1.1.3 浮在空中的通信链路——频分多址
在这里,笔者首先想问大家一个问题:无线通信系统在通话的过程中是如何把信息传给特定用户的呢?
关于这个问题,在有线电话系统那里答案就简单多了:每个用户都有属于自己的专线,占用着一个端口,那么这条专线自然就代表一个用户了,如果想给用户发信息,只要给这条专线上传就行。至于这条专线用什么来定义则按照个人喜好来就行,你可以把专线命名为用户的名字ABC,或者用一串电话号码123来标记也行。
而对于移动电话来说,它最大的特点就是移动,就是说用户会不断地改变位置,甚至还会自动消失一段时间(手机关机了自然就从网络上消失了)。在这种情况下已经不可能用一根线把移动电话拴住,我们只能通过无线电磁波这根无形的线来紧紧抓住移动电话,不让它在服务区内掉线。
那么,无线电磁波是如何抓住移动电话,给它传递通话信息的呢?
前面我们已经说到了,手机用户跟基站之间的通信通过无线电磁波来实现,而且手机用户的语音信息被发送出去之前也是要经过频率调制的,那么我们不妨大胆假设,能不能通过特定频率的电磁波来对用户和基站的身份进行标识呢?答案是肯定的,这种方法广播电台其实一直在用。在日常生活中,如果我们想收听某一个电台节目的时候只要把收音机的频率调到那个电台发送节目信息的频道就行了。例如在广东清远,只需要把收音机的频率调到FM88.7,就能收听到清远人民广播电台的节目。为什么会这样呢?因为在清远,88.7MHz这个频率点已经分配给清远人民广播电台使用,在这个频点上只能传送清远人民广播电台的节目信息,这个频点就像我们的身份证号码,在那一片区域内就是唯一的。当然除了清远人民广播电台,还有清远音乐电台、清远交通电台等,它们也都拥有属于自己的通信频率点。在这里,广播电台通过不同的频点实现了对不同电台的身份识别。鉴于广播电台的这种做法,在无线通信系统中我们也可以采取同样的方法,通过不同的频率点来识别不同的用户。
就像广播电台的发射站那样,我们也可以在市中心建个跟电台一样的通信信号发射站(也就是基站),既然以前是一个电台分配一个频率,那么现在通话时也可以一个手机用户分配一个特定频率,基站需要给手机用户A发送信息的时候就使用频率A″,向手机用户B发送信息的时候就是用B″频率,这样的话基站就可以跟不同的手机用户一一进行通信了,如图1-8所示。
图1-8 基站通过频率标识不同用户
不过,电台跟基站有两点不同。一是每个电台占用的通信频率点是固定的,你想听某个电台的节目只需要把收音机调到该电台占用的这个频率上就行。但是基站能不能也给每个手机分配一个特定的频率点呢?理论上是可以的,只要基站拥有的带宽足够宽。假如每个手机占用50kHz的频率带宽,如果该基站下如果有10000个用户,那么这个基站的带宽就需要有500MHz,如果用户数量继续增加呢?显然现有的频谱带宽是不足以应付这么多的用户的,所以为了让每个用户在打电话的时候都能有属于自己的频点,只能把频率点重复利用,不让手机占用特定的频率点,而是采用轮庄制度。具体做法就是使每个基站拥有固定数量的频率点,每当手机要打电话或者接电话的时候才使用其中的一个频率点,当手机处于空闲状态时就把这个频点释放出来,给别的手机使用。
电台跟基站的第二个不同点是:电台跟收音机之间的通信是单向的,称为单工系统;而手机用户跟基站之间的通信必须是双向的,手机用户不仅要收听基站发过来的消息,还要给基站发信息,所以手机跟基站之间的通信是相互的,称为全双工收发系统。基于这个特性,采用频分多址的无线通信系统中的频率总是分成上行频率和下行频率成对出现,而且上行的频率点跟下行的频率点必须要用有足够的频率间距,否则会造成非常严重的干扰。如图1-9所示。
图1-9 基站通过特定频率点跟手机通信
如上所述,基站通过特定的频率来识别用户并与之通信的方法称为频分多址接入技术(FDMA)。除了频分多址接入,比较常见的多址技术还有码分多址接入技术(CDMA,在后面会有详细的介绍)、空分多址接入技术(SDMA)以及时分多址接入技术(TDMA)。