[科普中国]-多址通信

简介

多址通信（multiple access communication），多个用户使用一个公共信道实现各用户间通信的方式，又称任意选址通信和多元联接 。在多址通信的联接方式下，一个地点（地址）的通信设备可以同时与另外多个地点（地址）的通信设备相联接；参与多址通信的各个地点的通信设备实际上构成了一个通信网。在工程上，多址通信也称为点对多点通信。

多址通信广泛应用于移动通信网、卫星通信网，也广泛用于计算机区域网络上，是一种很有发展前途的通信方式。

多址通信的具体联接方式有很多，目前常用的多址联接方式有频分多址FDMA、时分多址TDMA和码分多址CDMA，以及它们的组合方式。

值得注意的是，虽然多址技术是多路复用技术的一种应用，但是多址与多路复用的含义还是有区别的：多址是指不同地点的通信站之间的联接关系；多路复用是指同一通信站内不同用户信号之间共用信道的关系。

在多址联接方式中有一个信道分配的问题，这里的信道在不同的场合有不同的含义，在FDMA中信道是指各用户占用的频段，在TDMA中，是指各用户占用的时隙，在CDMA中，是指使用的正交码组。1

信道分配信道分配给各用户使用，其主要分配方式有固定分配、按需分配和随机占用三种方式。①固定分配（亦称预分配）：把公共信道分成为若干子信道，任何两个站之间通信时要占用预先分配给它们的固定子信道，分配好后不再变更。用这种方式通信时不需要附加控制和调度信道，因而设备简单。但是，各信道的容量固定、不能增减，特别是当某站分得的信道空闲不用时，其他台站不能利用它，因此信道利用率低。②按需分配：按照需要和业务变动情况，随时把信道合理地分配给用户使用。多数这类系统设有一中心站集中控制信道分配。当某用户需要通信时,它先与中心站联系,中心站根据当时情况给通信双方安排信道。有些系统采用分散控制方式，这时上述中心站的功能分别由各用户自己实现。采用按需分配方式，虽然系统设备复杂，但信道利用率高。③随机占用（亦称争用）：它没有信道控制系统，当用户需要通信时可按一定的规程随机占用信道。这种方式适用于各用户通信量较小的情况。当系统中同时工作的用户过多时，会造成较大的互相干扰甚至失效，因而信道利用率低。

多址方式频分多址频分多址方式一般用于卫星通信中。在频分多址中，可以传输多路模拟电话信号，也可以传输多路数字信号。频分多址方式也有几种不同形式。

（1）预分配的频分多址方式

这是最简单的一种多址方式。每个地面站的载频工作在一个专用频率上，所有地面站的载波互不相同。这些不同的载波同时通过卫星转发器进行相互通信。为了使各载波之间互相不干扰，它们的载波频率之间必须有足够的间隔，而各载波频带之间必须留有保护频带。各个地面站之间的通信是这样连接的：每个地面站的基带信息是预先固定分配好了的，即发往某个地面站的信息都固定在基带的某一基群内。因此地面站接收到从卫星转发器发来的信号（载波是给本站的，基带信息是全部的）后，从基带信号中取出发给本站的基群信号以完成通信。

预分配方式适用于地面站之间的通信业务量很大，而且在大部分时间上业务都较忙的情况下将某些通路固定分配给这些地面站使用，而业务量不大的地面站之间的通信可通过另一种频分多址方式进行。

（2）按需分配的频分多址方式

在按需分配方式中，卫星转发器的全部不同频率的通路集中起来准备公用，某一地面站在某一时间有通信业务需要，就临时指定让转发器已准备着的一种频率来实现与对方地面站的互相通信。当通信完成后，该线路又可转让给其他地面站使用。这种按需分配方式，既能有效地利用卫星通信系统的容量，又能有效地利用陆地通信的连接设备。这种方式在卫星通信中使用已久，在地面移动通信大区域组网时也可应用这种方式。

时分多址像多路复用技术中时分复用代替频分复用一样，时分多址（TDMA）是代替频分多址的主要形式。时分多址避免了频分多址中的交调干扰问题。卫星功率利用率可以达到90%以上。而且时分多址的带宽利用率可以达到与频分多址相似的效率。这是因为信道间没有频率保护间隔，虽然需要保护时间，但使用准确定时技术可使保护时间引起的损耗较小。

时分多址可以使卫星（也可以是其他系统）在互不重叠的时隙内接收各地面终端发来的信号，因此避免了由非线性转发器所产生的交调产物。每个地面终端必须确定它到达卫星系统的时间和距离，以便所发射的信号在规定的时隙内到达卫星。这需要规定信号定时和信号形式。

图中是TDMA网的典型示意图，网中每个高速射频能量（一般为四相相位调制）分帧要在分配给它的时隙内到卫星，每一时刻非线性所引起的交调产物在时分多址中就很小，甚至没有。但发射分帧的比特率要比到达地面终端的连续输入比特率高很多倍。

TDMA方式允许输出功率放大器工作在全饱和状态，这样会使有用输出功率显著增加。所发射的每个信号应在各时隙之间留有足够的保护时间，以便适应各种定时的不准确性，同时也可防止前一脉冲的“拖尾”在下一个脉冲出现的时隙内所引起的干扰，这就能足够地避免交调产物所造成的性能下降。“拖尾”的幅度与电路的瞬态响应有关，也就是与滤波器的幅频和相频特性有关。

假定卫星转发器工作在“硬限幅”状态，它同时也对输入噪声进行限幅，这样，输出包络即使在保护时间间隔内也将是恒定的。通常，保护时间取得足够小，使每帧中的总保护时间所损耗的功率小于有用信号功率的10%，转发器的利用率将大于90%。

码分多址随着传输系统的发展，以及需要交换的信息日益增多，在移动体之间以及移动体与定点之间，通信的需求骤然增加起来。为了进行这种通信，必须以电波作为传输介质，而原来的频爱多址与时分多址已不能适应新的情况。对于频分多址，存在着频谱不够分配（包括按需分配方式在内）问题；而对时分多址来说，又要求太高的数码率，再则对传输也有着明显的干扰，特别是在市区，情况更严重。

码分多址方式是一种频域和时域为多数用户（电台）所公用的新型通信方式。在这种方式中，每个通信用户所发射的信号往往占用整个通信系统（例如超短波）的频带，而发射的时间任意，因此各用户所发射的信号在时间上和频率上都可以互相重叠。这时是按照信号波形来区分各地面站的，即利用各用户不同波形的信号（不同的编码）来实现多址通信的。CDMA有许多特殊的优点，因而是一种有发展前途的多址方式。

码分是信号正交分割原理的第三种应用。通常，把满足正交性条件的非互斥型信号集称为复杂正交信号，把利用复杂正交信号的正交性来分割的系统称为波型分割或码型分割系统，当信号取数字形式时，一般称为码分。

在码分多址中，首先每个用户（电台）都有自己的地址码，接收端要产生与发射端完全相厦的地址码，当两者同步或接收端检测到地址码时，通信才能完成。其他站由于地址码不同，因而无法解调出信号来。由于各用户使用了不同的地址码，因此，使用同一载波共用同一射频彩带不会发生相互干扰。这就要求不同地址码应有很小的相关特性。

在码分多址通信网中的任一用户，可以随时随地在公用信道上根据自己的需要，呼叫网内任何其他用户。这就使码分多址系统不像TDMA系统那样必须有一套定时系统，或者如FDMA系统那样对带宽有一套特别的要求。

码分多址的最一般的形式是扩展频谱通信。因此这种多址方式有时也可称为扩展频谱多址（SSMA）。这种多址方式的优点为：具有很强的抗干扰能力，有较高的保密能力，多址方式比较灵活，属于随机多址。可以随机接入和撤除。当接入的站址数定额不满时，通信质量会自动提高；当接入的站址数略大于定额时，也能继续通信，只是通信质量稍差一些。

码分多址特别适合于军用卫星通信系统和小容量的移动通信系统。

因为CDMA属于扩频通信，因此要占用很宽的频带（远大于信息带宽），而且频带利用率一般比较低，这是CDMA的重要缺点。CDMA所需的设备与固定预分配的频分多址相比也要复杂一些。2