无线通信:多址(Multiple Access)方式

时间:2024-04-14 09:15:30

什么是多址方式

多址方式又叫多址接入方式或多址技术,是指在一个网络(如移动通信的小区、无线局域网)中,当多个用户接入网络时,解决如何高效地共享一个无线资源(时间/频率/空间/载波)的技术。

通俗地说,当多个用户共享一个无线资源时,按照时间、频率、空间、编码、子载波等进行划分,从而使不同用户在不同的分割下使用(接入)该资源进行通信。占用不同的分割资源就像拥有不同的地址,而同一资源可以有多个地址,因此称为多址接入。

有哪些多址方式

多址方式大致上分为两类:正交多址(Orthogonal Multiple Access,OMA),即用户之间不存在干扰;非正交多址(NOMA),每个用户的信号可能和其他用户相干扰。

在5G(第五代移动通信)之前的多址方式都属于正交多址。随着移动通信的不断演进,传统正交多址技术已经无法满足要求,因此5G开始采用非正交多址技术。5G有三大应用场景,这么广泛的应用场景采用一种固定的多址方式是不现实的,这就要求5G采用多种多址方式,为系统提供灵活性和扩展性。下面介绍各种多址方式。

  • FDMA(Frequency Division Multiple Access):中文名为频分多址,不同用户采用不同的频率(信道)进行通信,从而区分不同用户。
  • TDMA(Time Division Multiple Access):中文名为时分多址,不同用户在不同的时间(时隙)进行通信,从而区分不同用户。比如,GSM的信道分成8个时隙轮流使用,每个时间点上只有1个用户使用。
  • CDMA(Code Division Multiple Access):中文名为码分多址,不同用户采用不同的编码序列(伪随机码)进行扩频。
  • SDMA(Space Division Multiple Access):中文名为空分多址,不同用户采用不同的空间信道(定向天线波束),从而区分不同用户。
  • OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access):中文名为正交频分多址,它是从OFDM信道调制技术演变而来的。OFDM是一种多载波调制技术,它把一个信道分为若干个正交的子载波,每个子载波就是一个子信道;而OFDMA是把若干子信道组成的载波集分配给不同用户的一种多址技术。
  • CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance):中文名为“带有冲突避免的载波监听多用户接入”,广义上来说CSMA/CA也属于TDMA技术。CSMA/CA的原理:在发送数据前先监听链路(信道),如空闲(没有其他用户占用),则立即发送;边发送边监听,如果检测到冲突,则立即停止发送,随机等待一段时间后再尝试。通俗地概括为:先听后说,边听边说,冲突不说,随机重说。
  • NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access):中文名为非正交多址。NOMA的种类有多种,总体来说其原理大致相同。之前的正交多址技术是在时域、频域、码域上做文章,NOMA则增加了一个新的维度—功率域,不同用户采用相同的时间和频率资源发送信息,利用每个用户的不同路径损耗来实现用户的复用,在接收端采用自干扰消除(SIC)技术对信号进行处理。

NOMA是目前多址技术领域中的热门技术,很多公司都提出了解决方案,如华为提出的SCMA(稀疏码多址)、诺基亚提出的IDMA(交织分多址)、中兴通讯提出的MUSA(基于多用户共享接入)、三星提出的IGMA(交织分割多址接入)、高通提出的RSMA(资源扩展多址接入)等。

到目前为止,这些多址技术都没有被3GPP正式定为协议标准,都还在讨论阶段。

采用NOMA的原因和NOMA的应用场景。

由于5G需要满足低时延(URLLC,1 ms)、低信令开销(mMTC、eMBB、URLLC)、低功耗(mMTC、eMMB)、海量接入数(mMTC,物联网海量机器通信要求每平方千米内上百万个连接),对系统容量、时延、信令开销、功耗提出了非常高的要求,传统的正交多址接入方式的弊端将无法满足5G系统的要求。

例如,在一个正交多址接入系统中,一块资源(时间/频率/编码/空间)平均分配给N个用户,每个用户能够分到1/N的资源。

而采用NOMA多址接入时,由于每个用户不必正交,从而共享资源,因此显著提高了系统的接入数量。

除此之外,NOMA在信令开销、功耗、时延方面的优点刚好满足了5G系统的要求。

但是,由于NOMA技术固有的干扰问题(同时同频发送),决定了NOMA并不能广泛地应用于各种场景。

对于eMBB场景,大多数情况下仍旧是正交多址,即OFDMA和SC-FDMA。

应用

移动通信

  • GSM: FDMA(信道)+TDMA(时隙)
  • WCDMA: CDMA
  • cdma2000 1X: CDMA, TDMA+CDMA (EVDO 前向链路)
  • TD-SCDMA: TDMA+FDMA+CDMA+SDMA
  • LTE: SC-OFDMA(上行链路),OFDMA(下行链路)
  • 5G:SC-FDMA(上行链路),OFDMA(下行链路),NOMA

其他

  • Wi-Fi : CSCMA/CA
  • ZigBee: CSCMA/CA
  • NB-IoT:FDMA(上行链路),OFDMA(下行链路)
  • Bluetooth: TDMA
  • GPS: CDMA
  • LoRa: ALOHA

无线通信的起源
商用无线通信:信道带宽
无线通信:多址(Multiple Access)方式
无线通信:双工(Duplex)方式
无线通信:调制(Modulation)方式
无线通信:分集(Diversity)
无线通信:多输入多输出(MIMO)