2.3 多用户的移动通信

讲完了点对点的移动通信，也就是单用户的移动通信之后，我们将介绍更为复杂的多用户的移动通信。

2.3.1 复用与正交

多用户情况下的移动通信，首先面临的就是复用的问题。

1.什么是复用？

如果用一个字来描述复用的特点，那就是“合”字。

所谓“合”，就是多个信号公用物理资源（比如频率），混合在一起。这样，这些信号就被称为复用信号。

接下来大家就会思考一个问题：为什么我们需要复用？复用到底有什么意义？

实际上，在通信系统中，复用是普遍存在的。2.1.4节在介绍调制时，已经讲到了通信设备内部的复用。不过在通信设备之间，复用更为普遍。

我们知道，在移动通信系统中有各种各样的网络设备，其中基站是无线网络最基本、最常见的设备，而基站的基本结构单位是小区。

在移动通信网络中，多个小区同时都在工作，每个小区都需要占用相应的物理资源（比如频率），物理资源的需求是一个非常大的数量。

小区的数量还不算是最多的，在移动通信网络中，数量最多的是终端。随着移动通信的普及，目前很多国家都已经是用户人手一机甚至多机了。有设备厂商做过预测，若干年后，全球的终端数量将达到500亿，差不多每个用户会有10台终端。这么多的终端都需要相应的物理资源，物理资源的需求更多。

除了用户数量的增长，用户的业务量，尤其是数据业务量也在爆发式增长。

物理资源支撑着设备传送信息，然而，可用的物理资源是有限的。在这种情况下，就产生了移动通信的最大矛盾：一方面，移动通信网络的可用无线资源是有限的；另外一方面，移动通信网络的业务需求近乎无限。

移动通信系统对用户需求历来都是有求必应的，这样一来，移动通信系统该如何面对这个最大矛盾呢？

破解这个矛盾，必须借助复用技术。复用技术可以提高物理资源的利用率，让有限的物理资源发挥出最大的效力，从而支持越来越多的网络设备与终端。

复用还能让基站支持更多的终端：与多个终端建立连接，为多个终端提供服务。就像一个茶壶如果只配一个茶杯，我们会觉得太浪费了；而一个基站只为一个终端服务，我们肯定觉得太奢侈。复用后，基站与终端之间就不是一对一的关系，而是一对多的关系了。

总之，有了复用技术，才能提升通信网络的效率，才能支撑众多的用户。因此，没有了复用，移动通信也就没有办法实施。比如GSM网络，没有频率复用，就没有办法在全球普及，就没有办法在各个城市实现业务的普遍覆盖。

此外，我们发现在很多通信术语中都有复用这个词，这也从另外一个侧面说明了复用在通信技术中的重要性和普遍性。

2.如何实施复用？

在通信系统中，复用占据了非常重要的地位，复用技术一直以来都是通信技术中重要的支柱技术。那么实现复用需要满足什么条件呢？怎样才能实现不同信号的混合呢？

实际上，要想实现复用，前提在于信号能够分离，也就是所谓的“有分才能合”。复用是合，而在信号合之后，信号还必须是能分开的。这是因为我们在传送信息时，归根结底，还是希望把信息传送到各自的目的地，而不是一锅粥，都发到同一个地方，那就乱了。

因此，要想把信号混合起来，必须保证信号混合后还能分开，这样才能达到通信的目的。因此我们有一个要求：要想合，可以，首先你要能分。不能分，我们岂敢合？就像小朋友在不会自己解扣子时，家长就不会给他穿有扣子的衣服，免得要脱衣服时脱不了。

所以，有分才能合。而分的技术，就是接下来要讲的正交。

3.什么是正交？

正交是从几何中引入的概念，如果两个矢量垂直，我们称这两个矢量正交。显然垂直是相互的，所以正交也是相互的，A与B正交意味着B也与A正交。从几何上看，如果两个矢量正交，一个矢量在另外一个矢量上的投影就为0，也就是没有影响。

两个信号正交也是类似的，如果两个信号正交，代表两个信号互不影响。这样，正交的信号即使混合在一起，也可以分辨彼此，实现分离。

借助信号的混合，可以实施复用技术。复用使得多个信号混合后使用同一资源，从而提高了资源的利用率。如果混合后的信号不能分离，复用也就没有实施的必要了。因此，正交是复用技术的基石，不正交就无复用，复用就必须正交。只有正交的信号，复用后才能分离开，因此也只有正交的信号，才适合复用。

正交与复用一样，在通信技术中都扮演了重要的角色。有一句话可以用来概括两者的作用，那就是：“分分合合，是通信技术的主旋律。”通信技术的大势，就在分分合合之间。

4.什么样的信号会正交？

前面讲了，正交的信号才能复用，接下来，我们来研究什么样的信号会正交？是不是随便拿两个信号放在一起，就可以正交呢？显然不是，信号正交其实还是很讲究的。

首先，我们定义可分离的信号才算是正交的信号。也就是两个信号混合在一起后还能分开，才算是正交信号。不过如果信号可以分离，需要基于一个前提，那就是：信号可分辨，能够清楚地知道哪个是A信号，哪个是B信号。

就好像操场上有一堆同学，有男生，有女生。我们只有找到男生和女生后，才能把同学分为男生一堆、女生一堆。如果我们不能辨别出同学是男生还是女生，我们怎么可能把他们分离成男生一堆、女生一堆呢？

所以，要想实现信号的分离，前提是信号可以分辨，也就是信号之间有明显的区别，这个区别就是信号的特性，不同信号的特性是唯一的，这样才可以分辨。这个特性，也就是信号的频谱。

根据信号的特性，我们可以把信号分开，分离才是信号正交的目的。

小结一下，所谓可分辨，就是可以在混合的信号中发现相应的信号；而可分离，就是可以从混合的信号中分离出相应的信号。显然，可分辨是可分离的基础，而可分离才是可分辨的目的。

信号的分离效果可以分为两种情况：完全分离和不完全分离。

所谓完全分离，就是从A+B的混合信号中分离出了两个信号，一个是A信号的完整信号，另外一个是B信号的完整信号，分离后的信号没有出现混杂和不完整的情况。

实现了信号的完全分离，信号也就实现了正交。

不完全分离就是分离后的信号中仍然混杂有其他信号的一部分能量，如果其他信号的能量比较小，我们就称信号为准正交。

信号正交是我们追求的目标，不过在工程实践中，只要有用信号的强度远超过其他混杂信号的强度，也就是信噪比达标，准正交时系统其实也是可以正常工作的。因此当正交做不到时，退而求其次，准正交也是可以接受的。

5.正交有哪些类型？

根据信号的特性，我们通常可以从3个维度让信号实现正交。

第一个维度是空间。实现信号在空间上的正交比较复杂，我们将在第5章中介绍。

如果空间上无法正交，我们可以考虑让信号在时间上正交。时间也是最容易理解的维度，比如一个人需要做好几件事情，就需要采用分时的办法，一次做一件事，轮流进行。因此，分时就是时间上形成正交，让不同的信号分布在不同的时间上，彼此错开，就实现了正交。

如果信号在空间和时间上都无法正交，比如不同信号在时域上的波形混合在一起，那么最后的正交维度就是频率了。

频率是信号最基本的特性，是信号最基础的物理量。如果不同信号在频率上实现正交，代表两层含义：不同信号在频谱上有差异，不会被掩盖，也就是在频域上可分辨；而利用信号在频谱上的差异，可以提取出不同的信号，也就是在频域上可分离。

6.功率正交与能量正交

信号在频域上的正交可以细分为功率正交和能量正交两种方式。所谓功率正交就是指信号的功率在频域上可以分离，而能量正交就是信号的能量在频域上可以分离。

功率正交与能量正交的对比如图2.21所示，为了形象地说明两种方式的区别，请看图2.21所示的两个例子：日光分解与萃取。

众所周知日光是混合光，不过在牛顿之前，没有人知道这个秘密。牛顿利用三棱镜，将日光分解为七色光谱，是光学的划时代进步。日光分解与功率正交非常类似，可将三棱镜看成滤波器。不同色光在三棱镜中的折射程度不同，而不同频率的信号在滤波器中的衰减不同。利用三棱镜可以得到某种颜色，而利用滤波器可以得到某段频率的信号。

萃取则是另外一种做法。萃取是利用混合物中不同成分在试剂中不同的溶解度，从而提取出相应成分的过程。萃取时先加入试剂，然后进行搅拌，过一段时间后，得到溶解有指定成分的液体。萃取过程与能量正交非常类似，能量正交也是引入一个额外的参照信号，与混合信号相乘后，积分后得到指定信号的能量。能量正交中的参照信号就类似于萃取时使用的试剂。

从数学上看，假设A信号为f（t），B信号为g（t），在积分区间内，如果满足以下的公式，就可以说A信号与B信号能量正交了。

∫f(t)g(t) dt=0

∫f(t)f(t) dt＞0

∫g(t)g(t) dt＞0

如果从物理含义的角度出发，可能更方便记忆能量正交的公式。根据欧姆定理，功率等于电压的平方除以电阻。因此，相同信号自乘，可以看成信号的功率，积分后就等于能量，不会为0；而不同信号相乘，没有具体的物理含义，不等于信号的功率，积分后等于0。

7.功率正交与能量正交信号的频谱

讲解了频率正交的两种方式后，大家更关心功率正交与能量正交的信号有什么差异。从信号的频谱上看，功率正交与能量正交这两种方式的差别相当明显。

图2.22展示了功率正交信号的频谱，可见不同的功率正交信号在频谱上是不会重叠的，相当于独占频谱，这样利用滤波器就可以提取出指定信号的功率。

功率正交的一大特点是可以动态跟踪信号的即时变化，就像用三棱镜分解白光，如果白光的强度发生了变化，马上能同步反应到分解的各种色光上。

能量正交的信号更进一步，不光是在时域上的波形混合，频域上也充分混合。图2.23展示了能量正交信号的频谱，可见不同信号的频谱互相重叠，基本不会独占频谱，这样连滤波器也没有办法分离不同的信号。

这时，我们利用参照信号以及积分的方法来提取出能量正交信号的能量，前提是在积分时间内，信号振幅应该维持恒定，不能改变。这也很容易理解，因为能量是信号功率在一段时间上的积分。在第3章中，我们还会深入了解能量正交信号的具体频谱特点。

总之，从功率正交到能量正交，我们看到了复用程度在不断地深化。

附带说一下，功率正交的信号积分后得到能量，因此功率正交的信号在能量上也必然是正交的。不过，既然能简单地通过功率来分离信号，就没有必要再劳师动众地通过能量去分离信号了。

2.3.2 多址技术

了解了复用与正交之后，接下来我们来看多用户移动通信的头号任务：如何解决一个基站同时为多个终端用户提供服务的问题。

这个问题的难点在于多个终端用户在同一个移动信道中与一个基站通信，不同的终端用户的信号必然需要有区分的方法，就像收、发利用双工方式来区分那样，不然终端用户间就会产生干扰。所谓的系统内干扰，其实就是这样产生的。

解决这个问题的方法称为多址技术，不同终端用户的信号利用多址方式来区分。多址方式的区分效果用正交来描述，如果不同终端用户之间的信号是正交的，表示不同信号之间不会干扰和混淆，可以分离。

有意思的是，多址方式还不止一种，常见的多址方式有FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址）和CDMA（码分多址）。FDMA利用不同的频率来区分终端，TDMA利用不同的时间来区分终端，CDMA利用不同的码元来区分终端。

图2.24展示了各种多址方式，接下来我们就来了解这些多址方式。

(1)FDMA

FDMA技术是每个用户使用不同的频点（中心频率不同），用户的信号频谱互相不重叠，因此FDMA各个用户的信号在频率上是正交的。模拟移动通信系统和GSM系统采用了FDMA技术。

在FDMA技术中有一种特殊的技术，称为OFDMA技术，也就是将OFDM技术用于多用户的接入。前面讲过，OFDM技术是LTE系统最关键的技术，本书的第3章和第4章将会详细介绍OFDM技术。

(2)TDMA

TDMA技术是将载波（某一频点）划分成许多等长的时间片段，称为时隙，每时隙传输一路突发式信息。TDMA在用户端表现得更加明显，每个用户分配到若干时隙，用户只能在特定的时间与基站通信。因此TDMA各个用户的信号在时间上是正交的。

TDMA系统的特点如下：

● 每个频点可以传输多个用户的信号；

● 终端不连续发射；

● 发射和接收的时隙交错；

● 传输带宽较宽；

● 传输的额外开销大。

TDMA是2G移动通信系统常用的多址方式，GSM和PHS系统都采用了TDMA技术。

(3)CDMA

CDMA是不同用户使用不同的码元来处理信号，虽然不同用户在同一时间使用同一载频，但是利用码元可以区分不同的信号，因此CDMA各个用户信号在码元上是正交的。CDMA与扩频技术是紧密相连的，经过扩频处理后信号占用的带宽大幅增加了。

与TDMA系统相比，CDMA系统具有以下特点。

● CDMA系统的容量比TDMA系统的容量大，理论上CDMA系统容量是TDMA系统的4倍，这是因为CDMA系统可以同频组网，频率利用率高的缘故；

● CDMA系统的容量是软容量，具有很大的弹性；

● CDMA系统是自干扰系统，由于使用同一载频，不可避免地产生系统内的互相干扰，需要采用功率控制技术。

CDMA是第三代移动通信系统常用的多址方式，WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA都采用了CDMA技术。

2.3.3 身份识别

解决了区分不同信号的问题，接下来我们看如何区分不同信号的发出者—用户。

基站需要支持多个用户，这些用户必须是合法用户。确定合法用户的工作由核心网来完成，基站是执行者，只为合法用户提供服务，不会为非法用户提供服务。

为了分辨用户的合法性，通信系统需要借助身份识别来确定用户的身份，用户身份通过用户标识来表示。身份识别在通信系统中有重要的地位，原因是通信系统的运营商实施收费服务，不提供免费午餐，运营商收不到钱或收错钱都是很严重的问题。考虑到身份识别的有效性，用户标识应该在整个系统中唯一。

身份识别的需求在固定通信系统和移动通信系统中是有显著差别的：

（1）固定通信系统

用户终端都有固定的位置，“跑得了和尚跑不了庙”，固定通信运营商不会有收不到钱的心理负担。因此，固定通信运营商一般不必每次服务都确认用户的身份。而且在固定通信系统中，因为用户终端都有固定的位置，确定用户的身份很简单。用户终端只要一使用，通信网络马上就可以确定终端确切的物理位置。根据终端的物理位置，很快可以查到终端的身份。因此，在固定通信系统中，电话机甚至没有标识。电话机的号码由电话插座决定，同一部电话机插在不同的地方，对应的电话号码完全不同。

（2）移动通信系统

这是另外一种情况：由于支持漫游，用户今天在广东，明天在山东，没有固定的位置，系统无法根据用户的物理位置确定其身份。如果为用户提供了不合适的服务，要么收不到钱，天南地北，找都没地方找；要么用户不认账，互相扯皮。因此，移动通信系统的用户身份识别相对更为重要，为了确保业务的正常开展，移动通信运营商一般每次服务前都要确认用户的身份。

确定用户身份的工作（身份识别）称为鉴权，例如，我们登录网络操作系统就是一个鉴权的过程，鉴权的前提是用户具有身份标识。在移动通信系统中，用户是通过用户终端访问网络的，因此不但用户需要标识，用户终端也需要标识。

GSM、WCDMA和LTE系统中用户终端的标识是IMEI（国际移动设备识别标志，又称国际移动设备识别码），由终端生产厂商固化在用户终端中。GSM、WCDMA和LTE还设置了用户的标识，称为IMSI（国际移动用户标识，又称国际移动用户识别号），存储在SIM卡或者USIM卡中，而SIM卡或者USIM卡独立于GSM、WCDMA和LTE终端。这样，不同的用户也可以共享一部用户终端，俗称“机卡分离”。当然，系统的核心网络中也存储了用户的IMSI。

cdma2000系统中用户终端的标识是32比特的电子序列号（Electronic Serial Number，ESN）。用户的标识与GSM系统类似，也是IMSI，存储在用户终端的UIM卡（类似于SIM卡）和核心网络中。

用户标识是用户身份的标志，其重要性毋庸置疑。但光有用户标识，没有用户密码，就像光有门没有锁一样，身份识别不完善，尤其是无法防止身份伪造，也就是无法对抗非法用户的使用。回想我们在登录网络操作系统和数据库系统的过程中，一般需要提供正确的用户名和密码。因此，鉴权过程需要两个关键的参数：用户标识和用户密码。有了这两个参数，用户的身份才能确认。

用户密码又称密钥，在cdma2000系统中称为A密钥，在GSM、WCDMA和LTE系统中称为K参数。

移动用户在申请移动通信网络服务时，需要首先向移动通信网络提供自己的用户标识和用户密码，移动通信网络收到后与数据库中预存的用户信息进行比对，如果信息吻合，用户的身份就确定了，用户能享受的服务也明确了，这就是鉴权的过程。

2.3.4 安全

无线电波是开放的，因此使用无线电波的设备容易被窃听。安全性就是模拟移动通信1G为人诟病的一大问题。

移动通信系统从2G开始进入数字通信时代，引入了数字信号处理技术，安全性得到了很大的改善。一般数字移动通信系统都会对业务信息（语音和数据）进行加密处理，加密的参数与用户相关，加密方法也不公开。即使有人窃听，由于信息已经加密，不知道加密方法和加密参数，也难解密，这样就保证了通信过程的安全。

除了安全地通信，系统还关心用户安全地使用通信网络。前面提到的鉴权过程中的参数决定了用户身份，十分敏感。考虑到移动通信的特殊工作环境，鉴权过程中用到的用户密码尤其需要保护，必须加密传送。为此，终端并不直接传送用户密码，而是传送用户密码对应的用户安全信息。为了提高安全性，在每次通信过程中用户密码对应的安全信息都不一样，这样即使被监听，得到的也是一次性的安全信息，无关大局。

用户安全信息利用参数加密的方法产生，简称加密结果，加密结果根据随机数据、密钥和加密算法三个要素产生。其中，随机数据由通信网络提供，因此是一次性的；密钥相当于加密算法的参数，是用户密码；系统采用统一的加密算法，不同的移动通信系统，加密算法通常也是不同的。

用户安全信息的传送方法如图2.25所示。从该图可以看到密钥是不公开的，也不会传送，仿佛是在一个黑箱中。外界即使有人窃听，也只能得到随机数据和加密结果。由于随机数据每次都有变化，加密结果也必然每次都有变化。窃听者没有正确的密钥，只根据随机数据很难反推出密钥以及加密结果。

移动通信系统本身存储有每个用户的密钥，再根据统一的加密算法和移动通信系统产生的随机数据，可以算出标准的加密结果。如果从用户那里得到的加密结果与标准的加密结果一致，说明该用户是合法用户；如果从用户那里得到的加密结果与标准的加密结果不一致，那么就说明该用户是非法用户，这样就实现了对用户身份的鉴别。

另外，相比GSM系统，WCDMA和LTE系统中还引入了增强的安全机制，包括信息的完整性保护以及对网络的鉴权。信息的完整性保护用来防止信息被非法更改和伪造；通过对网络的鉴权，终端可以确定网络的身份，避免接入恶意网络，比如近来常提到的伪基站。