OFDM与CDMA之探讨与比较

为有效解决第二代行动电话(GSM)因使用高速TDMA技术易受多重路径损耗(multi path fading)影响而造成inter-symbol interference的缺点，及在有限频率资源限制下，更有效提升传输速率与满足高速行动的需求，于是CDMA 与OFDM 技术于1990年后相继被提出。

OFDM 将传输频宽分割成多个窄频宽的子通道，同时使用多个载波来载送讯息，由于讯息资料被平均分配于各个子通道同时传送，有效降低每个子通道之实质资料量与传送速率，因而具有良好频谱使用效率及绝佳多重路径损耗(multi path fading)之免疫力。 

CDMA是一种分码多工扩频(Spread Spectrum) 技术，将原始窄频讯息以拟真杂讯乱码(Pseudo random noise code)扩展成宽频讯号，所有使用者资讯在同一频道同时收送资料，因而有效的增进频谱使用效益。 更由于将传送讯息隐藏于杂讯中，故具备高隐密性，不易被侦搜之特性。 

一、行动无线通道特性 

接收端只接收单一来向(path)无线电信号，以完整无瑕的还原发射端资讯，为理想无线通道的目标。 但实际上无线通道上传输的资讯波形，会因衰减(attenuation)、反射(reflection)、折射(refraction)与绕射(diffraction)等因素影响而满布杂讯，如果发射端处于行动状态，更会因都卜勒效应(Doppler effect)而引起频率漂移。 首先让我们先探讨各项影响无线电波传递之因素: 

1.衰减(attenuation) 

点对点间通信会因建筑物、树林与地形地貌等障碍物影响而造成通信盲区，如图一所示。 无线电信号会因障碍物阻挡而造成信号衰减，建筑物愈密集，影响愈大(约衰减20dB)。 尤其是电波绕射现象，更容易造成通信盲区扩大。 避免此现象，最好将接收/发射天线设置于可视区(line of sight)。 


[图一]无线电波传递示意图 

2.多路径衰落(Multipath Fading) 

无线电波传递，常会因障碍物阻挡而造成电波的反射与与折射，因而在接收端形成多路径信号，由于各路径的相位(phase)不同而造成接收端信号大小起伏不定，称为多路径衰落(Multipath Fading)，如图二。 各路径讯号因相位不同因而造成接收端信号起伏达10 ~ 30dB，如图三。 尤其因近端阻挡物(树木，建筑物…)所引起的反射，常会造成些频率讯号完全消失，称为frequency selective fading，对传统窄频通信影响更大。 


[图二] 多路径讯号示意图 



[图三] 多重路径对信号之影响 


多路径信号也常因抵达接收端时间不同而造成波型失真与扩散，称为延迟扩散(delay spread)如图四。 此现象对数位通信影响甚巨，尤其是TDMA系统，因容易造成symbol与symbol间互相干扰(Inter Symbol Interfence)而增加传输错误率 




[图四] Delay Spread示意图 


3.都卜勒频移(Doopler shift) 
当无线通信系统处于移动状态下，电波传递会因发射与接收两端因相互接近或远离而改变频率称为都卜勒效应(Doopler effect)。 频率变化量则依双方相对速度与发射频率而定ΔF = ±f × V/C 

其中ΔF =频率变化量 
F = 发射频率 
V = 双方相对速度 
C = 光速都卜勒频移现象对一般通讯影响不大，但对载波频率极为敏感之数位通信技术如COFDM则影响显著。 

二、多重接取技术(Multiple access) 
在有限的频宽内让多位使用者同时进行通信，为多重接取技术主要目的，其中分频多重接取(FDMA)、分时多重接取(TDMA) 与分码多重接取(CDMA)为三种主要技术。 FDMA的方式是在频率上直接切割，将全数频宽切成每个等宽频带的通道，每个通道可供一个用户使用。 其优点为使用者可持续通信但极浪费频率资源而且极易产生谐波干扰。 TDMA则是将频宽以时区(time slot)分割，让使用者轮流使用频宽收送资料。 由于是以时区来区分每依使用者故需极佳之时脉同步，同时受多路径衰落之影响较大。 CDMA是一种展频（Spread Spectrum）技术的应用，大致可分为两大类。 其中直接序列（Direct Sequence）是将所有用户讯号利用特定编码(PN code)扩展在同一个宽频范围内；而频率跳跃（Frequency Hopping）则是用户传送之讯号于固定时间在许多频段间以特定方式跳跃。 

CDMA由于具有极佳之保密性及抗干扰性，因此西元1960年代便被使用在军事用途上，近年来更被研究应用在细胞式行动通信系统上，可以提高其用户容量。 图五、六、七分别为FDMA、FDM + CDMA与CDMA传送示意图 

[图五] FDMA 




[图六] FDMA + CDMA 



[图七] CDMA