从1G到6G的多址接入技术详解

多址接入技术（Multiple Access Technology）是移动通信系统的核心技术之一，用于允许多个用户同时共享有限的频谱资源。从第一代（1G）到第六代（6G）移动通信系统，多址接入技术经历了从简单到复杂的演变，以满足日益增长的通信需求。本文档将详细介绍每一代技术使用的多址接入方式，并提供相关的公式和解释。

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1G：频分多址（FDMA）

概述

第一代移动通信系统（1G）是模拟通信系统，主要用于语音通信。它采用频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）技术，将可用频谱划分为多个独立的频率信道，每个用户分配一个专用的频率信道。

工作原理

• 总频谱带宽$B$被分割成$N$个信道，每个信道带宽为$B_c$。
• 每个用户在通信期间独占一个信道，避免干扰。
• 信道之间通常有保护频带（Guard Band）以减少相邻信道干扰。

公式

总带宽与信道数的关系：
$$B=N\cdot B_c+B_g$$其中：

• $B$：总频谱带宽
• $N$：信道数量
• $B_c$：单个信道带宽
• $B_g$：保护频带的总带宽

特点

• 优点：简单，适合模拟信号传输。
• 缺点：频谱利用率低，无法支持大量用户，容量受限。

示例

在 1G 的 AMPS（Advanced Mobile Phone System）系统中，频谱带宽为 25 MHz，分为 832 个信道，每个信道带宽约为 30 kHz。

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2G：时分多址（TDMA）与频分多址（FDMA）

概述

第二代移动通信系统（2G）引入了数字通信，代表性技术是 GSM（Global System for Mobile Communications）。2G 主要采用时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）结合 FDMA 的混合方式。

工作原理

• FDMA：将频谱划分为多个频带。
• TDMA：每个频带内的时间被划分为多个时隙（Time Slots），多个用户在不同时隙内复用同一频率。
• 用户通过分配的时隙和频率进行通信。

公式

信道容量计算：
$$C=N_f\cdot N_t$$其中：

• $C$：总信道数
• $N_f$：频率信道数（FDMA 分量）
• $N_t$：每个频率信道的时隙数（TDMA 分量）

特点

• 优点：相比 1G，频谱利用率显著提高，支持更多用户，适合数字信号。
• 缺点：仍受限于固定的时隙和频率分配，对高速数据支持不足。

示例

在 GSM 中，每个频率信道带宽为 200 kHz，分为 8 个时隙，单个载波支持 8 个用户。

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3G：码分多址（CDMA）

概述

第三代移动通信系统（3G）引入了高速数据传输，代表技术包括 WCDMA 和 CDMA2000。它采用码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）技术。

工作原理

• 所有用户共享相同的频谱和时间，通过独特的伪随机码（Spreading Code）区分。
• 数据信号通过扩频技术与码序列相乘，扩展到更宽的带宽。
• 接收端通过相关解码提取特定用户的信号。

公式

扩频后的带宽：
$$B_s=B_d\cdot G_p$$其中：

• $B_s$：扩频后的信号带宽
• $B_d$：原始数据带宽
• $G_p$：扩频增益（Processing Gain），通常为码长度的倒数

信道容量（香农定理简化）：
$$C=B\cdot {\log }_2(1+\frac{S}{I+N})$$其中：

• $C$：信道容量
• $B$：带宽
• $S$：信号功率
• $I$：干扰功率
• $N$：噪声功率

特点

• 优点：抗干扰能力强，频谱利用率高，支持语音和数据服务。
• 缺点：系统复杂，容量受限于多用户干扰（MAI, Multiple Access Interference）。

示例

WCDMA 使用 5 MHz 带宽，扩频因子可达 256，支持数十个用户同时接入。

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4G：正交频分多址（OFDMA）

概述

第四代移动通信系统（4G）以 LTE（Long Term Evolution）为代表，采用正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA）技术。

工作原理

• 基于 OFDM（正交频分复用），将宽带频谱划分为多个正交子载波。
• 子载波按需动态分配给不同用户，支持灵活的资源调度。
• 通过时分和频分结合实现多用户接入。

公式

子载波间隔：
$$\Delta f=\frac{B}{N_{sc}}$$其中：

• $\Delta f$：子载波间隔
• $B$：总带宽
• $N_{sc}$：子载波数量

总容量：
$$C=\sum _{i=1}^{N_u}{B}_i\cdot {\log }_2$$