號中取出發(fā)給本站的基群信號以完成通信。

預分配方式適用于地面站之間的通信業(yè)務量很大，而且在大部分時間上業(yè)務都較忙的情況下將某些通路固定分配給這些地面站使用，而業(yè)務量不大的地面站之間的通信可通過另一種頻分多址方式進行。

（2）按需分配的頻分多址方式

在按需分配方式中，衛(wèi)星轉發(fā)器的全部不同頻率的通路集中起來準備公用，某一地面站在某一時間有通信業(yè)務需要，就臨時指定讓轉發(fā)器已準備著的一種頻率來實現(xiàn)與對方地面站的互相通信。當通信完成后，該線路又可轉讓給其他地面站使用。這種按需分配方式，既能有效地利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的容量，又能有效地利用陸地通信的連接設備。這種方式在衛(wèi)星通信中使用已久，在地面移動通信大區(qū)域組網(wǎng)時也可應用這種方式。

時分多址像多路復用技術中時分復用代替頻分復用一樣，時分多址（TDMA）是代替頻分多址的主要形式。時分多址避免了頻分多址中的交調(diào)干擾問題。衛(wèi)星功率利用率可以達到90%以上。而且時分多址的帶寬利用率可以達到與頻分多址相似的效率。這是因為信道間沒有頻率保護間隔，雖然需要保護時間，但使用準確定時技術可使保護時間引起的損耗較小。

時分多址可以使衛(wèi)星（也可以是其他系統(tǒng)）在互不重疊的時隙內(nèi)接收各地面終端發(fā)來的信號，因此避免了由非線性轉發(fā)器所產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物。每個地面終端必須確定它到達衛(wèi)星系統(tǒng)的時間和距離，以便所發(fā)射的信號在規(guī)定的時隙內(nèi)到達衛(wèi)星。這需要規(guī)定信號定時和信號形式。

圖中是TDMA網(wǎng)的典型示意圖，網(wǎng)中每個高速射頻能量（一般為四相相位調(diào)制）分幀要在分配給它的時隙內(nèi)到衛(wèi)星，每一時刻非線性所引起的交調(diào)產(chǎn)物在時分多址中就很小，甚至沒有。但發(fā)射分幀的比特率要比到達地面終端的連續(xù)輸入比特率高很多倍。

TDMA方式允許輸出功率放大器工作在全飽和狀態(tài)，這樣會使有用輸出功率顯著增加。所發(fā)射的每個信號應在各時隙之間留有足夠的保護時間，以便適應各種定時的不準確性，同時也可防止前一脈沖的“拖尾”在下一個脈沖出現(xiàn)的時隙內(nèi)所引起的干擾，這就能足夠地避免交調(diào)產(chǎn)物所造成的性能下降?！巴衔病钡姆扰c電路的瞬態(tài)響應有關，也就是與濾波器的幅頻和相頻特性有關。

假定衛(wèi)星轉發(fā)器工作在“硬限幅”狀態(tài)，它同時也對輸入噪聲進行限幅，這樣，輸出包絡即使在保護時間間隔內(nèi)也將是恒定的。通常，保護時間取得足夠小，使每幀中的總保護時間所損耗的功率小于有用信號功率的10%，轉發(fā)器的利用率將大于90%。

碼分多址隨著傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，以及需要交換的信息日益增多，在移動體之間以及移動體與定點之間，通信的需求驟然增加起來。為了進行這種通信，必須以電波作為傳輸介質，而原來的頻愛多址與時分多址已不能適應新的情況。對于頻分多址，存在著頻譜不夠分配（包括按需分配方式在內(nèi)）問題；而對時分多址來說，又要求太高的數(shù)碼率，再則對傳輸也有著明顯的干擾，特別是在市區(qū)，情況更嚴重。

碼分多址方式是一種頻域和時域為多數(shù)用戶（電臺）所公用的新型通信方式。在這種方式中，每個通信用戶所發(fā)射的信號往往占用整個通信系統(tǒng)（例如超短波）的頻帶，而發(fā)射的時間任意，因此各用戶所發(fā)射的信號在時間上和頻率上都可以互相重疊。這時是按照信號波形來區(qū)分各地面站的，即利用各用戶不同波形的信號（不同的編碼）來實現(xiàn)多址通信的。CDMA有許多特殊的優(yōu)點，因而是一種有發(fā)展前途的多址方式。

碼分是信號正交分割原理的第三種應用。通常，把滿足正交性條件的非互斥型信號集稱為復雜正交信號，把利用復雜正交信號的正交性來分割的系統(tǒng)稱為波型分割或碼型分割系統(tǒng)，當信號取數(shù)字形式時，一般稱為碼分。

在碼分多址中，首先每個用戶（電臺）都有自己的地址碼，接收端要產(chǎn)生與發(fā)射端完全相廈的地址碼，當兩者同步或接收端檢測到地址碼時，通信才能完成。其他站由于地址碼不同，因而無法解調(diào)出信號來。由于各用戶使用了不同的地址碼，因此，使用同一載波共用同一射頻彩帶不會發(fā)生相互干擾。這就要求不同地址碼應有很小的相關特性。

在碼分多址通信網(wǎng)中的任一用戶，可以隨時隨地在公用信道上根據(jù)自己的需要，呼叫網(wǎng)內(nèi)任何其他用戶。這就使碼分多址系統(tǒng)不像TDMA系統(tǒng)那樣必須有一套定時系統(tǒng)，或者如FDMA系統(tǒng)那樣對帶寬有一套特別的要求。

碼分多址的最一般的形式是擴展頻譜通信。因此這種多址方式有時也可稱為擴展頻譜多址（SSMA）。這種多址方式的優(yōu)點為：具有很強的抗干擾能力，有較高的保密能力，多址方式比較靈活，屬于隨機多址。可以隨機接入和撤除。當接入的站址數(shù)定額不滿時，通信質量會自動提高；當接入的站址數(shù)略大于定額時，也能繼續(xù)通信，只是通信質量稍差一些。

碼分多址特別適合于軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)和小容量的移動通信系統(tǒng)。

因為CDMA屬于擴頻通信，因此要占用很寬的頻帶（遠大于信息帶寬），而且頻帶利用率一般比較低，這是CDMA的重要缺點。CDMA所需的設備與固定預分配的頻分多址相比也要復雜一些。2