多址技术演进：从分频到非正交

一个永恒的核心问题

无论通信技术如何更迭，所有移动通信系统都面临同一个根本问题：有限的频谱资源，如何让成千上万的用户同时使用？

想象一座城市只有一条主干道。1G时代的做法是——把这条路画成固定的车道，每辆车占一条，别人不能走，即使你的车道空着。2G时代改成了——大家轮流上路，每辆车分配固定时间段。3G时代更聪明——所有车同时上路，但每辆车刷了不同颜色的荧光漆，交警（接收机）凭颜色区分。4G/5G时代则把路变成了一个巨大的网格停车场，行是时间、列是频率，每个格子可以灵活出租给不同用户。

这就是多址技术（Multiple Access）的故事。五十年来，通信工程师不断寻找更高效的方式，让更多用户挤进有限的频谱。每一代移动通信的飞跃，本质上都是多址技术的革命。

多址的本质：在资源空间里"划格子"

理解多址技术之前，先明确一个关键概念：正交性（Orthogonality）。

所谓"正交"，就是两个信号之间互不干扰——你存在你的，我存在我的，接收端可以完美地把它们分开。多址技术的核心，就是在频率、时间、码字、功率、空间这些"维度"中，找到一种方法让不同用户的信号保持正交（或可控的非正交）。

关键直觉：维度越多，能容纳的用户就越多，系统就越复杂。多址技术的演进史，就是不断开发新维度、提高资源利用率的历史。

graph LR
    A["1G<br/>FDMA<br/>频率维度"] --> B["2G<br/>TDMA<br/>+时间维度"]
    B --> C["3G<br/>CDMA<br/>+码字维度"]
    C --> D["4G<br/>OFDMA<br/>频率×时间网格"]
    D --> E["5G<br/>OFDMA+NOMA+SDMA<br/>多维融合"]
    E --> F["6G研究<br/>全维度智能多址"]

    style A fill:#ff9999
    style B fill:#ffcc99
    style C fill:#ffff99
    style D fill:#99ff99
    style E fill:#99ccff
    style F fill:#cc99ff

FDMA：一人一个频道（1G）

原理

FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）是最直觉的多址方式：把可用的总频谱切成若干个互不重叠的频段，每个用户分配一个固定频段通话。

日常类比：收音机。FM广播电台就是典型的FDMA——交通台87.6MHz、音乐台97.4MHz，每个电台占一个频率，互不干扰。听众想听哪个台，就调到那个频率。

为什么1G选择FDMA？

1G是模拟通信时代，信号处理能力极其有限。最简单、最可靠的方式就是给每个用户分一段频谱。实现上只需要射频滤波器，不需要复杂的数字信号处理。

实现方式：

总带宽 25MHz
├── 用户1: f1 = 890.0 ~ 890.025 MHz（25kHz）
├── 用户2: f2 = 890.025 ~ 890.050 MHz（25kHz）
├── 用户3: f3 = 890.050 ~ 890.075 MHz（25kHz）
└── ...最多约1000个用户

FDMA的根本缺陷

频谱利用率极低。 你不说话的时候，你的频率信道照样被占用着，别人不能用。据统计，通话中大约有40%的时间是静默（对方在说话或停顿）。在1G的FDMA系统里，这40%的资源白白浪费了。

工程师视角：FDMA的"硬伤"是频率规划。相邻小区不能用相同频率（否则同频干扰），需要复杂的频率复用规划。这在网络扩容时是噩梦——每加一个基站，可能需要重新规划整片区域的频率。

TDMA：轮流用同一个频道（2G）

原理

TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）把时间切成周期性的帧（Frame），每帧再分成若干时隙（Time Slot），每个用户占用一个固定时隙。

日常类比：圆桌会议。大家轮流发言，每人30秒，说完轮到下一个人，循环往复。虽然同一时刻只有一个人在说话，但因为轮转速度极快，每个人"感觉"自己在持续通话。

GSM的TDMA实现

GSM是TDMA的典型代表。它的设计非常精巧：

一个TDMA帧 = 8个时隙（TS0~TS7）
每时隙 = 0.577ms
一帧 = 4.615ms

频率 f1:
  TS0(用户A) → TS1(用户B) → TS2(用户C) → ... → TS7(用户H) → 循环

频率 f2:
  TS0(用户I) → TS1(用户J) → TS2(用户K) → ... → TS7(用户P) → 循环

实际上GSM是FDMA+TDMA的混合：先在频率维度分出多个载波，每个载波再用TDMA分成8个时隙。这样，一个载波就能同时服务8个用户。

为什么2G比1G容量大？

关键在于数字化的红利。2G从模拟转向数字后，语音可以被压缩编码。原来的模拟信号占25kHz带宽，数字编码后用更窄的频带就能传输同样的信息。加上TDMA把一个频率分成8个时隙，频谱效率提升了数倍。

TDMA的局限

TDMA仍然有固定分配的思想——每个用户的时隙是预先分配好的。如果某个时隙用户没数据发（比如你在听对方说话），那个时隙就空着浪费了。对于语音通话这种速率相对恒定的业务，TDMA还算高效，但对数据业务（浏览网页、看视频，流量忽大忽小），固定的时隙分配就不合适了。

CDMA：所有人同时说不同语言（3G）

原理

CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是一次思维的跳跃——不分配频率，不分配时间，所有用户在同一个频率、同一时间同时发射。怎么区分？靠码字（Code）。

日常类比：一个国际会议大厅，所有人同时说话。但每个人说的是不同语言——中文、英文、法文、日文……虽然声音混在一起，但作为中文听众，你只"提取"中文信号，其他语言被大脑自动过滤成背景噪声。CDMA的码字就相当于"不同语言"。

扩频：CDMA的灵魂

CDMA的核心技术是扩频（Spread Spectrum）。每个用户的数据信号，乘以一个高速的扩频码（Spreading Code），把窄带信号"铺展"到很宽的频带上。

原始数据：  1   0   1   1   0
扩频码（8倍速）：
用户A码：+1-1+1-1+1-1+1-1（Walsh码8号）
用户B码：+1+1-1-1+1+1-1-1（Walsh码7号）

用户A发送（数据×码）：
  数据1 × 码 = +1-1+1-1+1-1+1-1
  数据0 × 码 = -1+1-1+1-1+1-1+1（取反）

用户B同时发送：
  数据1 × 码 = +1+1-1-1+1+1-1-1

空中信号 = 用户A + 用户B + ... + 噪声（线性叠加）

接收端用相同的码字与接收信号做相关运算（内积）。因为正交码的特性，只有匹配的信号被提取出来，其他用户的信号被"消零"。

数学直觉：正交码的核心性质是：

$$\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N} c_k(i) \cdot c_j(i) = \begin{cases} 1 & k = j \ 0 & k \neq j \end{cases}$$

其中 $c_k$ 和 $c_j$ 是两个不同的Walsh码。这个性质保证：用用户A的码去"解"混合信号，只能提取A的数据，其他用户的贡献为零。

CDMA的革命性影响

CDMA有几个革命性的优势：

1. 软容量：TDMA的容量是硬的——8个时隙就是8个时隙，第9个用户直接拒绝。CDMA的容量是软的——多加一个用户，只是增加一点干扰，系统会"自适应"降低一点点质量，不会直接断线。这叫"呼吸效应"——小区边界会随着用户数多少而"膨胀"或"收缩"。

2. 软切换：CDMA支持手机同时和多个基站通信。切换时先连接新基站，再断开旧基站（"先连后断"），通话不会中断。GSM的硬切换是"先断后连"，偶尔会听到"咔"一声。

3. 抗窄带干扰：因为信号被扩频到很宽的频带，窄带干扰的影响被"稀释"了。

CDMA的代价

远近效应（Near-Far Problem）是CDMA最头疼的问题。如果手机A离基站很近、手机B很远，A的强信号会淹没B的弱信号，即使码字正交也无法完美分离。

解决方案是功率控制（Power Control）——基站以1500次/秒的频率命令手机调整发射功率，确保所有手机到达基站的信号强度基本一致。这是CDMA系统最复杂也最关键的技术之一。

sequenceDiagram
    participant UE1 as 近端手机
    participant UE2 as 远端手机
    participant BS as 基站

    Note over BS: 功率控制循环（1500次/秒）

    UE1->>BS: 信号过强！
    BS->>UE1: 降低功率！

    UE2->>BS: 信号过弱！
    BS->>UE2: 增加功率！

    Note over UE1,UE2: 目标：到达BS的信号强度一致
    Note over BS: 实现所有用户信号"到达功率相等"

工程师调试经验：在CDMA网络优化中，功率控制参数是最常调整的。如果功率控制不精确，小区边缘用户掉话率会飙升。检查功率控制环路是否正常，是排查CDMA掉话问题的第一步骤。

OFDMA：时频网格的灵活调度（4G/5G）

原理

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）是目前4G LTE和5G NR的主流多址方案。它把频谱资源切分成一个时间×频率的二维网格，每个格子（资源块RB）可以灵活分配给不同用户。

日常类比：一个大型停车场。行是时间（每个时段），列是车位编号（频率子载波）。停车场管理员（调度器）根据每辆车的需求动态分配车位——大卡车占连续几个车位，小摩托只占一个。这辆车走了，车位立刻租给下一辆。

OFDM：OFDMA的底层技术

要理解OFDMA，先要理解OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）。OFDM把一个宽带信道分成大量正交子载波，每个子载波的带宽很窄，数据速率很低。这样一来：

• 抗多径衰落：窄带子载波上，多径时延的影响变小了
• 频谱效率高：子载波正交排列，不需要保护频带，频率利用率接近100%
• 实现简单：用FFT/IFFT（快速傅里叶变换）硬件就能高效实现

传统FDMA:    |ch1|  |ch2|  |ch3|  |ch4|   ← 需要保护频带（浪费）
OFDM:        |sc1|sc2|sc3|sc4|sc5|sc6|    ← 正交排列，无保护频带

正交性的数学本质：OFDM子载波之间的频率间隔精确等于符号周期的倒数：

$$\Delta f = \frac{1}{T_s}$$

其中 $T_s$ 是OFDM符号的持续时间。这个精确的频率关系保证了子载波之间的正交性——一个子载波的峰值恰好落在其他所有子载波的零点上。

从OFDM到OFDMA

OFDM是一种调制/复用技术，OFDMA是多址技术——在OFDM基础上增加了多用户调度能力。

在LTE中，最小的资源单位是资源块（RB）：时域上占0.5ms（一个时隙），频域上占180kHz（12个子载波×15kHz）。调度器每个1ms的子帧（TTI）做一次调度决策，决定哪些RB分给哪些用户。

        频域（子载波）
        ┌──┬──┬──┬──┬──┬──┐
     t1 │A │A │B │B │C │  │
     t2 │A │  │B │  │C │C │  时域
     t3 │  │D │B │D │  │C │
     t4 │E │D │  │D │E │  │
        └──┴──┴──┴──┴──┴──┘
        A=用户A的RB，B=用户B的RB...

        调度器每1ms决策一次
        根据信道质量、业务需求动态分配

为什么4G选OFDMA？

SC-FDMA：4G上行的特殊选择

LTE的上行没有用OFDMA，而是用了SC-FDMA（Single Carrier FDMA）。为什么？

PAPR问题。OFDMA的信号是多个子载波叠加，可能出现所有子载波同时达到峰值的极端情况，导致峰均功率比（PAPR）很高。这意味着手机需要一个大功率放大器来处理偶尔的峰值——费电、费钱、发热大。

对于下行（基站发射），基站有稳定的电源，PAPR高一点无所谓。但上行是手机发射，电池有限，必须省电。SC-FDMA在OFDMA的基础上加了一步DFT预编码，本质上是"先做一次DFT扩展，再做OFDM"，把多载波信号变成等效的单载波信号，PAPR降低约2~4dB。

OFDMA发射机:  数据 → QAM映射 → IFFT → 发射
SC-FDMA发射机: 数据 → QAM映射 → DFT → 子载波映射 → IFFT → 发射
                                  ↑
                           多了这一步DFT预编码
                           将信号变为"单载波"特性

工程意义：SC-FDMA让手机功放效率提升约30~40%，直接转化为更长的电池续航。这就是为什么你在LTE时代明显感觉手机比3G时代耐用。

NOMA：打破正交，拥抱重叠（5G增强/6G方向）

为什么需要NOMA？

OFDMA的网格调度很灵活，但有一个硬限制：一个RB同一时间只能分给一个用户（保持正交）。当海量IoT设备涌入网络（mMTC场景），RB不够分了。

NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址）的思路是：打破正交，允许多个用户共享同一时频资源。那怎么区分？靠功率差异。

日常类比：一个教室里老师和两个学生同时说话。老师声音大（近端用户信号强），学生A声音小（远端用户信号弱）。聪明的听众先听清老师（强信号），然后从剩余信号中提取学生A（弱信号）。这需要"逐层剥洋葱"——先剥最外面的大信号，再剥里面的小信号。

功率域NOMA的工作原理

graph TB
    subgraph 发射端
        A1["用户A信号<br/>（近端，分配低功率）"] --> M["功率域叠加<br/>Superposition Coding"]
        A2["用户B信号<br/>（远端，分配高功率）"] --> M
        M --> TX["发送叠加信号"]
    end

    subgraph 接收端_用户A_近端
        TX --> R1["SIC解码"]
        R1 --> S1["先解码用户B（强信号）"]
        S1 --> S2["减去用户B"]
        S2 --> S3["得到自己的信号"]
    end

    subgraph 接收端_用户B_远端
        TX --> R2["直接解码"]
        R2 --> S4["将用户A视为噪声<br/>直接解码自己的强信号"]
    end

关键步骤：

1. 发射端（基站）：将用户A（近端）和用户B（远端）的信号在功率域叠加。远端用户分配更大功率（因为它路损大），近端用户分配较小功率。

2. 接收端——近端用户：执行SIC（Successive Interference Cancellation，串行干扰消除）。先解码强信号（远端用户B），从总信号中减去，然后解码自己的弱信号。

3. 接收端——远端用户：不需要SIC。直接把近端用户的弱信号当作噪声，解码分配给自己的强信号。

SIC的数学直觉

叠加信号：

$$y = \sqrt{P_1} \cdot s_1 + \sqrt{P_2} \cdot s_2 + n$$

其中 $P_1 > P_2$（远端用户功率更大），$s_1$ 是远端用户信号，$s_2$ 是近端用户信号。

远端用户直接解码 $s_1$（信号强，信噪比够高），把 $s_2$ 当噪声。

近端用户先解码 $s_1$（信噪比更高），然后从 $y$ 中减去 $\sqrt{P_1} \cdot s_1$，得到：

$$y' = \sqrt{P_2} \cdot s_2 + n$$

再从 $y'$ 中解码自己的信号 $s_2$。干扰被"剥掉了"。

NOMA的优势与挑战

工程师视角：NOMA在3GPP Release 13~16期间被广泛研究，但至今未成为5G标准的必选多址方案。主要原因有两个：一是SIC接收机的复杂度在手机侧实现成本高；二是Massive MIMO（空分多址SDMA）提供了另一种提升容量的路径，且实现更成熟。NOMA目前在6G研究中仍然活跃，特别是与AI结合的智能多址方向。

五十年演进全景：为什么每一代都换了多址方式？

graph TD
    subgraph "1G 1980s"
        F1["FDMA<br/>频率切蛋糕"]
        F1 --- F1a["模拟信号<br/>固定分配<br/>效率最低"]
    end

    subgraph "2G 1990s"
        F2["TDMA<br/>时间轮盘"]
        F2 --- F2a["数字化<br/>压缩编码<br/>效率×3~5"]
    end

    subgraph "3G 2000s"
        F3["CDMA<br/>码字正交"]
        F3 --- F3a["扩频抗干扰<br/>软容量<br/>效率×5~10"]
    end

    subgraph "4G 2010s"
        F4["OFDMA<br/>时频网格"]
        F4 --- F4a["灵活调度<br/>宽带高效<br/>效率×20"]
    end

    subgraph "5G 2020s"
        F5["OFDMA+NOMA+SDMA<br/>多维融合"]
        F5 --- F5a["海量连接<br/>超低时延<br/>效率×100"]
    end

    F1 -->|"增加时间维度"| F2
    F2 -->|"增加码字维度"| F3
    F3 -->|"回到频域+时域<br/>但正交细分"| F4
    F4 -->|"增加功率+空间维度"| F5

为什么4G没有继续用CDMA？

CDMA虽然理论上容量高，但有几个问题在宽带数据时代暴露出来：

1. 码字正交性在多径环境下恶化——时延扩展导致码字不再完美正交，产生多址干扰（MAI）
2. 宽带CDMA需要极高的码片速率——支持100Mbps需要极宽的频带，码片速率不现实
3. MIMO不友好——CDMA的扩频操作与MIMO的预编码/波束赋形在信号处理上互相冲突
4. 接收机复杂度——多用户检测（MUD）在高速数据下计算量爆炸

OFDMA完美避开了这些问题：子载波正交不需要码字，FFT有高效硬件实现，天然支持MIMO，调度灵活适应突发业务。

空分多址SDMA：5G的"隐形成员"

虽然5G的多址方案名义上还是OFDMA，但Massive MIMO + 波束赋形实际上引入了一个全新维度——空间（Spatial）。

波束赋形让基站可以在相同频率、相同时间，向不同方向发射不同的信号。两个用户只要空间上可区分（角度不同），就能共享完全一样的时频资源。这相当于在不增加任何频率和时间资源的情况下，凭空多出几倍容量。

类比：一个礼堂里有多束聚光灯，每束灯只照亮一个位置的人。虽然所有灯光同时开，但每个位置的人只看到照自己的那束灯。Massive MIMO的天线阵列就是这些"聚光灯"。

5G基站的64T64R（64发64收）天线阵列，可以同时形成多个窄波束，服务16~24个空间层。这意味着同样的时频资源，容量翻了十几倍——这才是5G容量的真正来源。

从原理到实战：工程师必知要点

1. 为什么看信号质量要看SINR而不是SNR？

在CDMA和OFDMA系统中，干扰（I）往往比热噪声（N）大得多。多址干扰（MAI）是容量的主要限制因素。所以SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）才是衡量信道质量的正确指标。

2. 为什么5G小区边缘速率比4G提升明显？

一方面是Massive MIMO的波束赋形把能量集中在用户方向，提升了边缘SINR；另一方面是BWP（Bandwidth Part）允许灵活使用更大的带宽。但根本原因还是多址维度的增加——空间维度的引入让边缘用户也能获得较好的资源。

3. 调试时如何判断多址相关问题？

• CDMA网络：检查功率控制参数、PN偏移规划、搜索窗口大小
• LTE网络：检查PDCCH调度率、RB利用率、CQI反馈
• 5G网络：检查MIMO层数、波束管理、Rank Indicator反馈

各代多址技术参数对比

多址技术选择的底层逻辑

每一代多址技术的选择，不是拍脑袋，而是由三个因素共同决定：

1. 业务需求：语音（速率恒定）→ 数据（速率突发）→ IoT（海量连接）→ URLCC（超低时延）
2. 硬件能力：模拟滤波器 → 数字信号处理 → FFT芯片 → AI芯片
3. 频谱环境：低频段（覆盖优先）→ 宽频段（容量优先）→ 毫米波（带宽极大但覆盖差）

一个有趣的规律：多址技术从"硬分配"（FDMA/TDMA固定分配）到"软共享"（CDMA/OFDMA/NOMA灵活共享），背后是计算能力从弱到强的映射。越灵活的多址方式，需要越强的信号处理能力。

常见问题

Q: 5G的SCS（子载波间隔）有15/30/60/120kHz多种，和OFDMA有什么关系？

A: SCS是OFDMA的底层参数。更大的SCS意味着每个子载波带宽更宽、符号时间更短，抗多径和抗 Doppler 能力更强，但CP开销比例更大。30kHz是5G Sub-6GHz的常用配置，120kHz用于毫米波。这是OFDMA灵活性的体现——可以根据频段和场景调整参数。

Q: NOMA为什么没有在5G标准中大规模部署？

A: 三个原因。第一，SIC接收机在手机侧的实现复杂度和功耗较高；第二，Massive MIMO的SDMA提供了更成熟、更高增益的多址增强方案；第三，NOMA需要精确的瞬时CSI反馈，在高移动性场景下性能下降明显。不过NOMA在6G研究中仍然活跃，特别是面向海量IoT的免调度接入场景。

Q: 为什么CDMA有"呼吸效应"而OFDMA没有？

A: CDMA的容量是干扰受限的——用户越多，总干扰越大，小区覆盖范围就越小（像呼吸一样收缩）。OFDMA的容量是资源受限的——RB分完就分完了，不会因为多一个用户而影响其他用户的信号质量。这是正交多址和非正交多址的根本区别。

Q: Massive MIMO算不算一种新的多址技术？

A: 严格来说，Massive MIMO实现的是空分多址（SDMA），是一种基于空间维度的多址方式。但它不像FDMA/TDMA那样独立工作，而是在OFDMA的基础上叠加了空间维度。所以5G实际上是OFDMA+SDMA的混合多址方案。

Q: 工程师在实际工作中哪里会用到多址技术的知识？

A: 最常见的是容量规划。评估一个小区能承载多少用户，需要理解OFDMA的RB调度机制和MIMO的空间复用能力。其次，排查干扰问题时需要理解不同多址方式的干扰特性——CDMA是自干扰（多址干扰），OFDMA是小区间干扰（同频干扰），处理方法完全不同。在5G网络切片场景下，RB资源的预留和调度也直接涉及多址技术的底层原理。

参考来源

1. The Road to Next-Generation Multiple Access: A 50-Year Tutorial Review — 多址技术50年演进综述，涵盖FDMA到NOMA的完整技术脉络
2. OFDMA vs SC-FDMA: The Battle of Multiplexing in 4G & 5G — OFDMA与SC-FDMA的详细对比，含PAPR分析
3. FDMA, TDMA, and CDMA Multiple Access: Effective Utilization of Radio Waves — 村田制作所的多址技术入门教程，含直观图解
4. CDMA Tutorial: Basics, Walsh & PN Sequence Codes — CDMA扩频码和Walsh码原理详解
5. Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in Cellular Uplink and Downlink — NOMA功率域叠加和SIC解码的数学分析

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

[!tip] 51学通信知识星球 星主：爱卫生（微信：gprshome201101）——公众号「51学通信」创办者，19 年通信行业运维与讲师经验，著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书（各大电商平台有售）。 星球定位：深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域，主打运维岗位与信令分析。 当前规模：5200 篇主题 / 990 个回答，198 元/年。 加入福利：加入星球后请加爱卫生微信，拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题，另有群内分享。 AI 加持：51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy，使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例，做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。