3.3 多址接入：FDMA、TDMA、CDMA 与 OFDMA

3.3 多址接入：FDMA、TDMA、CDMA 与 OFDMA

本节摘要：一段 10 MHz 频谱要同时服务数千用户，多址技术回答"谁在什么时候、用什么方式占用哪份空中资源"。本节沿频率、时间、码字、时频格子四个维度拆解 FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA 的机制与容量账，解释每代系统为何换用不同多址，并为第 5 章调度算法提供资源模型。

问题的本质：不排队就撞车

调制与编码解决了"单用户怎样可靠传"，但基站面对的从来不是一个用户。同一时间、同一频率、同一小区里，几百部手机都在等电波——若不加管理，信号互相叠加就是纯噪声。多址技术的全部使命，是给共享资源找一个可分离的维度：你在这个维度上取一段、我在那里取一段，接收端能把每个人的部分干净地分出来。可分离的维度数来数去只有四个：频率、时间、码字，以及前两者的组合——时频格子。

图：四代多址的资源分割方式对比

各代多址的容量账

FDMA（1G）：每个用户独占一对窄带信道（AMPS 为 30 kHz 双工对），小区容量 = 总频谱除以信道宽度。10 MHz 频谱刨去控制与保护，只剩两三百个信道分给全小区用户——挤是必然的，模拟串音与窃听更是雪上加霜。

TDMA（2G GSM）：一个 200 kHz 载波切成 8 个时隙，8 个用户"接力"使用同一频率。GSM 的容量公式变成 载波数 × 8；语音压缩到 13 kb/s 让 8 个时隙够用。缺点在于时隙与用户的绑定是半静态的：上网时你的时隙没人说话也是空转，分组数据业务的效率天然低下。

CDMA（IS-95 与 3G）：所有人同时在同一 1.25 MHz（IS-95）或 5 MHz（WCDMA）载波上发送，靠互相正交的扩频码区分——接收端用同款码字做相关运算，自己的信号同相叠加，别人的信号被扩散成背景噪声。64 个 Walsh 码最多容 64 条信道，但实际容量是软的：每多一个用户，背景噪声抬高一分，所有用户信噪比都降一分，直到逼近解码底线。CDMA 的两大工程命门由此而来：远近效应（近处用户的强信号淹没远处用户，必须每秒 800 次快速功控）与软容量规划（没有硬性上限，容量与质量只能互相让步）。

OFDMA（4G/5G）：把 OFDM 的上万个正交子载波按资源块（12 个子载波捆绑）分组分配给不同用户，且每 1 ms 可以重新洗牌。它同时继承了 FDMA 的正交干净与 TDMA 的时域灵活，还附赠一个关键能力：调度器可以把资源块指给"此刻信道最好"的用户（第 5 章的多用户分集）。LTE 与 5G NR 都以它为地基，区别只在参数集——5G 把子载波间隔做成 15 至 240 kHz 可伸缩，以适配从深度室内到毫米波的各种场景。

一个容易混淆的点：多址与双工

初学者常把多址与双工混为一谈。双工解决"上行与下行怎样分开"（FDD 用成对频谱上下行各占一段，TDD 用同一频段上下行分时），多址解决"多个用户之间怎样分开"。两者正交组合：LTE-FDD 既有 20 MHz 下行加 20 MHz 上行的 FDD，又有 OFDMA 多址；5G 的 TDD 频段（如 3.5 GHz 的 160 MHz 大带宽）配合帧结构里的上下行时隙配比，还能按流量不对称性灵活调整——国内运营商的主力频段多为 TDD，正是为了吃下不成对的零散频谱。

⚠️ 常见坑：认为"CDMA 被淘汰是因为技术差"。码分思想在参考信号、扩频扰码中依然无处不在；它退居二线是因为高速数据需要大带宽与细粒度调度，OFDMA 的工程性价比更高。理解各代多址的存废原因，比记住名词重要得多。

问题：为什么 CDMA 必须做每秒八百次功率控制，GSM 却不用

问题：5G 还会回到非正交多址吗

第一问的答案在"用户间干扰的结构"。CDMA 的所有用户同频同时同载波发射，近处用户的信号强度可以比远处高出几十分贝，若不实时压功率，弱信号会被完全淹没成误码——八百赫兹功控是在追赶信道的快衰落（第 2 章的相干时间约束）。GSM 的用户被时隙与频率硬隔离，彼此本就不同频不同时，功控只需慢速修边幅。第二问的答案在"容量与复杂度的天平"。非正交多址（NOMA）让多个用户在同一个资源格上功率域叠放，接收端用串行干扰 cancellation 逐个剥出——理论上能再挤出一批容量，但接收复杂度随叠加路数陡增，且对功控精度要求苛刻。5G 标准化最终没有把 NOMA 写进主流版本，只在海量物联网的连接密度诉求下保留了研究窗口；多用户叠加的收益，大部分已被大规模 MIMO 的空分复用以更低的代价拿走了（下一节）。顺着这条线还能看清多址演进的真正主线：可分配的维度在增加，分配的决策在加快——FDMA 的频率一个月划一次，TDMA 的时隙一次呼叫定一次，OFDMA 的资源块每一毫秒重洗一次，MIMO 的空间波束逐用户实时跟踪。多维加高速的调度，最终都汇进第 5 章那台每毫秒开会的决策机器。自测一下概念是否吃透：向同事解释"OFDMA 为什么同时是 FDMA 又是 TDMA"——若能说出"频域按资源块分组、时域按毫秒重分配，两个维度一起切"，并补一句"因此调度器同时拥有频率选择性与时间灵活性的好处"，这节就算过了关。

本节要点回顾

• 多址的本质是维度切分：频率、时间、码字、时频格子，四个维度对应四代方案，接收端靠维度正交性分离用户；
• 硬划分到软共享：FDMA/TDMA 静态独占，CDMA 软容量但受制于功率控制，OFDMA 动态格子化兼得两家之长；
• 关键数字：GSM 200 kHz 载波 8 时隙、IS-95 1.25 MHz 载波 64 码道、LTE 20 MHz 100 个资源块；
• 多址不同于双工：FDD/TDD 管上下行，FDMA 至 OFDMA 管用户间，正交组合出各种系统形态。

资源格子的问题解决了，但格子数被香农公式锁死——想再要容量，去哪找？下一节把第三个物理维度：空间，请进工具箱。