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OFDMA 又名:正交頻分多址接入

正交頻分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA):OFDMA是OFDM技術(shù)的演進(jìn),將OFDM和FDMA技術(shù)結(jié)合。在利用OFDM對(duì)信道進(jìn)行子載波化后,在部分子載波上加載傳輸數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。 OFDM是一種調(diào)制方式;OFDMA是一種多址接入技術(shù),用戶通過(guò)OFDMA共享頻帶資源,接入系統(tǒng)。

 ont-size: 14px; line-height: 24px; text-indent: 2em; color: rgb(51, 51, 51);">正交頻分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA):OFDMA是OFDM技術(shù)的演進(jìn),將OFDMFDMA技術(shù)結(jié)合。在利用OFDM對(duì)信道進(jìn)行子載波化后,在部分子載波上加載傳輸數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。

ap: break-word; color: rgb(51, 51, 51); margin-bottom: 15px; text-indent: 2em; line-height: 24px; zoom: 1;">
OFDM是一種調(diào)制方式;OFDMA是一種多址接入技術(shù),用戶通過(guò)OFDMA共享頻帶資源,接入系統(tǒng)。
OFDMA又分為子信道(Subchannel)OFDMA和跳頻OFDMA。
sic-info" style="margin: 20px 0px 35px; clear: both; background-image: url(http://baike.bdimg.com/static/wiki-lemma/widget/lemma_content/mainContent/basicInfo/img/basicInfo-bg_7819f20.png); background-attachment: initial; background-size: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; background-position: initial; background-repeat: initial;">
idth: 395px; float: left;">
ipsis; white-space: nowrap; word-wrap: normal; color: rgb(153, 153, 153);">中文名
OFDMA
外文名
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
別    名
正交頻分多址接入
本    質(zhì)
OFDM技術(shù)的演進(jìn)
通信技術(shù)
IEEE 802.16
支持平臺(tái)
WiMax,LTE
 
amily: arial, tahoma, 'Microsoft Yahei', 宋體, sans-serif; background: rgb(251, 251, 251);">

目錄

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  1. isplay: inline-block; width: 18px; font-size: 16px; padding-left: 20px; padding-right: 8px; vertical-align: top; text-align: right; color: rgb(99, 160, 223);">1 發(fā)展由來(lái)
  2. 2 技術(shù)簡(jiǎn)介
  3. 3 基本原理
  4. 4 技術(shù)分類(lèi)
  1.  子信道OFDMA
  2.  跳頻OFDMA
  3. 5 可擴(kuò)展性
  4. 6 使用缺點(diǎn)
  1. 7 技術(shù)演進(jìn)
  2. 8 與CDMA的不同
  3. 9 不同涵義

發(fā)展由來(lái)

通用陸地無(wú)線接入UTRAN)演進(jìn)的目標(biāo)是構(gòu)建出高速率、低時(shí)延、分組優(yōu)化的無(wú)線接入系統(tǒng)。演進(jìn)的UTRA致力于建立一個(gè)上行速率達(dá)到50 Mbps、下行速率達(dá)到100 Mbps、頻譜利用率為3G R6的3~4倍的高速率系統(tǒng)。為達(dá)到上述目標(biāo),多址方案的選擇應(yīng)該考慮在復(fù)雜度合理的情況下,提供更高的數(shù)據(jù)速率頻譜利用率。在上行鏈路中,由于終端功率和處理能力的限制,多址方案的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性,除了性能和復(fù)雜度,還需要考慮峰值平均功率比(PAPR)對(duì)功率效率的影響。
3GPP LTE的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中,諾基亞、北電等公司提交了若干多址方案,如多載波(MC)-WCDMA,MC-TD-SCDMA,正交頻分多址接入(OFDMA),交織頻分復(fù)用(IFDMA)和基于傅立葉變換擴(kuò)展的正交頻分復(fù)用(DFT-S OFDM)。OFDMA已成為下行鏈路的主流多址方案,并且是上行鏈路的熱門(mén)候選方案,其中,北電公司的方案支持頻分雙工(FDD)方式,信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所的方案支持時(shí)分雙工(TDD)方式。
由于正交頻分復(fù)用(OFDM) 能夠很好地對(duì)抗無(wú)線傳輸環(huán)境中的頻率選擇性衰落,可以獲得很高的頻譜利用率,OFDM非常適用于無(wú)線寬帶信道下的高速傳輸。通過(guò)給不同的用戶分配子載波,OFDMA提供了天然的多址方式。由于用戶間信道衰落的獨(dú)立性,可以利用聯(lián)合子載波分配帶來(lái)的多用戶分集增益提高性能,達(dá)到服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求。然而,為了降低成本,在用戶設(shè)備(UE)端通常使用低成本的功率放大器,OFDM中較高的PAPR將降低UE的功率利用率,降低上行鏈路的覆蓋能力。由于單載波頻分復(fù)用(SC-FDMA)具有的較低的PAPR,它被提議成為候選的多址方案。
目前,OFDMA已被廣泛研究,并已成為3GPP LTE的下行鏈路的主流多址方案。然而,在上行鏈路的研究中,盡管SC-FDMA成為主流的多址方式,但OFDM和SC-FDMA之間的比較大多從PAPR的角度進(jìn)行,而沒(méi)有考慮兩者的鏈路性能,更沒(méi)有充分地考慮PAPR和性能的折衷。
OFDMA技術(shù)與OFDM技術(shù)相比,用戶可以選擇條件較好的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而不像OFDM技術(shù)那樣,一個(gè)用戶在整個(gè)頻帶內(nèi)發(fā)送,從而保證了子載波都被對(duì)應(yīng)信道條件較優(yōu)的用戶使用,獲得了頻率上的分集增益。在OFDMA中,一組用戶可以同時(shí)接入到某一子載波。
目前使用OFDMA的無(wú)線通信技術(shù)有:IEEE 802.16。

技術(shù)簡(jiǎn)介編輯

正交頻分多址- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)是無(wú)線通訊系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),是一種多址技術(shù)。WiMax,LTE,都支持OFDMA。
OFDMA 多址接入系統(tǒng)將傳輸帶寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集,將不同的子載波集分配給不
picture text-pic layout-right" style="border-style: solid; border-color: rgb(224, 224, 224); overflow: hidden; margin: 0px 0px 3px 20px; position: relative; float: right; clear: right; width: 250px;">正交頻分多址正交頻分多址
同的用戶實(shí)現(xiàn)多址。OFDMA系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)地把可用帶寬資源分配給需要的用戶,很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用。由于不同用戶占用互不重疊的子載波集,在理想同步情況下,系統(tǒng)無(wú)多戶間干擾,即無(wú)多址干擾(MAI)。右圖給出出了OFDMA系統(tǒng)的原理示意圖。其中,灰色、白色以及深灰色時(shí)頻柵格代表不同的子載波集,它們?cè)陬l帶上是互不重疊的,并分別分配給不同用戶。OFDMA方案可以看作將總資源(時(shí)間、帶寬)在頻率上進(jìn)行分割,實(shí)現(xiàn)多用戶接入。

基本原理編輯

多徑效應(yīng)是目前無(wú)線系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。多徑來(lái)自發(fā)射器和接收器間的反射,反射在不同時(shí)刻到達(dá)接收器。分離各反射的時(shí)間間隔被稱為延遲擴(kuò)展。當(dāng)延遲擴(kuò)展與發(fā)送的符號(hào)時(shí)間(Symbol Time)大致相等時(shí),這種干擾有可能引發(fā)問(wèn)題。典型的延遲擴(kuò)展時(shí)長(zhǎng)幾微秒,與CDMA符號(hào)時(shí)間接近。OFDMA的符號(hào)時(shí)間大致在100微秒,因而多徑現(xiàn)象的影響不太嚴(yán)重。為緩解多徑效應(yīng),在每一符號(hào)后插入一個(gè)約10微秒、稱為循環(huán)前綴的警戒邊帶。
為得到更高數(shù)據(jù)速率,OFDM系統(tǒng)必須比CDMA系統(tǒng)更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位數(shù)稱為頻譜效率。采用高階調(diào)制是實(shí)現(xiàn)更高效率的方法之一。調(diào)制是指每一子載波發(fā)送的位數(shù)。例如,在正交振幅調(diào)制(QAM)中,每載頻發(fā)送2位。在16 QAM和64 QAM中,每個(gè)子載波分別發(fā)送4和6位。在4G系統(tǒng),因預(yù)期會(huì)采用64 QAM,所以其頻譜效率很高。
OFDMA原理OFDMA原理
OFDMA針對(duì)多用戶通信進(jìn)行了優(yōu)化,尤其是蜂窩電話和其它移動(dòng)設(shè)備。
它是針對(duì)蜂窩電話長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)的最合適調(diào)制方案。在這種演變的過(guò)程中, OFDMA的名稱變?yōu)楦咚僬活l分復(fù)用分組接入(HSOPA)。OFDMA的變量由WiMAX論壇選為調(diào)制方案,后來(lái)又根據(jù)IEEE針對(duì)IEEE 802.16-2004(固話)和802.12e(移動(dòng))WiMAX的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
與CDMA(碼分多址接入)寬帶CDMA及通用移動(dòng)通信系統(tǒng)UMTS)這類(lèi)3G調(diào)制方案相比,它的好處在于具有更高的頻譜效率和更好的抗衰落性能。對(duì)于低數(shù)據(jù)率用戶,它只需要更低的發(fā)射功耗,具有恒定而不是隨時(shí)間變化的更短延遲,以及避免沖突的更簡(jiǎn)潔方法。
OFDMA會(huì)把副載波的子集分配給各個(gè)用戶。以關(guān)于信道狀態(tài)的反饋為基礎(chǔ),系統(tǒng)能執(zhí)行自適應(yīng)用戶到副載波的分配。只要這些副載波分配被迅速地執(zhí)行,與OFDM相比,快速衰退、窄帶同頻干擾性能都得到了改進(jìn)。反過(guò)來(lái),這又改進(jìn)了系統(tǒng)的頻譜效率。
OFDMA將整個(gè)頻帶分割成許多子載波,將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干平坦衰落子信道,從而能夠有效地抵抗無(wú)線移動(dòng)環(huán)境中的頻率選擇性衰落。由于子載波重疊占用頻譜,OFDM能夠提供較高的頻譜利用率和較高的信息傳輸速率。通過(guò)給不同的用戶分配不同的子載波,OFDMA提供了天然的多址方式,并且由于占用不同的子載波,用戶間滿足相互正交,沒(méi)有小區(qū)內(nèi)干擾(如圖1所示)。同時(shí),OFDMA可支持兩種子載波分配模式:分布式和集中式。在子載波分布式分配的模式中,可以利用不同子載波的頻率選擇性衰落的獨(dú)立性而獲得分集增益。
此外,因?yàn)镺FDMA已成為下行鏈路的主流方案,上行鏈路如也采用OFDMA,LTE的上下行鏈路將具有最大的一致性,可以簡(jiǎn)化終端的設(shè)計(jì)。
一個(gè)分配了M個(gè)子載波的用戶的傳輸信號(hào)可表示為:D =[d 0,d 1……d M-1]T,其中,T代表矩陣轉(zhuǎn)置,di是調(diào)制信號(hào)。
經(jīng)過(guò)快速傅立葉反變換(IFFT)調(diào)制后,信號(hào)向量S =F N* T N,M D,其中TN,M代表子載波分配的映射矩陣,其元素是表達(dá)子載波的分布式或者集中式分配。F*N是N點(diǎn)IFFT矩陣,*代表共軛轉(zhuǎn)置,并且FN=[f 1T,f 2T……f NT]T,192x31
經(jīng)過(guò)衰落信道和快速傅立葉變換(FFT)信號(hào)處理后,頻域的接收信號(hào)可以作如下表達(dá):R=HTN,M D+n,其中H=diag(Hk),Hk是第k個(gè)子載波上的頻域響應(yīng);n是高斯噪聲向量;R=[r(0),r ⑴ ……r (N-1)]T,r (k)是第k個(gè)子載波上的接收信號(hào)。
由于OFDM的時(shí)域信號(hào)是若干平行隨機(jī)信號(hào)之和,因而容易導(dǎo)致高PAPR。基站端的功率限制相對(duì)較弱,并且可以采用較為昂貴的功率放大器,所以在下行鏈路中,高PAPR不會(huì)帶來(lái)太大的問(wèn)題。然而,在上行鏈路中,由于用戶終端的功率放大器要求低成本,并且電池的容量有限,因而高PAPR會(huì)將降低UE的功率利用率,減小上行的有效覆蓋。為避免OFDM的上述缺點(diǎn),必須降低PAPR。
降低OFDM的PAPR的技術(shù)有很多,比如選擇性映射、削波和濾波等等。文獻(xiàn)[6]中證明了通過(guò)削波和濾波,可以將PAPR降低到6 dB以下時(shí),同時(shí)對(duì)OFDM的性能影響很小,而且?guī)?lái)的復(fù)雜度增加也是可以接受的。因此,本文將主要研究不同多址方案的鏈路級(jí)性能的比較。
OFDMA原理OFDMA原理
在OFDM中,采用快速傅立葉變換(FFT)將可用帶寬分成數(shù)學(xué)上正交的許多小帶寬。而頻帶的重構(gòu)是由快速傅立葉反變換(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定義得很完善的算法,當(dāng)大小為2的整數(shù)倍時(shí),可被非常高效地實(shí)現(xiàn)。OFDM系統(tǒng)的典型FFT大小是512、1024和2048,而較小的 128和256也是可能的??芍С?、10和20 MHz帶寬。該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。即便整個(gè)可用帶寬改變了,較小的帶寬單元也可維持不變。例如:10MHz可分成1,024個(gè)小頻帶;而5MHz可分成512個(gè)小頻帶。這些典型大小為10 kHz的小頻帶被稱為子載波。

技術(shù)分類(lèi)編輯

OFDMA又分為子信道(Subchannel)OFDMA和跳頻OFDMA。

子信道OFDMA

子信道OFDMA將整個(gè)OFDM系統(tǒng)的帶寬分成若干子信道,每個(gè)子信道包括若干子載波,分配給一個(gè)用戶(也可以一個(gè)用戶占用多個(gè)子信道)。 OFDM子載波可以按兩種方式組合成子信道:集中式和分布式,如下圖所示。
集中式和分布式集中式和分布式
  • 集中式將若干連續(xù)子載波分配給一個(gè)子信道(用戶),這種方式下系統(tǒng)可以通過(guò)頻域調(diào)度(Scheduling)選擇較優(yōu)的子信道(用戶)進(jìn)行傳輸,從而獲得多用戶分集增益。另外,集中方式也可以降低信道估計(jì)的難度。但這種方式獲得的頻率分集增益較小,用戶平均性能略差。
  • 分布式系統(tǒng)將分配給一個(gè)子信道的子載波分散到整個(gè)帶寬,各子載波交替排列,從而獲得頻率分集增益。但這種方式下信道估計(jì)較為復(fù)雜,也無(wú)法采用頻域調(diào)度,抗頻偏能力也較差。
設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在上述兩種方式中靈活進(jìn)行選擇。
  • 當(dāng)信道估計(jì)準(zhǔn)確性較高如終端低速移動(dòng)時(shí),可以采用集中式分配,獲得多用戶分集增益。
  • 當(dāng)信道估計(jì)準(zhǔn)確性不高如終端快速移動(dòng)時(shí),可以采用分布式分配,獲得單用戶頻率分集增益。

跳頻OFDMA

子信道OFDMA對(duì)子信道(用戶)的子載波分配相對(duì)固定,即某個(gè)用戶在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)使用指定的子載波組(這個(gè)時(shí)長(zhǎng)由頻域調(diào)度的周期而定)。
這種OFDMA系統(tǒng)足以實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)的多址,但實(shí)現(xiàn)小區(qū)間多址卻有一定的問(wèn)題。因?yàn)槿绻餍^(qū)根據(jù)本小區(qū)的信道變化情況進(jìn)行調(diào)度,各小區(qū)使用的子載波資源難免沖突,隨之導(dǎo)致小區(qū)間干擾。如果要避免這樣的干擾,則需要在相鄰小區(qū)間進(jìn)行協(xié)調(diào)(聯(lián)合調(diào)度),但這種協(xié)調(diào)可能需要網(wǎng)絡(luò)層的信令交換的支持,對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響較大。
一種很好的選擇就是采用跳頻OFDMA。
在跳頻OFDMA系統(tǒng)中,分配給一個(gè)用戶的子載波資源快速變化,每個(gè)時(shí)隙,此用戶在所有子載波中抽取若干子載波使用,同一時(shí)隙中,各用戶選用不同的子載波組,如下圖所示。
用戶子載波用戶子載波
與基于頻域調(diào)度的子信道化不同,這種子載波的選擇通常不依賴信道條件而定,而是隨機(jī)抽取。在下一個(gè)時(shí)隙,無(wú)論信道是否發(fā)生變化,各用戶都跳到另一組子載波發(fā)送,但用戶使用的子載波仍不沖突。跳頻的周期可能比子信道OFDMA的調(diào)度周期短的多,最短可為OFDM符號(hào)長(zhǎng)度。這樣,在小區(qū)內(nèi)部,各用戶仍然正交,并可利用頻域分集增益。在小區(qū)之間不需進(jìn)行協(xié)調(diào),使用的子載波可能沖突,但快速跳頻機(jī)制可以將這些干擾在時(shí)域和頻域分散開(kāi)來(lái),即可將干擾白化為噪聲,大大降低干擾的危害。在負(fù)載不是很重的系統(tǒng)中,跳頻OFDMA可以簡(jiǎn)單而有效地抑制小區(qū)間干擾。

可擴(kuò)展性編輯

因?yàn)?a target="_blank" style="color: rgb(19, 110, 194); text-decoration: none;">信道容量在不同國(guó)家會(huì)有所不同,802.16標(biāo)準(zhǔn)支持所有從1.25MHz到20MHz的不同信道容量。然而,通過(guò)改變以信道容量為基礎(chǔ)的FFT大小,或者由帶寬提供的更好信號(hào)質(zhì)量,可以確定子信道的間隔。
sOFDMA擴(kuò)展版本包含128 FFT、512 FFT和1024 FFT,它可以信道和帶寬為基礎(chǔ)改變它的FFT大小,因而就變成可擴(kuò)展的。換句話說(shuō),正在通過(guò)手機(jī)漫游的用戶,根據(jù)像信道大小這樣的因素,用戶可能接收到通過(guò)128 FFT或512 FFT處理的信號(hào)。
OFDM采用了先進(jìn)的多天線信號(hào)處理技術(shù)。多輸入多輸出(MIMO)和波束成形(通常指AAS)是兩種最常用的技術(shù)。
在MIMO中,系統(tǒng)接收來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào)會(huì)有很大差異。在室內(nèi)或建筑密集的都市,由于發(fā)射器和接收器之間存在許多反射和多徑,因而這種情況很普遍。在這種情況下,每個(gè)天線可以相同頻率發(fā)送另一個(gè)不同信號(hào),而在接收器端通過(guò)信號(hào)處理還可恢復(fù)該信號(hào)。理解這種特性的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是考慮一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、有N個(gè)方程和N個(gè)未知量的方程組,可借助熟知的矩陣求逆技術(shù)來(lái)求解該方程組。以這種方式重復(fù)利用頻率被稱為Re-use1,同一頻率在同一時(shí)間被用于不同信號(hào)。
OFDMA幀分配OFDMA幀分配
而波束成形則是一種發(fā)射技術(shù),它試圖在接收器內(nèi)為多個(gè)發(fā)射器形成一個(gè)一致架構(gòu)。這種技術(shù)可在接收器端得到很高的信噪比(SNR),另外,它還可提供更寬帶寬或以相同發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離。波束成形不是利用天線間的不同空氣接觸反射原理,而是對(duì)信號(hào)進(jìn)行修改以使其統(tǒng)一。因此,波束成形對(duì)頻率的重復(fù)利用與MIMO所用的方式不同。將頻率分成不同的頻段用于不同蜂窩單元被稱為Re-use 3。
在一些應(yīng)用中,可能結(jié)合MIMO和波束成形技術(shù),尤其是在4天線系統(tǒng)中。一個(gè)理想的系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)其特性進(jìn)行切換以便在不同模式運(yùn)作。不變子信道間隔的主要爭(zhēng)議在于,如果子信道間隔不是恒定的,一個(gè)正在移動(dòng)的物體的多普勒頻移會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。有關(guān)可擴(kuò)展性的更多信息可在IEEE 802.16 WirelessMAN中可擴(kuò)展OFDMA物理層一節(jié)中獲得。

使用缺點(diǎn)編輯

盡管OFDMA在其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中進(jìn)展良好,但是它也有一些缺陷,這些缺陷有如下幾方面:
⒈ OFDMA電子部分,包括FFT和前向糾錯(cuò)(FEC)是復(fù)雜的。與結(jié)合了數(shù)據(jù)包調(diào)度的OFDM相比,它也有功率不足的弱點(diǎn)。
⒉ 如果被分配到每個(gè)用戶的副載波很少,或者如果相同的載波被用于每個(gè)OFDM符號(hào)中,頻率選擇性衰落分集增益的優(yōu)勢(shì)可能至少有部分損失。
⒊ 處理來(lái)自鄰近單元的同信道干擾時(shí),OFDM要比CDMA更復(fù)雜。

技術(shù)演進(jìn)編輯

OFDMA是OFDM技術(shù)的演進(jìn)。在利用OFDM對(duì)信道進(jìn)行子載波化后,在部分子載波上加載傳輸數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。用戶可以選擇信道條件較好的子通道(subchannel)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,一組用戶可以同時(shí)接入到某一信道。

與CDMA的不同編輯

OFDMA技術(shù)與OFDM技術(shù)相比,用戶可以選擇條件較好的子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而不像OFDM技術(shù)在整個(gè)頻帶內(nèi)發(fā)送,從而保證了各個(gè)子載波都被對(duì)應(yīng)信道條件較優(yōu)的用戶使用,獲得了頻率上的分集增益。在OFDMA中,一組用戶可以同時(shí)接入到某一信道。OFDMA與CDMA不同處在于使用2048個(gè)子載波(subcarrier)來(lái)承載資料,其中的1680個(gè)用來(lái)傳送資料,與CDMA單一載波所承載單一資料比起來(lái),傳送資料速度更快。OFDMA另一優(yōu)點(diǎn)對(duì)抗多路徑的效應(yīng)。
目前是用OFDMA的無(wú)線通信技術(shù)有:IEEE 802.16
當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題有:峰均功率比(PAPR)問(wèn)題等。

不同涵義編輯

OFDM Optical Frequency Division Multiplexing 光頻分復(fù)用
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex 正交頻分復(fù)用
OFDMA Optical FDMA 光頻分多址
OFDMA 正交頻分多址接入

 


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