經典通訊問題：如何才能讓很多人在一個房間內說話互不干擾

在上一期文章中我們介紹瞭如何利用毫米波技術來獲得更多的頻譜資源，那麼，接下來的問題是我們在有了頻譜資源後如何充分利用，就是如何讓多個使用者通訊但又互不干擾，專業術語叫做頻譜複用。大家一定有過這樣的經驗，在一間房間裡當人不多時，手機訊號很好，但是當許多人聚集到房間裡的時候，手機的訊號就會變差，有時甚至無法打出電話。這種現象歸根到底就是頻譜複用做得不夠好，無法給所有人分配必需的頻譜資源。

在上一期文章中我們介紹瞭如何利用毫米波技術來獲得更多的頻譜資源，那麼，接下來的問題是我們在有了頻譜資源後如何充分利用。這涉及通訊理論的多路複用通訊(multiple access)問題，即如何讓多個使用者通訊但又互不干擾？在大學的通訊理論課本中，會介紹幾種經典的複用方式。第一種是時分複用(time-division multiple access, TDMA，典型應用：中國移動2G)，即讓給每個使用者分配一個專用的時間段，每個使用者只在自己的時間段內通訊。顯然，時分複用降低了每個使用者的平均資料傳輸速率，因為在大多數時候使用者並不能進行通訊而必須等輪到自己時才能進行資料傳輸。第二種經典的複用方法是頻分複用(frequency-division multiple access, FDMA，典型應用：中國聯通3G)，即把頻譜分成多個通道，給每個使用者分配一個通道，這樣多個使用者可以同時通訊而不會互相干擾。然而，這樣每個使用者只能獲得一部分頻譜資源，雖然多個使用者可以同時通訊但是每個使用者無法做到全速傳輸。第三種複用方法是碼分複用(code-division multiple access, CDMA，典型應用：中國聯通3G)，即每個使用者被分配一個唯一的m位元碼片序列，傳送的每個資料位元均被擴充套件成m位碼片（擴頻）。每個使用者的位元碼片序列互相正交，因此每個使用者能互不干擾地通訊。碼分複用抗干擾能力很強，然而使用者需要傳輸m位元碼片才能真正傳輸1位元資料，因此效率並不高。可以用一個例子來說明時分複用、頻分複用和碼分複用的區別。在一個屋子裡有許多人要彼此進行通話，為了避免相互干擾，可以採用以下方法：

1) 講話的人按照順序輪流進行發言（時分複用）。

2) 講話的人可以同時發言，但每個人說話的音調不同（頻分複用）。

3) 講話的人採用不同的語言進行交流，只有懂得同一種語言的人才能夠相互理解（碼分複用）。

當然，這三種方法相互結合，比如不同的人可以按照順序用不同的語言交流（即中國移動3G的TD-SCDMA）。然而，這三種經典的複用方式都無法充分利用頻譜資源，它們要麼無法多使用者同時間通訊(TDMA)，要麼無法使用全部頻譜資源(FDMA)，要麼需要多位元碼元才能傳遞1位元資料(CDMA)。那麼，有沒有一種方法可以克服以上多路方式的缺點，讓多個使用者同時使用全部頻譜通訊呢？讓我們先來思考一下，如果在一個房間裡大家同時用同一種音調同一種語言說話會發生什麼？很顯然，在這種情況下會發生互相干擾。這是因為訊號會向著四面八方傳播，所以一個人會聽到多個人說話的聲音從而無法有效地通訊。但是，如果我們讓每個說話的人都用傳聲筒，讓聲音只在特定方向傳播，這樣就可以多個人同時用同音調同語言說話但是不會互相干擾。在無線通訊中，也可以設法使電磁波按特定方向傳播，從而在不同空間方向的使用者可以同時使用全部頻譜資源不間斷地進行通訊，也即空分複用(space-division multiple access，SDMA)。SDMA還有另一重好處，即可以減少訊號能量的浪費。當無線訊號在空間中向全方向輻射時，只有一小部分訊號能量被接收機收到成為有用訊號。大部分訊號並沒有被相應的接收機收到，而是輻射到了其它的接收機成為了干擾訊號。當使用SDMA時，訊號能量集中在特定的方向，一方面減少了對其它接收機的干擾，一方面也減小了訊號能量的浪費。在5G通訊中，SDMA是大規模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output，指在發射端和接收端分別使用大規模發射天線和接收天線陣列，使訊號通過發射端與接收端的大規模天線陣列傳送和接收，從而改善通訊質量)技術應用的一個重要例子，而將無線訊號（電磁波）只按特定方向傳播的技術叫做波束成型(beamforming)。有了波束成型，眾多小夥伴就可以同時在同一個地方歡樂地刷手機上網而不用擔心沒訊號的問題啦！