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FDMA、TDMA 和 CDMA 多重存取：有效利用頻寬 (1)
索引：FDMA、TDMA 和 CDMA 多路存取 (1)
< 專欄 > 多工工作原理：FDM、TDM 和 CDM
< 專欄 > 智慧型手機技術規格中的 FDD-LTE 和 TD-LTE 術語說明
1.可有效利用無線通訊訊號頻寬的基本技術
每天，我們的智慧型手機都在傳輸和接收音訊、影像、視訊和其他資料。當許多人同時使用相同的訊號頻段，傳輸大量資料時，我們卻認為這是再正常不過的事。這要歸功於一些技術，這些技術可以防止在傳送和接收不同類型的資料時發生問題，例如資料重疊或雜訊干擾。這篇文章使用圖表說明兩種這樣的技術，目的在於有效利用頻率頻寬 (或簡稱頻寬)，*1 也就是有效利用無線電訊號：
- 多工「（multiplexing）允許同時傳輸多個資料流，以及 」多址"（multiple access）允許同時使用多個資料流。
- 多重存取」，利用多工技術允許同時與多個使用者連線。
請注意，多重存取 (也稱為「多重存取」) 是有助於第五代行動通訊系統 (5G) 的重要技術，其目的在於支援極大量的同時連線 (每平方公里 100 萬個連線)，包括與「物」的連線，例如家電和物聯網裝置。
*1 用於無線通訊的頻率頻寬（頻帶寬度）越寬，資料通訊速度（傳輸速度）就越高。我們計劃在另一篇文章中解釋頻率頻寬與傳輸速度的關係。
2.透過無線通訊傳輸多個資料流
2.1 多工：有效利用單一傳輸路徑（空氣）
無論是使用有線或無線通訊，*2通訊系統的基本模式可表示如圖 1 所示（無線通訊的基本知識：無線機制 (1)）。在此模型中，發送端、傳輸路徑和接收端被視為一個單元，而在特定時間傳輸的資料流也被視為一個單元。(我們暫時稱此為 「簡單通訊」。)現在，如果傳送端可以同時傳送多個資料流到接收端，資料傳送和接收的效率就會提高。這就是在單一傳輸路徑上同時傳送多個資料流的想法。這種技術稱為多工技術。
*2 一般而言，通訊系統的傳輸路徑為電纜或空氣，而此類系統依據用於電信的傳輸路徑可分為有線或無線通訊。
2.2 多重存取：在多個用戶之間實現無干擾的無線通信
如果我們將多工視為同時傳送多個相互疊加的資料流，那麼可以說對於多工來說，發送端和接收端這兩個要素是不存在的。在無線通訊的情況下，可以在多工的基礎上加入「收發」（發送與接收結合）的元素，讓多個使用者共用一條傳輸路徑，同時傳送多個資料流。這稱為多重存取*3。
表 1 顯示多工與多重存取之間的關係。為了能夠與多重存取進行比較，我們會說多工使用一個傳送端和一個接收端。此外，由於多工有多個頻道* 4，而多重存取也有多個頻道，因此我們可以說多重存取是以多工為基礎。
*3 在通訊相關的書籍和文件以及網站內容中，多工和多重存取有時會不加區分地稱呼，視所描述的內容而定。在本文中，多重存取被描述為一種利用多工技術，讓多個使用者共用一個傳輸路徑來傳送和接收資料的技術。
*4 通道：在此使用時，可簡單地將其視為載有單一資料流的無線電訊號波形所經過的路線（通訊路徑）。在此意義上，信道一詞指的是信號線。在無線通訊的情況下，可以將傳輸 10 種不同訊號波形（多工傳輸）的情況描述為具有 10 個通道的通訊路徑，例如。
在實際的無線通訊中，比起共用傳輸路徑從一個使用者傳送資料到另一個使用者，或從一個使用者傳送資料到其他多個使用者的情況，行動通訊系統（圖 2）或衛星通訊系統（圖 3）的多個使用者共用傳輸路徑的情況比較常見。因此，接下來的討論將著重於多重存取的運作。多重存取將在< 專欄 > 多工工作原理：FDM、TDM 和 CDM.
3.多重存取如何運作：FDMA、TDMA 和 CDMA
正如我們在上一節所提到的，多重存取是一種技術，可讓多個使用者透過共用多重頻道進行無干擾的通訊。
多重存取的基本類型，從最簡單到最先進的有以下幾種：
- 頻分多址 (FDMA)
- 時分多址 (TDMA)
- 碼分多址 (CDMA)
以下我們將利用每種多址存取的概念圖，以及以圖 3 為基礎、以衛星通訊為例的概念圖，說明其中每種多址存取的運作方式*5。
*5 最近的無線通訊標準，例如 4G-LTE 行動通訊或 Wi-Fi 6/6E 和 Wi-Fi 7 個人通訊，使用一種稱為正交頻分多址 (OFDMA) 的方案，該方案是以稱為正交頻分多址 (OFDM) 的調變和多工技術為基礎。在此省略對 OFDM 的說明，因為這需要對複雜課題的背景知識，例如資料多值化、正交振幅調變 (QAM) 以及資料信號在頻譜上的正交特性。我們計劃在另一篇文章中涵蓋這個主題。
3.1 頻分多址 (FDMA)
FDMA 將來自多個使用者的資料串流分割，並使用不同的頻段將資料串流分配到頻道，所有頻道共用一個傳輸路徑 (圖 4-1)。FDMA 的採用始於 1980 年代，在類比第一代行動通訊系統 (1G) 下，它被用來傳輸手機和汽車電話。
圖 4-2 顯示使用 FDMA 進行衛星通訊的概念圖。圖 4-2 顯示以圖 3 為基礎的安排，其中一個發射端 (地面站 E0) 和多個接收端 (地面站 E1 至 E3) 用於傳輸多工數據信號。
來自地面站 E0 的資料信號包含以地面站 E1 至 E3 為目標的資料串流，這些資料串流經調變後分配至衛星中繼支援的頻寬內以等間距排列的不同頻率，其傳送方式可確保相鄰的信號頻帶不會重疊 (以防止干擾)。當地面站 E1 至 E3 接收到這些訊號時，會根據每個地面站能夠接收的頻率將訊號分割，並擷取資料流。
3.2 時分多址 (TDMA)
TDMA 將來自多個使用者的資料串流分割成劃一的時間間隔，並將其分配到頻道，所有頻道共用一條傳輸路徑 (圖 5-1)。TDMA 的採用始於 1990 年代，在數位第 2 代行動通訊系統 (2G) 下，它被用來傳輸行動電話通話 (GSM、PDC、PHS 等)。
圖 5-2 顯示使用 TDMA 進行衛星通訊的概念圖。如前文所述，圖 5-2 顯示基於圖 3 的安排，其中一個傳送端（地球站 E0）和多個接收端（地球站 E1 至 E3）用於傳送多工數據信號。
資料信號從地面站 E0 傳送，以時間幀為界，由用作頻道的 「時隙 」組成，不包括嵌入在每個幀中的標準突發信號* 6，每個頻道被分配給針對地面站 E1 至 E3 的資料流中的一個。然後，在 E1 至 E3 的每個地面站，訊號以與地面站 E0 的傳輸時序同步的方式分割，並擷取資料流。
*6 為了確保穩定及防止通訊受到干擾，TDMA 要求傳送端與接收端之間的頻道切換速度等必須同步。地面站 E0 會在每個訊框的開頭插入稱為 burst 的訊號，以進行同步控制。
3.3 碼分多址 (CDMA)
CDMA 所產生的訊號，是將用戶的資料串流與獨特的識別碼混合，所有用戶的訊號重疊在同一個頻段內，並透過單一的傳輸路徑傳送（圖 6-1）。在 2000 年代推出的第三代行動通訊系統 (3G) 中，CDMA 用於傳輸行動電話通話。
圖 6-2 顯示使用 CDMA 進行衛星通訊的概念圖。如前文所述，圖 6-2 顯示基於圖 3 的安排，其中一個傳送端（地球站 E0）和多個接收端（地球站 E1 至 E3）用於傳送多工數據訊號。
地面站 E0 將分配給接收端地面站 E1 至 E3 的識別碼與針對各地面站的資料信號混合，產生頻帶比原始資料信號更寬的信號，並將其相加以產生多工信號，然後發送至衛星中繼站。
E1 至 E3 地面站各自接收來自衛星中繼站的多工信號，混入地面站識別碼來分割信號，並只從符合自己識別碼的信號中提取資料。
請注意，衛星通訊採用 CDMA 始於 1990 年代。
4.摘要
正如我們所看到的，多重存取是無線通訊的一項重要技術，可讓多個使用者之間進行無干擾的無線通訊。現在，在結束本文之前，我們想再深入探討一些細節。
隨著時間的推移，多重存取方案已變得越來越先進，從 FDMA 演變到 TDMA 再到 CDMA，但毫不誇張的說，伴隨著這些進步的頻率利用效率* 7 的提高，一直是無線通訊發展的一個重要方面。舉例來說，在行動通訊中達到更高的頻率利用效率，就可以增加使用者的數量和可傳輸的整體資料量。
這一點在本文中略有提及，目前使用最廣泛的行動通訊系統 4G 所使用的多重存取方案是正交頻分多重存取 (OFDMA)，據說其頻率利用效率是使用 CDMA 的 3G 的兩倍。而 5G 則採用非正交多址存取 (NOMA)，其頻率利用效率甚至比 OFDMA 更佳。
因此，重複一遍，以提高頻率利用效率為目標而進步的多重存取，對於未來無線通訊的發展以及擴大採用範圍而言，可說是不可或缺的。
*7 頻率利用效率：在此可簡單理解為每單位頻率頻寬的資料傳輸速度 (單位為比特/秒 (bps)/赫茲)。請注意，頻率利用效率有時也稱為頻譜效率或頻寬效率。
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