無線OFDM技術

2019-11-03 09:28:50

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供稿：網(wǎng)友

黎海濤張靖　　摘要本文首先介紹了正交頻分復用技術（OFDM）的原理、技術優(yōu)點，它在無線局域網(wǎng)中的應用特點。然后分析了在寬帶無線接入技術中，三種基于OFDM的高速無線傳輸技術：VOFDM、WOFDM和Flash-OFDM的性能特點，最后展望了OFDM在未來移動通信系統(tǒng)中的應用。

　　關鍵詞 OFDM 無線LAN 寬帶無線接入

1 引言

　　正交頻分復用（OFDM）技術的應用始于20世紀60年代，主要用在軍事通信中，但因其結(jié)構(gòu)復雜限制了進一步推廣。70年代，人們提出采用離散傅氏變換實現(xiàn)多載波調(diào)制，使OFDM技術開始走向?qū)嵱没ｋS著數(shù)字信號處理技術和高速器件的發(fā)展，OFDM在ADSL、VDSL、DVB、DAB和HDTV等系統(tǒng)中得到成功應用。進入90年代以來，對OFDM技術的研究深入到無線信道的寬帶傳輸。

　　無線信道的一個重要特點是多徑傳播，它使接收信號相互重疊，產(chǎn)生符號間干擾(ISI)。當傳輸速率較高時，信號持續(xù)時間越短，相應帶寬越寬，若信號帶寬超過信道相干帶寬時，信道時間彌散特性將對接收信號產(chǎn)生頻率選擇性衰落。為解決這個問題，人們提出了多載波調(diào)制（MCM）技術。它把高速率數(shù)據(jù)流分成多個低傳輸比特速率的數(shù)據(jù)流，用并行數(shù)據(jù)流去調(diào)制多個載波。多載波調(diào)制的方式有多音道（Multitone）、OFDM、MC-CDMA等。傳統(tǒng)的并行多載波系統(tǒng)把整個帶寬分割后被送到子信道中，頻帶沒有重疊，其頻譜利用率很低。

　　OFDM在頻域把信道分成許多正交子信道，各子信道的載波間保持正交，頻譜相互重疊，這樣減小了子信道間干擾，提高了頻譜利用率。同時在每個子信道上信號帶寬小于信道帶寬，故雖整個信道是非平坦的頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，大大減小了符號間干擾。OFDM適用于多徑環(huán)境和頻率選擇性衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。由于OFDM具有抗多徑能力強、頻譜利用率高的優(yōu)點，因此受到廣泛關注。人們不但認為在寬帶無線接入領域采用OFDM是發(fā)展的趨勢，而且它將成為未來移動通信系統(tǒng)的關鍵技術。

2 OFDM在無線LAN中的應用

　　在新一代WLAN技術標準，美國的IEEE 802.11a和歐洲ETSI的HiperLAN/2中，均采用了OFDM技術。IEEE 802.11a工作在5GHz 頻帶，采用OFDM調(diào)制技術，速率可達54Mbit/s。HiperLAN/2物理層應用了OFDM和鏈路自適應技術，媒體接入控制（MAC）層采用面向連接、集中資源控制的TDMA/TDD 方式和無線ATM技術，最高速率達54Mbit/s，實際應用最低也能保持在20Mbit/s左右。

　　可以看出，基帶信息比特流經(jīng)過編碼、調(diào)制、串并變換分成N個支路，即把數(shù)據(jù)流分別送到N個子信道上，對各子信道數(shù)據(jù)分別進行正交調(diào)制后，經(jīng)射頻放大再發(fā)送。為徹底消除ISI，在符號間插入保護時間，OFDM中一般是插入循環(huán)前綴（CP），CP長度大于信道最大時延。接收端刪除CP，用FFT對各個子信道信息流解調(diào)，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流后，再解調(diào)譯碼恢復信號。除了CP外，還需要發(fā)送訓練序列對信道進行估計，系統(tǒng)同步、功率控制等前導序列，典型的OFDM WLAN物理突發(fā)結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作在5GHz頻段的無線LAN系統(tǒng)通過使用不同的調(diào)制和編碼技術支持可變速率。目前，采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM可支持6~54Mbit/s的傳輸速率。

3 寬帶無線接入中的OFDM

　　OFDM是適用于無線環(huán)境下的高速傳輸技術，除了無線局域網(wǎng)標準（IEEE 802.11a、HiperLAN/2等）外，還在寬帶無線接入（BWA）中得到應用，所謂寬帶（Broadband）是指速率高于10Mbit/s 的傳輸系統(tǒng)，寬帶無線接入系統(tǒng)是針對微波及毫米波段中新的空中接口標準，它具有速率高、抗干擾性強等特點，能支持無線多媒體通信，適用于商務大樓、熱點地區(qū)及家庭用戶的寬帶接入。IEEE 802.16工作組專門負責BWA方面的技術工作，它已經(jīng)開發(fā)了一個2~11GHz BWA的標準IEEE802.16a，物理層采用了OFDM技術。該標準不僅是新一代的無線接入技術，而且對未來蜂窩移動通信的發(fā)展也具有重要意義。

　　在BWA領域，一些公司開發(fā)的技術雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM (VOFDM)，Wi- LAN公司的 Wideband OFDM (WOFDM) ，F(xiàn)larion公司的 flash-OFDM。VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM則由Wi-LAN公司提出，構(gòu)成了OFDM的兩大陣營：寬帶無線Internet論壇（BWIF）和OFDM論壇，它們力圖使自己的OFDM模式成為標準。由Wi-LAN公司倡導的OFDM論壇，有50多個成員，一些公司，如Breezecom, start-up BeamReach Networks 和 Nokia參加，OFDM論壇主要是協(xié)調(diào)提交到IEEE的OFDM提案。在Cisco倡導下，IEEE 工業(yè)標準技術組織IEEE-ISTO成立了寬帶Internet論壇(BWIF)，提供低成本寬帶無線接入技術，號召采用基于VOFDM的標準作為解決方案。

（1） VOFDM

　　VOFDM技術通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實現(xiàn)空間分集，提高了信號質(zhì)量，是聯(lián)合OFDM和空時處理而得到的一種新技術。它利用了時間、頻率和空間三種分集技術，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。

　　VOFDM實現(xiàn)主要包括以下功能模塊：①OFDM，可編程控制的系統(tǒng)數(shù)據(jù)率和時延擴展容限；②信道估計，采用突發(fā)模式的訓練序列；③同步，魯棒的系統(tǒng)定時和頻率恢復；④空域處理，用作干擾刪除和發(fā)送、接收分集；⑤編碼，采用級連的卷積碼和Reed-Solomon碼。

　　把OFDM和智能天線相結(jié)合的技術除了VOFDM外，還有美國Iospan公司開發(fā)的MIMO OFDM技術。Iospan的技術基于Stanford大學A. Paulraj教授領導的研究小組在多輸入多輸出（MIMO），即空時信號處理方面的研究工作。MIMO是該項技術的核心，它能大大提高頻譜利用率和業(yè)務覆蓋范圍，系統(tǒng)具有可伸縮性和能保證QoS。Iospan的無線接入技術能在非視距（NLOS）傳播環(huán)境下很好工作。業(yè)界廣泛的共識是在下一代BWA系統(tǒng)中使用多天線技術，多天線技術能在有地形障礙，如樹、建筑物等條件下，提供可靠的高速寬帶業(yè)務。

（2） WOFDM

　　Wi-LAN公司發(fā)明的寬帶OFDM是IEEE 802.11a的基礎，同時它也提出了IEEE802.16標準。WOFDM通過擴頻和前向糾錯碼，如R-S碼降低了惡劣信道的影響，它把信道估計與Reed-Solomon算法配合使用，使糾錯能力增加一倍。系統(tǒng)在接收信號強度為-75dBm時誤比特率（BER）能達到10-6。為降低信號的峰值—平均電平比，WOFDM采用了隨機相位的信號白化技術，通過對每個WOFDM符號乘以一個收發(fā)端已知的復向量，該向量具有單位幅度和相位。與無此操作的WOFDM符號相比，使發(fā)射信號變化變小，所以信號“白化”降低了信號動態(tài)范圍，使系統(tǒng)對射頻功率放大器線性度要求降低。利用直接序列擴頻(DSSS)技術解決了載波信號恢復中的時鐘同步問題，DSSS是一種連續(xù)的包絡調(diào)制機制，它提供了一種不用預先設定自動增益控制和自動頻率控制而能獲取同步信號的方法，是一種非常簡單且穩(wěn)定的解決方案。WOFDM頻譜利用率高，用16QAM調(diào)制的商用WOFDM系統(tǒng)目前可到3.2bit/s/Hz的頻譜利用率。

　　WOFDM最初推出的ASIC芯片數(shù)據(jù)速率為32Mbit/s，調(diào)制方式為16QAM。如果把速率升至45Mbit/s，只需改變DSP中的軟件，選擇64QAM的調(diào)制方式即可，無需改變硬件。WOFDM目前已用作點對點、點對多點的無線接入解決方案。

（3） flash-OFDM

　　flash-OFDM是1998年由Bell實驗室發(fā)明，后由朗訊科技下設的Flarion公司推出商用化產(chǎn)品。相對VOFDM、WOFDM而言，它的特點是能在移動環(huán)境下工作，是一種移動寬帶接入Internet解決方案。

　　flash-OFDM采用FDD雙工方式，工作頻段從220MHz～3.5GHz之間。上下行鏈路是數(shù)百個子信道組成的寬帶載波（擴頻的OFDM），傳輸數(shù)據(jù)時給每個用戶分配子信道。每個子信道采用了自適應調(diào)制和先進的編碼技術，其頻譜利用率比CDMA 2000系統(tǒng)高3倍。flash-OFDM利用快速跳頻技術把信號擴頻，具有頻率分集能力，減小了同一小區(qū)內(nèi)的用戶間干擾，它同時具有OFDM和跳頻擴頻技術的優(yōu)點。除了跳頻外，為解決小區(qū)間干擾，采用了功率控制，用戶只發(fā)射能有效通信的功率。空中接口采用分組業(yè)務，支持全IP通信。 Flash-OFDM的MAC層不但增強了空中接口的性能，而且支持全IP網(wǎng)絡接口。它的功能包括把IP包分割/重組成數(shù)百個比特的OFDM塊；采用ARQ大大降低話音的時延；提供豐富的IP QoS應用接口等。

　　網(wǎng)絡層提供MAC層和骨干網(wǎng)的接口，它的功能包括IP會話管理；管理多種工作模式，如flash-OFDM/802.11，flash-OFDM/Bluetooth雙模；基站、移動臺和用戶的授權(quán)、認證；與AAA系統(tǒng)的接口；路由管理；數(shù)據(jù)加密等。

　　移動層功能包括IP地址分配、切換管理、基站間通信等。系統(tǒng)對移動性支持的關鍵是當用戶從一個BS移動到另一個BS時，能跟隨用戶，同時保持數(shù)據(jù)連接和IP地址。它的移動管理能力解決方案基于移動IP和漫游時支持切換，切換過程能保證沒有分組丟棄。

　　從全IP的觀點看，flash-OFDM代表了理想的空中鏈路，支持移動性和基于QoS的業(yè)務。物理層和MAC層為移動寬帶數(shù)據(jù)特殊設計，基站控制信道的分配，以一定的優(yōu)先級傳送不同業(yè)務，如基于IP的話音、視頻會議等。空中鏈路使用戶數(shù)據(jù)率和頻譜利用率高。它是基于IP的分布式網(wǎng)絡，支持實時的交互式業(yè)務和端到端的IP連接，能滿足業(yè)務提供商和運營商的需要, 易于部署和網(wǎng)絡演進。

4 結(jié)束語

　　為滿足未來無線多媒體通信需求，人們在加緊實現(xiàn)3G系統(tǒng)商業(yè)化的同時，開始了后3G(Beyond 3G)的研究。從技術方面看，3G主要以CDMA為核心技術，而未來移動通信系統(tǒng)技術則以OFDM最受矚目。在寬帶接入系統(tǒng)中，OFDM是一項基本技術。由于該系統(tǒng)良好的特性，將成為下一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡的無線接入技術。許多大學、著名公司已充分認識到OFDM技術的應用前景。紛紛開展了對無線OFDM的研究工作，除了解決OFDM的同步、峰平比高等傳統(tǒng)難題外，還包括OFDM與空時碼、聯(lián)合發(fā)送、聯(lián)合檢測、智能天線、動態(tài)分組分配等相結(jié)合的研究工作。目前一些研究結(jié)果表明，它們能提高無線OFDM系統(tǒng)的性能，將形成未來OFDM系統(tǒng)的核心技術。對這些方面的研究是當前一個非常活躍的研究領域，有許多課題需要我們做進一步的深入研究。

摘自《電信科學》

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