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多址接入技術 FDMA TDMA CDMA NOMA

  每一代通訊系統有自己獨特的多址接入技術。多址接入技術的目的是讓多個使用者能同時接入基站,享受基站提供的通訊服務,保證各個使用者之間的訊號不會互相干擾。 
  第一代移動通訊系統(1G)主要採用分頻多重進接接入方式(FDMA),第二代移動通訊系統(2G)主要採用分時多重進接接入方式(TDMA),第三代移動通訊系統(3G)主要採用分碼多重進接接入方式(CDMA),第四代通訊系統(4G)主要採用正交頻分複用多址接入方式(OFDMA),而非正交多址接入方式(NOMA)是下一代移動通訊系統(5G)一個熱門的技術。下面從第一代移動通訊系統開始介紹每一代移動通訊系統所採用的多址接入方式。

1. 分頻多重進接 FDMA

  分頻多重進接,即Frequency Division Multiple Access,FDMA。顧名思義,分頻多重進接利用不同的頻帶來區分使用者,即使用者的資料在不同的頻帶上傳輸,而從避免使用者間訊號的相互干擾。 
  第一代移動通訊系統採用FDMA作為多址方式。FDMA的原理如下圖所示,其中User1,User2,User3,User4,User5和User6分別在頻點f1,f2,f3,f4,f5和f6上傳輸資料。各個頻點之間有相應的保護頻帶,保證每個使用者的訊號不被其他使用者干擾。 
FDMA  

2. 分時多重進接 TDMA

  分時多重進接,即Time Division Multiple Access,TDMA。顧名思義,分時多重進接利用不同的時隙來區分使用者,即使用者的資料在不同的時隙上傳輸,從而避免使用者間訊號的相互干擾。 
  第二代移動通系統主要採用TDMA作為多址方式。TDMA的原理如下圖所示,其中User1,User2,User3,User4,User5和User6分別在時隙t1,t2,t3,t4,t5和t6上傳輸資料。各個時隙的時間不會相互重疊,保證每個使用者的訊號不被其他使用者干擾。 
TDMA

3. 分碼多重進接 CDMA

  分碼多重進接,即Code Division Multiple Access,CDMA。顧名思義,分碼多重進接利用不同的碼字來區分使用者,即使用者的資料用不用的碼字進行加擾,從而避免使用者間訊號的相互干擾。 
   
  第三代移動通訊系統主要採用CDMA作為多址方式。我們以一個例子來講解分碼多重進接的原理。 
A,B,C,D四個發射端分別採用四種碼字, 
A: (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) 
B: (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) 
C: (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) 
D: (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)

  假設A傳送資料1,B傳送資料0,C不傳送資料,D傳送資料1,則 
A•1 = (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) 
B•(-1) = (1 1 -1 +1 -1 -1 -1 +1) 
D•1 = (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1) 
S = A•1 + B•(-1) + D•1 = (-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)

  接收側收到碼字序列S後,依次與各個碼字相乘提取出各個碼字上承載的訊號。 
S•A=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1, A傳送1 
S•B=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1, B傳送0 
S•C=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0, C無傳送 
S•D=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1, D傳送1

  CDMA經常與TDMA、FDMA一起使用,這樣系統就能在同時、同頻的無線資源上傳輸多個使用者的資料,多個使用者的資料靠不同的碼字序列進行區分。 
  

4. 正交頻分複用 OFDM

  正交頻分複用,即Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM。正交頻分複用是在頻分複用的基礎上進一步壓縮頻帶,提高頻譜利用率。如下圖所示,使用者之間的頻帶有所交疊,但是每個使用者頻帶功率最大的那個點其他的訊號能量都為0,所以在每個使用者頻帶功率最大值點處,各個使用者訊號依舊是正交的。詳細的OFDM原理介紹可以參考部落格OFDM。 
OFDM

  OFDM相比FDMA提高了頻譜利用率。4G系統(LTE)採用正交頻分複用作為多址接入方式。下圖即LTE系統的視訊資源結構,時間上每個單位叫做一個OFDM符號,頻域上每個單位叫做一個子載波。LTE系統可以同時利用時域和頻域進行區分使用者,個人感覺LTE就像是一個採用OFDM技術的FDMA、TDMA系統。 
   
OFDM LTE

5. 非正交多址 NOMA

  目前,5G的研究如火如荼。非正交多址接入,即Non-orthogonal Multiple Access,NOMA,是5G的一個熱門備選技術。 
   
  NOMA跟以往的多址接入技術不同,NOMA採用非正交的功率域來區分使用者。所謂非正交就是說使用者之間的資料可以在同一個時隙,同一個頻點上傳輸,而僅僅依靠功率的不同來區分使用者。如下圖所示,User1和User2在同一頻域/時域上傳輸資料,而依靠功率的不同來區分使用者。User3和User4之間類似。 
   
NOMA 
  下面我們以兩個UE為例詳細的介紹NOMA的技術原理。如圖所示,UE1位於小區中心,通道條件較好;UE2位於小區邊緣,通道條件較差。我們根據UE的通道條件來給UE分配不同的功率,通道條件差的分配更多功率,即UE2分配的功率比UE1多。 
   
NOMA

5.1 發射端

  假設基站傳送給UE1的符號為x1,傳送給UE2的資料為x2,功率分配因子為 a。則基站傳送的訊號為 

s=ax1+1ax2
因為UE2位於小區邊緣,通道條件較差,所以我們給UE2分配較多的功率,即 0<a<0.5

5.2 接收端

UE2

  UE2收到的訊號為 

y2=h2s+n2=h2(ax1+1ax2)+n2
因為UE2的訊號 x2分配的功率較多,所以UE2可以直接把UE1的訊號 x1當作噪聲,直接解調解碼UE2的訊號即可。

UE1

  UE1收到的訊號為 

y1=h1s+n1=h1(ax1+1ax2)+n1
因為UE1的訊號 分配較少的功率,所以UE1不能直接調節解碼UE1自己的資料。相反,UE1需要先跟UE2一樣先解調解碼UE2的資料x2 。解出 x2後,再用 y1減去歸一化的x2 得到UE1自己的資料, 
y^1=y1h21ax2
  最後再解調解碼UE1自己的資料。 
(備註:以上推導只表徵NOMA技術的基本原理,推導不是很嚴謹。)