网站地图
OFDMA

正交频分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA):OFDMA是OFDM技术的演进,将OFDM和FDMA技术结合。在利用OFDM对信道进行子载波化后,在部分子载波上加载传输数据的传输技术。

OFDM是一种调制方式;OFDMA是一种多址接入技术,用户通过OFDMA共享频带资源,接入系统。

OFDMA又分为子信道(Subchannel)OFDMA和跳频OFDMA。

通用陆地无线接入(UTRAN)演进的目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统。演进的UTRA致力于建立一个上行速率达到50 Mbps、下行速率达到100 Mbps、频谱利用率为3G R6的3~4倍的高速率系统。为达到上述目标,多址方案的选择应该考虑在复杂度合理的情况下,提供更高的数据速率和频谱利用率。在上行链路中,由于终端功率和处理能力的限制,多址方案的设计更具挑战性,除了性能和复杂度,还需要考虑峰值平均功率比(PAPR)对功率效率的影响。

在3GPP LTE的标准化过程中,诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案,如多载波(MC)-WCDMA,MC-TD-SCDMA,正交频分多址接入(OFDMA),交织频分复用(IFDMA)和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用(DFT-S OFDM)。OFDMA已成为下行链路的主流多址方案,并且是上行链路的热门候选方案,其中,北电公司的方案支持频分双工(FDD)方式,信息产业部电信传输研究所的方案支持时分双工(TDD)方式。

由于正交频分复用(OFDM) 能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰落,可以获得很高的频谱利用率,OFDM非常适用于无线宽带信道下的高速传输。通过给不同的用户分配子载波,OFDMA提供了天然的多址方式。由于用户间信道衰落的独立性,可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能,达到服务质量(QoS)要求。然而,为了降低成本,在用户设备(UE)端通常使用低成本的功率放大器,OFDM中较高的PAPR将降低UE的功率利用率,降低上行链路的覆盖能力。由于单载波频分复用(SC-FDMA)具有的较低的PAPR,它被提议成为候选的多址方案。

目前,OFDMA已被广泛研究,并已成为3GPP LTE的下行链路的主流多址方案。然而,在上行链路的研究中,尽管SC-FDMA成为主流的多址方式,但OFDM和SC-FDMA之间的比较大多从PAPR的角度进行,而没有考虑两者的链路性能,更没有充分地考虑PAPR和性能的折衷。

OFDMA技术与OFDM技术相比,用户可以选择条件较好的子载波进行数据传输,而不像OFDM技术那样,一个用户在整个频带内发送,从而保证了子载波都被对应信道条件较优的用户使用,获得了频率上的分集增益。在OFDMA中,一组用户可以同时接入到某一子载波。

目前使用OFDMA的无线通信技术有:IEEE 802.16。

正交频分多址- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)是无线通讯系统的标准,是一种多址技术。WiMax,LTE,都支持OFDMA。

OFDMA 多址接入系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集,将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。OFDMA系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户,很容易实现系统资源的优化利用。由于不同用户占用互不重叠的子载波集,在理想同步情况下,系统无多户间干扰,即无多址干扰(MAI)。右图给出出了OFDMA系统的原理示意图。其中,灰色、白色以及深灰色时频栅格代表不同的子载波集,它们在频带上是互不重叠的,并分别分配给不同用户。OFDMA方案可以看作将总资源(时间、带宽)在频率上进行分割,实现多用户接入。

多径效应是目前无线系统面临的挑战之一。多径来自发射器和接收器间的反射,反射在不同时刻到达接收器。分离各反射的时间间隔被称为延迟扩展。当延迟扩展与发送的符号时间(Symbol Time)大致相等时,这种干扰有可能引发问题。典型的延迟扩展时长几微秒,与CDMA符号时间接近。OFDMA的符号时间大致在100微秒,因而多径现象的影响不太严重。为缓解多径效应,在每一符号后插入一个约10微秒、称为循环前缀的警戒边带。

为得到更高数据速率,OFDM系统必须比CDMA系统更有效地利用频宽。每单位赫兹的位数称为频谱效率。采用高阶调制是实现更高效率的方法之一。阶数是指每一子载波发送的位数。例如,在正交振幅调制(QAM)中,每载频发送2位。在16 QAM和64 QAM中,每个子载波分别发送4和6位。在4G系统,因预期会采用64 QAM,所以其频谱效率很高。OFDMA针对多用户通信进行了优化,尤其是蜂窝电话和其它移动设备。

它是针对蜂窝电话长期演进(LTE)的最合适调制方案。在这种演变的过程中, OFDMA的名称变为高速正交频分复用分组接入(HSOPA)。OFDMA的变量由WiMAX论坛选为调制方案,后来又根据IEEE针对IEEE 802.16-2004(固话)和802.12e(移动)WiMAX的标准进行了标准化。

与CDMA(码分多址接入)宽带CDMA及通用移动通信系统(UMTS)这类3G调制方案相比,它的好处在于具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能。对于低数据率用户,它只需要更低的发射功耗,具有恒定而不是随时间变化的更短延迟,以及避免冲突的更简洁方法。

OFDMA会把副载波的子集分配给各个用户。以关于信道状态的反馈为基础,系统能执行自适应用户到副载波的分配。只要这些副载波分配被迅速地执行,与OFDM相比,快速衰退、窄带同频干扰性能都得到了改进。反过来,这又改进了系统的频谱效率。

OFDMA将整个频带分割成许多子载波,将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道,从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱,OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波,OFDMA提供了天然的多址方式,并且由于占用不同的子载波,用户间满足相互正交,没有小区内干扰(如图1所示)。同时,OFDMA可支持两种子载波分配模式:分布式和集中式。在子载波分布式分配的模式中,可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性而获得分集增益。

此外,因为OFDMA已成为下行链路的主流方案,上行链路如也采用OFDMA,LTE的上下行链路将具有最大的一致性,可以简化终端的设计。

一个分配了M个子载波的用户的传输信号可表示为:D =[d 0,d 1……d M-1]T,其中,T代表矩阵转置,di是调制信号。

经过快速傅立叶反变换(IFFT)调制后,信号向量S =F N* T N,M D,其中TN,M代表子载波分配的映射矩阵,其元素是表达子载波的分布式或者集中式分配。F*N是N点IFFT矩阵,*代表共轭转置,并且FN=[f 1T,f 2T……f NT]T

经过衰落信道和快速傅立叶变换(FFT)信号处理后,频域的接收信号可以作如下表达:R=HTN,M D+n,其中H=diag(Hk),Hk是第k个子载波上的频域响应;n是高斯噪声向量;R=[r(0),r ⑴ ……r (N-1)]T,r (k)是第k个子载波上的接收信号。

由于OFDM的时域信号是若干平行随机信号之和,因而容易导致高PAPR。基站端的功率限制相对较弱,并且可以采用较为昂贵的功率放大器,所以在下行链路中,高PAPR不会带来太大的问题。然而,在上行链路中,由于用户终端的功率放大器要求低成本,并且电池的容量有限,因而高PAPR会将降低UE的功率利用率,减小上行的有效覆盖。为避免OFDM的上述缺点,必须降低PAPR。

降低OFDM的PAPR的技术有很多,比如选择性映射、削波和滤波等等。文献[6]中证明了通过削波和滤波,可以将PAPR降低到6 dB以下时,同时对OFDM的性能影响很小,而且带来的复杂度增加也是可以接受的。因此,本文将主要研究不同多址方案的链路级性能的比较。在OFDM中,采用快速傅立叶变换(FFT)将可用带宽分成数学上正交的许多小带宽。而频带的重构是由快速傅立叶反变换(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定义得很完善的算法,当大小为2的整数倍时,可被非常高效地实现。OFDM系统的典型FFT大小是512、1024和2048,而较小的 128和256也是可能的。可支持5、10和20 MHz带宽。该技术的一个优异特性是易于改用其它带宽。即便整个可用带宽改变了,较小的带宽单元也可维持不变。例如:10MHz可分成1,024个小频带;而5MHz可分成512个小频带。这些典型大小为10 kHz的小频带被称为子载波。

OFDMA又分为子信道(Subchannel)OFDMA和跳频OFDMA。

子信道OFDMA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)。 OFDM子载波可以按两种方式组合成子信道:集中式和分布式,如下图所示。

集中式将若干连续子载波分配给一个子信道(用户),这种方式下系统可以通过频域调度(Scheduling)选择较优的子信道(用户)进行传输,从而获得多用户分集增益。另外,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子信道的子载波分散到整个带宽,各子载波交替排列,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,抗频偏能力也较差。

设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。

当信道估计准确性较高如终端低速移动时,可以采用集中式分配,获得多用户分集增益。

当信道估计准确性不高如终端快速移动时,可以采用分布式分配,获得单用户频率分集增益。

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。

一种很好的选择就是采用跳频OFDMA。

在跳频OFDMA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,如下图所示。

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。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。

因为信道容量在不同国家会有所不同,802.16标准支持所有从1.25MHz到20MHz的不同信道容量。然而,通过改变以信道容量为基础的FFT大小,或者由带宽提供的更好信号质量,可以确定子信道的间隔。

sOFDMA扩展版本包含128 FFT、512 FFT和1024 FFT,它可以信道和带宽为基础改变它的FFT大小,因而就变成可扩展的。换句话说,正在通过手机漫游的用户,根据像信道大小这样的因素,用户可能接收到通过128 FFT或512 FFT处理的信号。

OFDM采用了先进的多天线信号处理技术。多输入多输出(MIMO)和波束成形(通常指AAS)是两种最常用的技术。

在MIMO中,系统接收来自不同发射天线的信号会有很大差异。在室内或建筑密集的都市,由于发射器和接收器之间存在许多反射和多径,因而这种情况很普遍。在这种情况下,每个天线可以相同频率发送另一个不同信号,而在接收器端通过信号处理还可恢复该信号。理解这种特性的一个简单方法是考虑一个标准的、有N个方程和N个未知量的方程组,可借助熟知的矩阵求逆技术来求解该方程组。以这种方式重复利用频率被称为Re-use1,同一频率在同一时间被用于不同信号。而波束成形则是一种发射技术,它试图在接收器内为多个发射器形成一个一致架构。这种技术可在接收器端得到很高的信噪比(SNR),另外,它还可提供更宽带宽或以相同发射功率实现更远距离。波束成形不是利用天线间的不同空气接触反射原理,而是对信号进行修改以使其统一。因此,波束成形对频率的重复利用与MIMO所用的方式不同。将频率分成不同的频段用于不同蜂窝单元被称为Re-use 3。

在一些应用中,可能结合MIMO和波束成形技术,尤其是在4天线系统中。一个理想的系统应根据其特性进行切换以便在不同模式运作。不变子信道间隔的主要争议在于,如果子信道间隔不是恒定的,一个正在移动的物体的多普勒频移会影响信号质量。有关可扩展性的更多信息可在IEEE 802.16 WirelessMAN中可扩展OFDMA物理层一节中获得。

尽管OFDMA在其实现过程中进展良好,但是它也有一些缺陷,这些缺陷有如下几方面:

⒈ OFDMA电子部分,包括FFT和前向纠错(FEC)是复杂的。与结合了数据包调度的OFDM相比,它也有功率不足的弱点。

⒉ 如果被分配到每个用户的副载波很少,或者如果相同的载波被用于每个OFDM符号中,频率选择性衰落和分集增益的优势可能至少有部分损失。

⒊ 处理来自邻近单元的同信道干扰时,OFDM要比CDMA更复杂。

OFDMA是OFDM技术的演进。在利用OFDM对信道进行子载波化后,在部分子载波上加载传输数据的传输技术。用户可以选择信道条件较好的子通道(subchannel)进行数据传输,一组用户可以同时接入到某一信道。

OFDMA技术与OFDM技术相比,用户可以选择条件较好的子信道进行数据传输,而不像OFDM技术在整个频带内发送,从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用,获得了频率上的分集增益。在OFDMA中,一组用户可以同时接入到某一信道。OFDMA与CDMA不同处在于使用2048个子载波(subcarrier)来承载资料,其中的1680个用来传送资料,与CDMA单一载波所承载单一资料比起来,传送资料速度更快。OFDMA另一优点对抗多路径的效应。

目前是用OFDMA的无线通信技术有:IEEE 802.16。

当前面临的主要问题有:峰均功率比(PAPR)问题等。

OFDM Optical Frequency Division Multiplexing 光频分复用

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex 正交频分复用

OFDMA Optical FDMA 光频分多址

OFDMA 正交频分多址接入


相关文章推荐:
OFDM | FDMA | UTRA | 数据速率 | 频谱利用率 | PAPR | 3GPP | LTE | 诺基亚 | TDD | OFDM | 分集增益 | SC-FDMA | IEEE 802.16 | 多径效应 | QAM | WiMAX | CDMA | UMTS | FFT | 信道容量 | SNR | 波束 | 前向纠错 | 频率选择性衰落 | 分集增益 | OFDM | 802.16 |
相关词汇词典