定义
多址技术(Multiple Access)使多个用户共享同一无线信道资源,实现频谱复用。历代蜂窝系统采用不同多址方式:2G GSM采用FDMA+TDMA,3G WCDMA采用CDMA,4G LTE与5G NR采用OFDM基础上的OFDMA(正交频分多址)。OFDMA将系统带宽划分为若干子载波,不同用户分配不同子载波或时隙,通过流量调度实现灵活的资源分配与多用户复用。
多址类型与演进
- FDMA(频分多址):不同用户占用不同频段,简单但频谱利用率低,早期模拟系统采用
- TDMA(时分多址):不同用户占用不同时隙,GSM采用200kHz载波+8时隙,实现8用户复用
- CDMA(码分多址):不同用户采用不同扩频码,共享同一频段,WCDMA采用,抗干扰能力强
- OFDMA(正交频分多址):将带宽划分为正交子载波,用户分配不同RB(资源块),支持频域调度与MIMO,LTE/5G核心多址方式
LTE与5G NR的多址
LTE下行采用OFDMA,上行采用SC-FDMA(单载波频分多址)以降低终端峰均比、节省功放功耗。5G NR上下行均采用OFDMA,子载波间隔可配置(15/30/60/120kHz),支持更灵活的参数集(Numerology)适配不同业务与频段。OFDMA与调制、信道编码结合,通过MCS与RB分配实现多用户调度与容量最大化。
典型应用场景
多址技术决定了蜂窝网络的容量与多用户接入能力。物联网设备作为海量连接的一部分,通过OFDMA与eMBB、URLLC等业务共享频谱资源;NB-IoT、eMTC等采用窄带与专用资源块,在QoS调度下与普通终端协同工作。
达希物联的物联网卡接入运营商网络时,设备通过多址技术与其他用户共享无线资源。在密集部署场景下,多址效率直接影响单小区可接入的物联网设备数量与每设备可用带宽。达希物联在为客户评估大连接场景时,会关注运营商对NB-IoT、Cat.1等制式的资源分配策略,以及多址调度对设备接入时延与速率的影响,协助客户优化部署密度与业务模型。
正交划分与码分共享不是同一种占用
多址要回答的是:同一段频谱上的多个发射机,怎样才能在接收端被分开。频分把用户隔在不同频点,时分把用户隔在不同时隙,码分让用户同时同频但用不同扩频码,接收端靠码的相关性解开。OFDMA则把带宽切成彼此正交的子载波,再按资源块分给不同用户,用户之间在理想同步下互不重叠。正交做不到时,残留的频偏、定时误差会变成用户间干扰,容量计算里的“满分复用”就不成立。
LTE下行用OFDMA,上行改用SC-FDMA,是为了让终端波形更接近单载波,降低峰均比,功放可以工作在效率更高的区域。5G NR上下行都回到OFDMA,靠终端能力、功率控制和可选的波形处理来承受峰均比。所以“4G和5G都是正交频分”这句话只在下行大致成立,上行机制不能混用。NB-IoT、eMTC是在这套资源网格里划出窄带或重复资源,不是另发明一种与调度无关的多址。
资源块能否分出去取决于同步和调度
OFDMA能把不同用户放在相邻子载波上,前提是这些用户的到达时间和频率偏差都落在正交条件之内。定时提前没有跟上、晶振偏差过大,边缘用户会泄漏到邻居的资源块。调度器还要考虑控制信道占掉的符号,数据可用的资源块少于标称带宽。物联网终端若只在很少的子帧里醒来,它能使用的多址资源是那些醒来时刻的空闲块,不是全天平均带宽。
海量小包场景下,限制往往来自随机接入和调度请求,而不是来自业务信道的比特数。每个设备都要先争前导码、再要资源,前导码碰撞时后面的正交资源再多也分不出去。此时应降低同时醒来的比例,或错开上报时刻,而不是只升级载波带宽。和流量调度的分界是:多址决定资源如何被切分,调度决定这一拍把哪一块给谁。
用资源块个数直接除出用户数
容易出错的是用“20MHz有一百个资源块,所以能接一百个用户”。一个用户的一次传输可以占多个资源块,控制信道、广播和重传也要占块,边缘用户一个块承载的比特远少于近点用户。另一个错误是忽略上行单载波特性,在LTE上行按下行那套子载波拼法估计终端功耗,实际峰均比和功放电流会对不上。
CDMA时代“大家都在同一频点”的经验也不能套到OFDMA:后者用户间本应正交,干扰主要来自邻区而不是本区其他码字。本区速率上不去时,先看是资源不够、接入碰撞,还是邻区同频泄漏。把所有问题都归到“多址容量到顶”,会漏掉同步和调度这两类更常见的原因。
随机接入前导码的数量和上报的同时性,常常先于业务资源块耗尽。整点抄表让数千终端在同一秒选择前导,碰撞后大家退避重试,正交的数据资源仍然空着。把上报秒点打散,比把载波从十兆加到二十兆更有效。上行单载波波形也不能按下行子载波随意拼接来估算电流,峰均比不同,功放工作点就不同,续航计算会偏。