6-7 Duplexing, Multiplexing and Multiple Access

字数 4,269｜阅读时间 9 分钟｜Ayaskt

2026/11/04 19:42:07 CST

You say that we're already done

你说我们已经分道扬镳

But what does that even mean

但这究竟是什么意思

her

JVKE

章节目录

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• 6-1 双工 Duplexing
  • 6-1-1 频分双工 FDD
  • 6-1-2 时分双工 TDD
• 6-2 复用 Multiplexing
• 6-3 多址接入 Multiple Access
• 6-4 FDMA 与 TDMA
  • 6-4-1 FDMA
  • 6-4-2 TDMA
• 6-5 容量计算 Capacity Calculations
  • 6-5-1 信道数与时隙数
  • 6-5-2 帧效率
• 6-6 CDMA 原理
  • 6-6-1 正交码与扩频
  • 6-6-2 干扰图样与解码
• 6-7 远近效应与功率控制
• 6-8 双工与多址的组合

6-1 双工 Duplexing

双工 Duplexing

双工 Duplexing 让链路两端都能发送与接收，可以同时进行，也可以轮流进行，取决于采用的方式。

两个方向各需要一条独立通路。按连接方式可分为三类：

方式	特点	典型例子
单工 Simplex	一端始终发送，另一端始终接收	广播
半双工 Half-duplex	双方都能收发，但不能同时	对讲机
全双工 Full duplex	双方同时收发	手机

单工链路中收发角色固定，A 始终发送、B 始终接收。半双工链路允许角色互换，但同一时刻只能有一个方向占用信道。全双工链路为两个方向各保留一条通路，收发可以同时进行。

同时收发有两种实现途径：在频域上把两个方向分到不同频段，或在时域上把两个方向分到不同时隙。

6-1-1 频分双工 FDD

频分双工 Frequency Division Duplexing

频分双工 Frequency Division Duplexing, FDD 为每个用户分配两个频段，前向频段用于下行，反向频段用于上行，两个方向在频率上分离。

两个频段之间需要足够的间隔，避免发射信号泄漏到接收频段造成自干扰，这段间隔称为保护带 Guard Band，在 FDD 中也称双工间隔 Duplex Spacing。保护带在整个系统中是固定的。

收发共用一副天线时，需要双工器 Duplexer 把发射与接收信号分开。双工器带来插损，也提高了设备成本。

6-1-2 时分双工 TDD

时分双工 Time Division Duplexing

时分双工 Time Division Duplexing, TDD 让前向与反向链路占用同一频率的不同时隙，两个方向在时间上分离。

收发切换之间需要保护时间 Guard Time，避免两个方向的信号重叠。TDD 不需要双工器，一个射频开关即可完成切换。

TDD 的通信并不是真正的全双工：同一时刻只有一个方向在发送，因此存在切换时延。

上图为 FDD 的频段划分，下图为 TDD 的时隙划分。

FDD 与 TDD 的取舍：

项目	FDD	TDD
频率	每个信道一对频段	单个频率
收发机	需要工作在两个频段	结构简单
双工器	需要，成本高	不需要，开关即可
时延	信道始终开放，无额外时延	存在切换时延
全双工	是	名义上全双工，实际轮流收发

6-2 复用 Multiplexing

复用 Multiplexing

复用 Multiplexing 让多路独立信号共享同一条信道或传输介质，发送端用复用器 MUX 合路，接收端用解复用器 DEMUX 分离。

复用提高资源利用率：单条链路的容量往往远大于单个信源的速率，合路后可以减少基础设施数量，并同时承载不同类型的业务。

频分复用 FDM 把可用带宽划成多个子频段，每路信号占用一个子频段，所有信号同时发送。相邻子频段之间可以插入保护带，降低相互干扰。

时分复用 TDM 把传输时间划成时隙，每路信号占用一个或多个时隙，一个时隙只允许一路信号使用，所有帧按同一格式重复。

6-3 多址接入 Multiple Access

多址接入 Multiple Access

多址接入 Multiple Access 让多个用户同时共享有限的无线电频谱，在提高系统容量的同时不降低通信质量。

多址系统的通用模型是 个用户同时发送，接收端在干扰与噪声中提取某个用户的信号。接收机只对该用户的码序列、频段或时隙敏感，其余用户表现为干扰。

常见的多址方式按划分资源的维度区分：

方式	划分维度	说明
FDMA 频分多址	频率	每个用户独占一个窄带信道
TDMA 时分多址	时间	每个用户在指定时隙突发发送
CDMA 码分多址	码序列	用户共享频率与时间，用正交码区分
SDMA 空分多址	空间	用波束或天线方向区分用户

按代际看，1G 用 FDMA，2G 用 TDMA，3G 用 CDMA，4G 的 OFDMA 是 FDMA 的频域调度版本。

6-4 FDMA 与 TDMA

6-4-1 FDMA

频分多址把总带宽细分为多个窄带信道，每个用户占用一个信道，传输是连续且并行的。用户不发送时信道空闲，资源被浪费。

FDMA 需要在基站与终端都装双工器，成本较高；同时需要射频滤波抑制邻道干扰。它的优点是系统复杂度低于 TDMA，同步与成帧所需的比特也更少。

6-4-2 TDMA

时分多址让所有用户共享整个带宽，按时间划分时隙，每个时隙分配给一个用户。传输以突发方式出现，因此是不连续的。

TDMA 可以按需分配带宽，终端功耗较低，也不需要双工器。代价是对定时同步要求高，时隙间的保护间隔会带来开销。

6-5 容量计算 Capacity Calculations

6-5-1 信道数与时隙数

FDMA 的信道数取决于总带宽、信道带宽与保护带的位置。保护带只放在两端时：

保护带插在每两个相邻信道之间时， 个信道共 段保护带：

其中 为总带宽， 为保护带带宽， 为信道带宽。

PROBLEM L6-E1

FDMA 系统总带宽 12 MHz，保护带 15 kHz，信道带宽 30 kHz。分别按保护带只在两端、保护带位于相邻信道之间两种情况求信道数。

SOLUTION

保护带只在两端：

保护带位于相邻信道之间：

两种情况相差 132 个信道，保护带的放置方式对容量影响很大。

PROBLEM L6-E2

FDMA 系统带宽 20 MHz，划分为 5 个信道，保护带为信道带宽的 10%，插在相邻信道之间。求每个用户可用的带宽。

SOLUTION

5 个信道之间有 4 段保护带，每段 ：

解得

每个用户可用约 3.70 MHz，保护带各占约 0.37 MHz。

TDMA 的时隙数由帧长与时隙长决定。没有保护间隔时：

相邻时隙之间留保护间隔 时：

GSM 的帧长 4.615 ms、时隙长 0.577 ms，一帧恰好容纳 个时隙，与实际的 8 时隙结构一致。

6-5-2 帧效率

TDMA 帧中除数据外还有训练序列、保护位、尾比特等开销。帧效率定义为数据比特占整帧的比例：

为每帧总比特数， 为每帧开销比特数。

PROBLEM L6-E3

GSM 时隙包含 6 个尾比特、8.25 个保护比特、26 比特训练序列，以及两段各 58 比特的数据。一帧有 8 个时隙。求帧效率。

SOLUTION

每个时隙的比特数为

bit

每帧比特数：

bit

每帧开销：

bit

帧效率：

6-6 CDMA 原理

6-6-1 正交码与扩频

码分多址 Code Division Multiple Access

码分多址 Code Division Multiple Access, CDMA 让所有用户在同一频段、同一时间发送，用相互正交的码序列区分用户。

同步 CDMA 利用码向量的正交性。二进制串可以写成向量，两个向量的内积为各分量乘积之和：

内积为零时称两个向量正交。用正交码的用户之间互相关为零，接收端用某个用户的码做相关运算，就能把该用户的数据分离出来。

CDMA 把每个比特时间划分为 个短区间，称为码片 Chip，每个比特通常对应 64 或 128 个码片。每个用户分配一条唯一的 位码片序列。

发送 1 时发送码片序列本身，发送 0 时发送它的反码，不允许其他图样。也就是说，比特 的发送符号是 。

以 为例，用户 A 的码为 。发送 1 时发出该序列，发送 0 时发出 。

6-6-2 干扰图样与解码

多个用户同时发送时，各路信号在空中线性叠加。叠加后的波形称为干扰图样 Interference Pattern，接收端再从中提取目标用户的信号。

接收端把接收信号与目标用户的码逐段做内积。结果为正判为 1，为负判为 0；结果恰好为零说明该用户没有发送数据。

PROBLEM L6-E4

用户 0 的码为 、数据为 ；用户 1 的码为 、数据为 。求两路信号叠加后的干扰图样，并说明接收端如何恢复两路数据。

SOLUTION

用户 0 按比特发送 ：

用户 1 按比特发送 ：

两路相加得到干扰图样：

用用户 0 的码 逐对比特做内积：

得到 ，判符号后为 ，与用户 0 的数据一致。

用用户 1 的码 做同样运算：

得到 ，判符号后为 ，与用户 1 的数据一致。

PROBLEM L6-E5

某用户码为 、数据为 。求其发送信号。若另一用户 B 的码为 ，接收信号为 ，判断 B 是否发送了数据。

SOLUTION

数据 0 发送 ，数据 1 发送 ，故发送信号为

用 B 的码 对接收信号逐对做内积：

四个结果全为零，说明 B 没有发送数据。接收信号完全来自码 的那个用户。

6-7 远近效应与功率控制

CDMA 中所有用户共享同一频段，接收端只看码序列的正交性。若用户 B 离基站很近、用户 A 离基站很远，A 的路径损耗 可能远大于 ，基站收到的 A 信号会被 B 的信号淹没。

这就是远近效应 Near-Far Problem：目标信号功率小于干扰功率时，相关运算无法把目标用户分离出来。

解决办法是功率控制。若所有终端以相同功率发送，基站收到的电平随距离与衰落起伏，彼此差别很大；功率控制让各终端调整发射功率，使基站收到的各用户电平尽量一致，从而维持码的正交性。

6-8 双工与多址的组合

双工方式与多址方式相互独立，组合后得到完整的资源划分方案：

组合	频率与时间的划分	说明
FDMA/FDD	每用户一对频段，两个方向频分	1G 典型方案
FDMA/TDD	每用户一个频段，两个方向时分	适合上下行不对称业务
TDMA/FDD	频段分上下行，时隙分用户	2G 典型方案
TDMA/TDD	单一频段，时隙既分用户又分方向	帧结构最紧凑
CDMA/FDD	码分用户，频分双工	3G 典型方案
CDMA/TDD	码分用户，时分双工	3G 的 TDD 分支

PROBLEM L6-E6

采用 TDMA 与 FDD 的系统总带宽 30 MHz，上下行各占一半。每个无线信道带宽 200 kHz，每信道可同时支持 8 个用户，信道之间无保护带。求下行可同时支持的最大用户数。

SOLUTION

下行带宽为

MHz

信道数为

每信道 8 个用户，故下行最多支持

个用户