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OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation),多载波调制的一种。

OFDM技术由MCM(Multi-Carrier Modulation,多载波调制)发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一,它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

在通信系统中,信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的,为了能够充分利用信道的带宽,就可以采用频分复用的方法。

OFDM主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可以消除码间串扰,而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

OFDM技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

通常的数字调制都是在单个载波上进行,如PSK、QAM等。这种单载波的调制方法易发生码间干扰而增加误码率,而且在多径传播的环境中因受瑞利衰落的影响而会造成突发误码。若将高速率的串行数据转换为若干低速率数据流,每个低速数据流对应一个载波进行调制,组成一个多载波的同时调制的并行传输系统。这样将总的信号带宽划分为N个互不重叠的子通道(频带小于Δf),N个子通道进行正交频分多重调制,就可克服上述单载波串行数据系统的缺陷。

在向B3G/4G演进的过程中,OFDM是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了系统性能。包括以下类型:V-OFDM, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多带-OFDM。

OFDM中的各个载波是相互正交的,每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期,每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠,所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。

在OFDM传播过程中,高速信息数据流通过串并变换,分配到速率相对较低的若干子信道中传输,每个子信道中的符号周期相对增加,这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外,由于引入保护间隔,在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。

在过去的频分复用(FDM)系统中,整个带宽分成N个子频带,子频带之间不重叠,为了避免子频带间相互干扰,频带间通常加保护带宽,但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点,OFDM采用N个重叠的子频带,子频带间正交,因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。

OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换(FFT/IFFT)实现调制和解调。对于N点的IFFT运算,需要实施N^2次复数乘法,而采用常见的基于2的IFFT算法,其复数乘法仅为(N/2)log2N,可显著降低运算复杂度。

在OFDM系统的发射端加入保护间隔,主要是为了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀,以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。由于OFDM技术有较强的抗ISI能力以及高频谱效率,2001年开始应用于光通信中,相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。

20世纪70年代,韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用(OFDM)系统。

OFDM是一种特殊的多载波传输方案。OFDM应用DFT和其逆变换IDFT方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此OFDM技术开始走向实用。但是应用OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展。

近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率要求的日趋迫切,OFDM技术再次受到了重视。

在20世纪60年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年美国申请和发明了一个专利,其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖,用于抵制冲激噪声和多径失真,而能充分利用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。但在以后相当长的一段时间,OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。由于OFDM各个子载波之间相互正交,采用FFT实现这种调制,但在实际应用中,实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。在二十世纪80年代,MCM获得了突破性进展,大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍,一些其它难以实现的困难也都得到了解决,自此,OFDM走上了通信的舞台,逐步迈向高速数字移动通信的领域 [2]

80年代后,OFDM的调整技术再一次成为研究热点。例如,在有线信道的研究中,Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调整技术,试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。

进入90年代,OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带(SSB)信道进行高速数据通信,陆地移动通信,高速数字用户环路(HDSL),非对称数字用户环路(ADSL)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。

1999年,IEEE802.11a通过了一个SGHz的无线局域网标准,其中OFDM调制技术被采用为物理层标准,使得传输速率可以达54MbPs。这样,可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口,并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。

OFDM技术的应用已有近40年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统。但是OFDM系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。直到20世纪70年代,人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。80年代,人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入90年代以来,OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。

由于OFDM的频率利用率最高,又适用于FFT算法处理,近年来在多种系统得到成功的应用,在理论和技术上已经成熟。因此,3GPP/3GPP2成员多数推荐OFDM作为第四代移动通讯无线接入技术之一。

目前,OFDM技术在4G LTE技术中已得到使用,是LTE三大关键技术之一,预计在5G仍然作为主要的调制方式。

OFDM是一种多载波调制方式,通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落,其基本原理是将信号分割为N个子信号,然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠,因而可以得到较高的频谱效率。下图是OFDM基带信号处理原理图。其中,(a)是发射机工作原理,(b)是接收机工作原理。

当调制信号通过无线信道到达接收端时,由于信道多径效应带来的码间串扰的作用,子载波之间不再保持良好的正交状态,因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展,则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间,从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时,为减小ISI的影响,需要采用多级均衡器,这会遇到收敛和复杂性高等问题。

在发射端,首先对比特流进行QAM或QPSK调制,然后依次经过串并变换和IFFT变换,再将并行数据转化为串行数据,加上保护间隔(又称“循环前缀”),形成OFDM码元。在组帧时,须加入同步序列和信道估计序列,以便接收端进行突发检测、同步和信道估计,最后输出正交的基带信号。

当接收机检测到信号到达时,首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后,经过FFT变换,进行整数倍频偏估计和纠正,此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调,就可得到比特流。

FDM/FDMA(频分复用/多址)技术其实是传统的技术,将较宽的频带分成若干较窄的子带(子载波)进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰,不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔(图(a)所示),大大降低了频谱效率。因此,频谱效率更高的TDM/TDMA(时分复用/多址)和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。近几年由于数字调制技术FFT的发展,使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列,同时保持子载波之间的正交性(以避免子载波之间干扰)。如图(b)所示,部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率,因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。

在通信系统中,例如我们用手机打电话的时候,通话数据被采样后,会形成D0、D1、D2、D3、D4、D5……这样连续的数据流。

FDM就是把这个序列中的元素依次地调制到指定的频率后发送出去。

OFDM就是先把序列划分为D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……这样4个子序列(此处子序列个数仅为举例,不代表实际个数),然后将第一个子序列的元素依次调制到频率F1上并发送出去,第二个子序列的元素依次调制到频率F2上并发送出去,第三个子序列的元素依次调制到频率F3上并发送出去,第四个子序列的元素依次调制到频率F4上并发送出去。F1、F2、F3、F4这四个频率满足两两正交的关系,如下图所示。

在20世纪90年代,OFDM广泛用于各种数字传输和通信中,如移动无线FM信道,高比特率数字用户线系统(HDSL),不对称数字用户线系统(ADSL),甚高比特率数字用户线系统(HDSI),数字音频广播(DAB)系统,数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。

2001年,IEEE802.16通过了无线城域网标准,该标准根据使用频段的不同,具体可分为视距和非视距两种。其中,使用2~11GHz许可和免许可频段,由于在该频段波长较长,适合非视距传播,此时系统会存在较强的多径效应,而在免许可频段还存在干扰问题,所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制,多址方式为OFDMA。2006年2月,IEEE802.16e形成了最终的出版物,采用的调制方式仍然是OFDM。

2004年11月,根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求,3GPP通过被称为Long Term Evolution (LTE)即“3G长期演进”的立项工作。项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合,终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术,即下行OFDM,上行SC(单载波)FDMA。OFDM由于技术的成熟性,被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上,由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间,一些则认为可以通过滤波,削峰等方法限制峰均比。不过,经过讨论后,最后上行还是采用了SC-FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDM-OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目标,并希望在2010年予以实现。B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率,在室内和静止环境下支持高达IGb/S的下行数据传输速率。而OFDM技术也将扮演重要的角色 [3]

参数的设计

一个好的系统设计必须可以避免ISI和ICI,或者至少将他们抑制到可接受的程度。也就是说,要选择一个足够的CP以防止由频率选择性衰落而引起的ISI和ICI,同时要选择适当的OFDM符号长度,使信道冲激响应(CIR)至少在一个OFDM符号期间是不变的。

由于OFDM系统对频偏和相位噪声敏感,因此OFDM子载波宽度必须仔细选定,既不能太大也不能太小。因为OFDM符号周期和子载波带宽成反比,所以在一定的CP(Cycle Prefix 循环前缀)长度下,子载波宽度越小,则符号周期越大,频谱效率也越高(因为每个OFDM符号前都要插入一个CP,CP是系统开销,不传输有效数据)。但如果子载波宽度过小,则对频偏过于敏感,难以支持高速移动的终端。

CP长度的选择与无线信道的时延扩展和小区的半径大小息息相关,时延扩展和小区半径越大,需要的CP也越长。另外,在宏分集(Macrodiversity)广播系统中,由于终端收到各基站同时发出的信号,为了避免由于传输延迟差造成的干扰,需要额外加长CP。

优化设计对OFDM系统来说是非常重要的,实际系统需要处理各种不同的环境(信道参数很不同)。一个解决问题的办法是根据最差的情况(宏小区高速移动用户)优化参数,另一个可选的方法是根据各种不同的环境(室内、室外、宏小区、微小区、微微小区等)优化参数,但这就需要设计高度灵活的收发信机。

信道估计和导频设计

OFDM系统的信道估计,从某种意义上讲,比单载波复杂。需要考虑在获得较高性能的同时尽可能减小开销。因此导频插入的方式(时分复用还是频分复用)及导频的密度都需要认真考虑。

(1)导频插入方式

方式a:TDM插入方式。导频在所有子载波上发送,时域的最小单元是一个包含导频信息的OFDM符号,系统每隔若干个数据符号传送一个导频符号。这种插入方式适用于时域变化小的信道,如室内环境。

方式b:FDM插入方式。导频信息在时域上持续发送,在频域上只占用少数特定的预留子载波,每隔若干子载波发送一个导频子载波。这种插入方式对移动性的支持较好,但需要在频域上进行内插。

方式c:离散插入方式。这种插入方式是FDM和TDM方式的结合。在频域上,每隔若干子载波插入一个导频子载波。在时域上,每隔若干个符号插入一个导频符号。这种插入方式可以充分利用频域和时域上的相关性,用尽可能小的导频开销,支持高精度的信道估计,但这种方法需要同时在频域和时域上做内插。

不同的导频插入方式适用于不同的用途(如同步、相位噪声补偿、信道估计等),例如,采用专用的导频子载波(即FDM插入方式)适合用于相位补偿和载频的微调;采用专用的导频符号(即TDM插入方式)适合用于信道估计和时域/频域的粗同步; 而离散的导频插入可同时用于信道估计和载频偏移的微调,从而有效地减少导频的开销。具体采用哪种插入方式,还要根据系统的实际需求选择。

链路自适应

由于可以在频域划分空口资源,AMC(自适应调制和编码)和功率控制技术在OFDM系统中更容易使用。系统可以对某个子载波或子载波组独立做AMC和功控,不同的子载波(组)可以采用不同的调制编码速率和发射功率,大大增加AMC和功控的灵活性。

另外可以根据信道的频率响应进行频域调度,选用信道质量较高的子载波(组)进行传输。链路自适应如果设计的好,可以最大限度地实现OFDM系统的容量。

控制信息的分布

OFDM控制信道插入方式

如何在时域和频域插入控制信道,还是比较自由的。图给出了一种控制信道插入方式。由于控制信息通常以最低的调制阶数进行调制,因此控制信息还可以作为额外的导频符号来提高信道估计的性能,并降低导频的开销。尤其是对高阶调制的数据的解调可以起到较大的辅助作用。不过这样一来,控制信息的位置必须与导频位置相对应,如果采用分散的导频插入方式,控制信道也应采用分散的插入方式。另外,这种方法要求先解调/解码控制信道,再开始数据的解调,因此增加了额外的处理时延。

上行同步

在上行OFDM系统中,由于要保持各用户之间的正交性,需要使多个用户的信号在基站“同步接收”,即各用户的信号需要同时到达基站,误差在CP之内。由于各用户距基站的距离不同,需要对各终端的发射时钟进行调整,距离较远的终端较早发送,距离较近的终端较晚发送,这种操作称为“上行同步”或“时钟控制”。

多小区多址和干扰抑制

OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性,但无法实现自然的小区间多址(CDMA则很容易实现)。如果不采取任何额外设计,系统将面临严重的小区间干扰(某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。可能的解决方案包括:跳频OFDMA、加扰、小区间频域协调、干扰消除等。

CDMA与OFDM之技术比较

频谱利用率、支持高速率多媒体服务、系统容量、抗多径信道干扰等因素是如今大多数固定宽带无线接入设备商在选择CDMA(码分多址)或OFDM作为点到多点(PMP)的关键技术时的主要出发点。而这两种技术在这些方面都各有所长,因此设备商需要根据实际情况权衡利弊,进行综合分析,从而做出最佳选择。

CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术。OFDM技术属于多载波调制技术,它的基本思想是将信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各个子载波并行传输。OFDM和CDMA技术各有利弊。CDMA具有众所周知的优点,而采用多种新技术的OFDM也表现出了良好的网络结构可扩展性、更高的频谱利用率、更灵活的调制方式和抗多径干扰能力。下面主要从调制技术、峰均功率比、抗窄带干扰能力等角度分析这两种技术在性能上的具体差异。

调制技术:无线系统中频谱效率可以通过采用16QAM、64QAM乃至更高阶的调制方式得到提高,而且一个好的通信系统应该在频谱效率和误码率之间获得最佳平衡。

在CDMA系统中,下行链路可支持多种调制,但每条链路的符号调制方式必须相同,而上行链路却不支持多种调制,这就使得CDMA系统丧失了一定的灵活性。并且,在这种非正交的链路中,采用高阶调制方式的用户必将会对采用低阶调制的用户产生很大的噪声干扰。

在OFDM系统中,每条链路都可以独立调制,因而该系统不论在上行还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性,例如,在信道好的条件下终端可以采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率,而在信道条件变差时可以选择QPSK调制等低阶调制来确保信噪比。这样,系统就可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。此外,虽然信道间干扰限制了某条特定链路的调制方式,但这一点可以通过网络频率规划和无线资源管理等手段来解决。

峰均功率比(PAPR):设备商们应该考虑的一个重要因素。因为PAPR过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高,这就意味着要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸,进而增加基站和用户设备的成本。

CDMA系统的PAPR一般在5~11dB,并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。当今已有很多技术可以降低CDMA的PAPR。

在OFDM系统中,由于信号包络的不恒定性,使得该系统对非线性很敏感。如果没有改善非线性敏感性的措施,OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统和手机等。

抗窄带干扰能力:CDMA的最大优势就表现在其抗窄带干扰能力方面。因为干扰只影响整个扩频信号的一小部分;而OFDM中窄带干扰也只影响其频段的一小部分,而且系统可以不使用受到干扰的部分频段,或者采用前向纠错和使用较低阶调制等手段来解决。

抗多径干扰能力:在无线信道中,多径传播效应造成接收信号相互重叠,产生信号波形间的相互干扰,使接收端判断错误。这会严重地影响信号传输的质量。

为了抵消这种信号自干扰,CDMA接收机采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源,RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等,试验证明,如果路径数超过7或8条,这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低,RAKE的接收性能下降就会很快。

OFDM技术与RAKE接收的思路不同,它是将待发送的信息码元通过串并变换,降低速率,从而增大码元周期,以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀(CP)作为保护间隔,大大减少甚至消除了码间干扰,并且保证了各信道间的正交性,从而大大减少了信道间干扰。当然,这样做也付出了带宽的代价,并带来了能量损失:CP越长,能量损失就越大。

功率控制技术:在CDMA系统中,功率控制技术是解决远近效应的重要方法,而且功率控制的有效性决定了网络的容量。相对来说功率控制不是OFDM系统的基本需求。OFDM系统引入功率控制的目的是最小化信道间干扰。

网络规划:由于CDMA本身的技术特性,CDMA系统的频率规划问题不很突出,但却面临着码的设计规划问题。OFDM系统网络规划的最基本目的是减少信道间的干扰。由于这种规划是基于频率分配的,设计者只要预留些频段就可以解决小区分裂的问题。

均衡技术:可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的ISI。在CDMA系统中,信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。由于扩频码自身良好的自相关性,使得在无线信道传输中的时延扩展可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过一个码片的长度,就可被RAKE接收端视为非相关的噪声,而不再需要均衡。

对OFDM系统,在一般的衰落环境下,均衡不是改善系统性能的有效方法,因为均衡的实质是补偿多径信道特性。而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性,因此该系统一般不必再作均衡

OFDM产生的过程

时分多路频分多路OFDM

时分多路-- 频分多路-- OFDM下面分析FDM系统相邻载波相互干扰大小的影响因素。

.. 一个时域中单独的宽度为Δt的矩形脉冲对应连续频谱:

.. 频谱不是离散谱线,而是一个连续的sin(x)/x抽样函数曲线。

Δt的变化使得对应频域的Δf也变化:

如果Δt趋向于0,对应的Δf趋向于无穷大;

这对应迪拉克脉冲,其频谱为一条直线,包含所有频率分量。

如果Δt趋向于无穷大,对应的Δf趋向于0;这对应时域中一条直

线,其频谱为零频处的一条谱线,表示DC分量。

二者之间存在以下的关系: Δf=1/ Δt

一个间隔为Tp,宽度为Δt的矩形脉冲序列也对应着频域的sin(x)/x形函数,但此时只有离散谱线,谱线间隔为fp=1/Tp,谱线幅度随sin(x)/x抽样函数包络变化。

周期矩形脉冲信号的频谱

不同τ值时周期矩形信号的频谱 (a) τ=T/5; (b) τ=T/10

不同T值时周期矩形信号的频谱 (a) T=5τ; (b) T=10 τ

矩形脉冲与正交性之间有什么关系?

载波信号都是正弦函数信号。

一个频率为fs=1/Ts的正弦波信号对应频谱为频域中位于频率fs和-fs的两条离散谱线。

这些正弦信号载波是通过幅度和频率变化来携带信息的(幅移键控和频移键控)。

与其他载波调制方式的比较

不同的无线载波调制方式有不同的特性。这些特性决定了在不同距离上传输不同数据量的能力。以下提及的载波调制方式已被运用到各种无线技术中, 正交频分复用与他们相比的区别分别为:

(一)固定频率

在一个特定的频段范围(通常非常窄)内传播信号的方式。通过此方式传输的信号通常要求高功率的信号发射器并且获得使用许可。如果遇到较强的干扰,信道内或者附近的固定频率发射器将受到影响。对于许可证的要求就是为了减少相邻的系统在使用相同的信道时产生的干扰。

(二)跳频扩频

使用被发射器和接收器都知晓的伪随机序列,在很多频率信道内快速跳变以发射无线电信号。FHSS有较强的抗干扰能力,一旦信号在某信道中受阻,它将迅速再下一跳中重新发送信号。

(三)直接序列扩频

在设备的特定的发射频率内以广播形式发射信号。用户数据在空间传送之前,先附加“扩频码”,实现扩频传输。接收器在解调制的过程中将干扰剔除。在去除扩频码、提取有效信号时,噪声信号同时剔除。

四)正交频分复用

同时在多个子载波频率上以广播形式发射信号。每个子载波的带宽都很窄,可以承载高速数据信号。OFDM适用于严酷的信道条件。由于OFDM具有较高的复杂度,有很多方式来抗干扰。对窄带干扰的抗干扰能力也不错,因为大量的正交的子载波和与DSSS相似的信道编码机制。

OFDM存在很多技术优点见如下,在3G、4G中被运用,作为通信方面其有很多优势:

(1) 在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到CDMA技术的进一步发展壮大的态势;

(2) OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以OFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信;

(3) 该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信;

(4) OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

(5) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中,单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

(6) 可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。

(7) 通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码,则可以使系统性能得到提高。

(8) OFDM技术抗窄带干扰性很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

(9) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法;

(10) 信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。 (baud 即 波特;1 Baud = log2M (bit/s) ,其中M是信号的编码级数)。

虽然OFDM有上述优点,但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势:

(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感

这是OFDM技术一个致命的缺点,整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格,任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性,引起ICI。同样,相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散,形成ICI。而单载波系统就没有这个问题,相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR,而不会引起互相之间的干扰。

(2)峰均比过大

OFDM信号由多个子载波信号组成,这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比,OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和,这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据,这些小信号可能同相,而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大,将会增加A/D和D/A的复杂性,而且会降低射频功率放大器的效率。同时,在发射端,放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值,这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。

(3)所需线性范围宽

由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大,对非线性放大更为敏感,故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。

虽然OFDM已成为新一代无线通信最有竞争力的技术,但这种技术也存在一些内在的局限和设计中必须注意的问题:

子载波的排列和分配

OFDM子载波可以按两种方式排列:集中式(Locolized)和分布式(Distributed)。

集中式即将若干连续子载波分配给一个用户,这种方式下系统可以通过频域调度选择较优的子载波组(用户)进行传输,从而获得多用户分集增益。集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小,用户平均性能略差。

分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽,从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂,也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。

PAPR问题

OFDM系统由于发送频域信号,峰平比(PAPR)较高,从而会增加了发射机功放的成本和耗电量,不利于在上行链路实现(终端成本和耗电量受到限制)。在未来的上行移动通信系统中,很可能将采用改进型的OFDM技术,如DFT-S(离散傅丽叶变换扩展)-OFDM或带有降PAPR技术(子载波保留、削波)的OFDM。

多小区多址和干扰抑制

OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性,但无法实现自然的小区间多址(CDMA则很容易实现)。

如果不采取任何额外设计,系统将面临严重的小区间干扰(WiMAX系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。可能的解决方案包括:跳频OFDMA、小区间频域协调、干扰消除等。

随着OFDM技术的发展,也出现了一系列改进的OFDM技术,以解决OFDM本身的一些问题。下面对最主要的几个技术进行介绍。首先,OFDM本身不具有多址能力,需要和其他的多址技术,如TDMA、CDMA、FDMA等结合实现多址,包括OFDMA(正交频分复用)、MC-CDMA、MC-DS(直接序列扩频)-CDMA、VSF-OFCDM(可变扩频因子正交频码分复用)等技术。DFT-S-OFDM(离散傅丽叶变换扩展OFDM)是一种为降低PAPR设计的OFDM改进技术。

子信道OFDMA

将OFDM和FDMA技术结合形成的OFDMA技术是最常见的OFDM多址技术,又分为子信道OFDMA和跳频OFDMA。子信道OFDMA即将整个OFDM系统的带宽分成若干子信道,每个子信道包括若干子载波,分配给一个用户(也可以一个用户占用多个子信道)。

跳频OFDMA

子信道OFDMA对子信道(用户)的子载波分配相对固定,即某个用户在相当长的时长内使用指定的子载波组(这个时长由频域调度的周期而定)。这种OFDMA系统足以实现小区内的多址,但实现小区间多址却有一定的问题。因为如果各小区根据本小区的信道变化情况进行调度,各小区使用的子载波资源难免冲突,随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰,则需要在相邻小区间进行协调(联合调度),但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持,对网络结构的影响较大。

另一种选择就是采用跳频OFDMA。在这种系统中,分配给一个用户的子载波资源快速变化,每个时隙,此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用,同一时隙中,各用户选用不同的子载波组(如图所示)。与基于频域调度的子信道化不同,这种子载波的选择通常不依赖信道条件而定,而是随机抽取。在下一个时隙,无论信道是否发生变化,各用户都跳到另一组子载波发送,但用户使用的子载波仍不冲突。跳频的周期可能比子信道OFDMA的调度周期短的多,最短可为OFDM符号长度。这样,在小区内部,各用户仍然正交,并可利用频域分集增益。在小区之间不需进行协调,使用的子载波可能冲突,但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来,即可将干扰白化为噪声,大大降低干扰的危害。随着各小区的负载的加重,冲突的子载波越来越多,这种“干扰噪声”也会积累,使信噪比降低,但在负载不是很重的系统中,跳频OFDMA可以简单而有效地抑制小区间干扰。

DFT-S-OFDM

DFT-S-OFDM是基于OFDM的一种改进技术。由于传统OFDM技术的PAPR较高,在上行链路用户便携或手持终端有一定困难。OFDM本身也可以采用一系列降低PAPR的附加技术,如子载波预留和削波等。另一种方法是在发射机的IFFT处理前对系统进行预扩展处理,其中最典型的就是用离散傅丽叶变换进行扩展,这就是DFT-S-OFDM技术。

如图所示,将每个用户所使用的子载波进行DFT处理,由时域转换到频域,然后将各用户的频域信号输入到IFFT模块,这样各用户的信号又一起被转换到时域并发送。经过这样的改进,我们发现每个用户的发送信号由频域信号(传统OFDM)又回到了时域信号(和单载波系统相同),这样PAPR就被大大降低了。由于在这个系统中,每个用户的发送信号波形类似于单载波,也有人将其看作一种单载波技术,虽然它是从OFDM技术演变而来的。

在接收机端,系统先通过IFFT将信号转换到频域,然后用频域均衡器对每个用户的信号进行均衡(在发射机端须插入CP以实现频域均衡),最后通过DFT解扩展恢复用户数据

下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求:用户速率在准静止(低速移动和固定)情况下达20Mbit/s,在高速移动情况下达2Mbit/s;量要达到第三代系统的5-10倍,传输质量相当于甚至优于第三代系统;条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统;具有不同速率间的自动切换能力,以保证通信质量;网络的每比特成本要比第三代低。 在功能方面主要有以下要求:支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等;实现与固定网或专用网的无缝化连接;能通过中间件支持和开通多种多样的IP业务;能提供用户定义的个性化服务;按服务级别收费。

由于信道传输特性不理想,各类无线和移动通信中普遍存在着符号间干扰(ISI)。通常采用自适应均衡器来加以克服,但是,在高速数字通信系统中,为了保证克服ISI,往往要求均衡器的抽头数很大,尤其是城市环境可能使得均衡器的抽头数达上百。这样,必然大大增加了均衡器的复杂程度,使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题,OFDM技术因其频谱利用率高和抗多径衰落性能好而被普遍看好,以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。近年来,由于DSP技术的飞速发展,OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术,引起了广泛关注。

OFDM技术的主要思想是:将指配的信道分成许多正交子信道,在每个子信道上进行窄带调制和传输,信号带宽小于信道的相关带宽。

与下一代移动通信系统有关的OFDM系统关键系统技术有:

OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统,主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。

时域和频域同步

前面已经提及,OFDM系统对定时和频率偏移敏感,特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时,时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字通信系统一样,同步分为捕获和跟踪两个阶段。

在下行链路中,基站向各个移动终端广播式发同步信号,所以,下行链路同步相对简单,较易实现。

在上行链路中,来自不同移动终端的信号必须同步到达基站,才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取,再由基站发回移动终端,以便让移动终端进行同步。具体实现时,同步将分为时域同步和频域同步,也可以时频域同时进行同步。

信道估计

在OFDM系统中,信道估计器的设计主要有两个问题:一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道,需要不断对信道进行跟踪,因此导频信息也必须不断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。

在实际设计中,导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的,因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

信道编码和交织

为了提高数字通信系统性能,信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误,可以采用信道编码;对于衰落信道中的突发错误,可以采用交织。实际应用中,通常同时采用信道编码和交织,进一步改善整个系统的性能。

在OFDM系统中,如果信道衰落不是太深,均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的,因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力,一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是,OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会,形成COFDM方式。编码可以采用各种码,如分组码、卷积码等,卷积码的效果要比分组码好。

降低峰均功率比

由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加,当这N个信号恰好均以峰值占相加时,OFDM信号也将产生最大峰值,该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低,但为了不失真地传输这些高峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)的OFDM信号,发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率极低,接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此,高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际误应用。为了解决这一问题,人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。

均衡

在一般的衰落环境下,OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰,而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性,因此在一般情况下,OFDM系统就不必再做均衡了。

在高度散射的信道中,信道记忆长度很长,CP的长度必须很长,才能够使ISI尽量不出现。但是,CP长度过长必然导致能量大量损失,尤其对子载波个数不是很大的系统。这时,可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小,即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。

高清数字电视广播

OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用,其中数字音频广播(DAB)标准是第一个正式使用OFDM的标准。另外,当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就包括OFDM技术,欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM(codedOFDM:编码OFDM)技术。它具有很高的频谱利用率,可以进一步提高抗干扰能力,满足电视系统的传输要求。选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播(DVB)的主要原因在于:OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。

因此不难看出,OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的DAB系统使用的OFDM调制技术其试验系统已在运行,很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动中接收无线广播的效果,用于DAB的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行,它将使OFDM接收机的价格大大降低,其市场前景非常看好。

无线局域网

HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术,媒体接入控制(MAC)层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术,最高速率达54Mbps,实际应用最低也能保持在20Mbps左右。另外,IEEE802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段,分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准,其最高数据传输速率提高到54Mbps。

技术的不断发展,引发了融合。一些4G及3.5G的关键技术,如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等,开始应用到无线局域网中,以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术,提高了传输速率,增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合,使传输速率成倍提高。另外,天线技术及传输技术,使得无线局域网的传输距离大大增加,可以达到几公里(并且能够保障100Mbps的传输速率)。

而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说,最高为54Mbps的数据传输速率还远远不够。为了进一步提升无线局域网的数据传输速率,实现有线与无线局域网的无缝结合,IEEE成立了IEEE802.11n工作小组,以制定一项新的高速无线局域网标准。IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上,最高速率可达600Mbps,成为802.11b/a/g之后的另一场重头戏。和以往的802.11标准不同,802.11n协议为双频工作模式(包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段)。这样802.11n保证了与以往的802.11a/b/g标准兼容。

宽带无线接入

OFDM技术适用于无线环境下的高速传输,不仅应用于无线局域网,还在宽带无线接入(BWA)中得到应用。IEEE802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作,它已经开发了一个2GHz~11GHzBWA的标准IEEE802.16a,物理层就采用了OFDM技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术,而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。

在BWA领域,一些公司开发的技术虽然都基于OFDM,但有各自的特色,形成一些专利技术,如Cisco和Iospan公司的VectorOFDM(VOFDM)、Wi-LAN公司的WidebandOFDM(WOFDM)、Flarion公司的flash-OFDM。其中,VOFDM由Cisco公司支持,WOFDM则由Wi-LAN公司提出,构成了基于两个组织的OFDM两大阵营:宽带无线Internet论坛(BWIF)和OFDM论坛,它们力图使自己的OFDM模式成为标准。其中由Wi-LAN公司倡导的OFDM论坛,有50多个成员,其中有如Breezecom、start-upBeamReach Networks和Nokia等参加,主要是协调提交到IEEE的OFDM提案。而宽带Internet论坛(BWIF)则是在Cisco倡导下,由IEEE工业标准技术组织IEEE-ISTO成立的,其主要目标是提供低成本宽带无线接入技术,号召采用基于VOFDM的标准作为解决方案。


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