基站信號塔的“密謀”,它是如何區分手機信號的?
思考這樣一個問題,同一個基站(信號塔)覆蓋范圍內,大家都在玩手機,那么這個基站是如何區分不同手機信號呢?怎么區別這是張三女朋友電話,還是李四的追劇?
頻率主要內容有:
頻率資源
FDMA
TDMA
GSM 的多址技術
多址技術(Multiple Access)
我們知道,大自然中從無線電、自然可見光線到 X 射線,都有一定的頻率范圍。先從一個基本的公式說起:
光速=波長*頻率,光速值是固定的,所以頻率越高,波長越短。
想想同學們身邊的通信技術,要么通過有線,要么通過無線傳播,即有線通信與無線通信。通過有線傳輸,自然不必多說。平時上網用的網線,叫做雙絞線,就是一種常見的有線傳輸介質,現在的 5 類雙絞線傳輸速率可以達到 100Mbps。
如果把有線介質換成光纖,在實驗室里面測試,單模光纖最大速率可以達到 26Tbps,這是我們網線速率的將近 3 萬倍。
我們的平常所說的無線通信,實際上是指利用電磁波進行通信。
電磁波的頻率有大有小,比如說頻率高的 Gamma 射線,具有殺死細胞的能力,用于醫療。而我們用于無線通信的頻率,從圖 5 可以看出,主要集中在微波 Microwave 和無線 Radio wave 波段。
頻率資源非常有限,無線通信領域內,多個用戶同時通過一個基站和其他用戶進行通信時,很明顯為了不相互之間“干擾”,有必要對不同的用戶的進行區分?怎么區分呢?
通過頻率、時間和碼來區分。
頻率區分就是 FDMA(frequency division multiple access),Access 不是地址,而是接入的意思。通過頻率 frequency,區分 division,多個用戶 multiple,接入 access 網絡的技術。
時間區分就是 TDMA,碼區分就是 CDMA,還有 4G/5G 使用的 OFDMA 技術。
這些都是成熟的多址技術。多址技術在無線通信領域中異常重要,我們的移動通信的第一代技術 1G,使用的是 FDMA 技術,2G 使用了 TDMA 技術,3G 時代使用 了 CDMA 技術,4G 時代使用了 OFDMA 技術。
FDMA
頻分多址技術,就是給小王同學、小李同學分配不同的通信頻率,比如圖 7 中所示。小李同學使用頻率 2,小王同學使用頻率 1。這樣小王和小李,就可以在同一時間段一起通信了,互相不干擾。
普遍的說,不同的用戶,占用不同的頻率段,這些頻率段互相不影響,可以實現多個用戶同時接入網絡。正如車道一樣,你走你的,我走我的。
在實際的衛星 CBAND 通信中,總帶寬為 500MHZ,就是說總共能給使用的帶寬是 500M,然后我們把它進行切割,分成 24 個小塊,或者叫做 24 個信道 CHannel,每個信道的帶寬為 40MHz(36MHz 可用的,預留 4MHz 作為相鄰兩個信道的過度保護帶)。這樣可以實現同時滿足 24 位用戶通信。
TDMA
時分多址 Time Division Multiple Access,顧名思義,就是切割時間。文章前面也說了,頻率資源是有限的,在這有限的頻率資源內,我們必須盡可能的提高它的利用率。
而且,為了獲得高傳輸速率,盡可能的要用大帶寬。
如果同樣的一段頻率,小王同學和小李同學都在同一時間去使用,必然會相互之間干擾。那么簡單啊?只要在時間上劃分不就可以了,小王同學你晚上用,小李同學你早上用。雖然都是用同一段頻譜,但是時間不一樣,也可以實現相互不影響。
這就是 TDMA 的思想。圖 10 中,一段 2.5KHz 的頻譜,有兩個用戶在使用,這兩個用戶都完全占用了這段頻率,只是在時間軸上按照 1-2-1-2 這樣的順序,輪流“坐莊”。
我們一般把時間上劃分的小塊,叫做時隙 Slot。
CDMA 與 OFDMA 多址方式相對比較復雜,將單獨介紹。
在通信系統中,經常是多種多址方式組合在一起,時間軸上劃分時隙,同時頻率軸上也進行劃分,這樣實現了更多的用戶同時接入,提升了網絡容量。
比如說我們的 GSM 通信技術,就是使用了 TDMA+FDMA 結合,總共有 25MHz 的帶寬,劃分成 124 個小塊,每個小塊頻率范圍是 200KHz。對應在時間軸上,每個 200KHz 對應 8 個時隙。
可以這樣粗略的推斷,GSM 的一個 200Khz 載波上,可以同時準許 8 個用戶電話。實際的 GSM 系統是,還要預留部分信道用于傳輸控制信令,再考慮 HR 半速率,實際的系統中用戶數會有變化。