OFDM在無線城域網的應用

2019-11-03 09:03:09

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

濟南通信公司章丘分公司數據中心張永

　　隨著新的通信業務和寬帶業務不斷發展，用戶對帶寬的需求不斷增加，各種高速率的寬帶接入也是迅速發展。目前寬帶用戶接入技術主要有數字數字用戶環路（ｘＤＳＬ）、光纖接入方式、同軸電纜（ＨＦＣ）和寬帶無線接入網等手段。其中，寬帶無線接入系統憑借其建設速度快、運營成本低、擴展能力強，靈活性高等特點，受到運營商的青睞并積極參與，寬帶固定無線接入系統將是未來幾年內通信市場發展的一個熱點。

　　寬帶無線接入技術的發展極為迅速,各種微波、無線通信領域的先進手段和方法不斷引入，一方面這些技術充分利用過去應用不是很多的頻率資源；另一方面它們融合了在其他通信領域成功應用的先進技術，如高階QAM調制、OFDM等，以實現更大的頻譜利用率、更豐富的業務接入能力、更靈活的帶寬分配方法。寬帶無線接入技術發展的趨勢包括：OFDM技術開始興起，多址方式不斷充實，調制方式向多狀態化發展，雙工方式都可選擇，同時支持電路交換與分組交換，帶寬動態分配、業務接口日趨豐富。

　　OFDM（正交頻分復用）是一種無線環境下的高速傳輸技術，適合在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中傳輸高速數據。它能有效對抗多徑效應，消除符號間干擾，對抗頻率選擇性衰落，而且信道利用率高。OFDM技術先后被歐洲數字音頻廣播（DAB）、歐洲數字視頻廣播（DVB）、HipERLAN和IEEE802.11無線局域網等系統采用。

　　IEEE802.16工作組負責寬帶無線標準的制訂工作，2003年1月29日IEEE通過了802.16a標準規范書，解決了2GHz～11GHz之間頻率范圍的寬帶無線問題。802.16a標準規范中明確定義了OFDM技術作為無線數據傳輸方式。

　　802.16a的發展歷程及技術特點

　　IEEE802.16工作組成立于1999年，其工作主要內容是制訂寬帶無線接入標準，包括空中接口及其相關功能標準。它由三個工作小組組成，每個小組分別負責不同的方面：IEEE802.16.1負責制定頻率為10GHz～60GHz的無線接口標準；IEEE802.16.2負責制定寬帶無線接入系統共存方面的標準；IEEE 802.16.3負責制定頻率范圍在2GHz～10GHz之間獲得頻率使用許可應用的無線接口標準。

　　IEEE802.16標準于2001年12月通過批準，802.16標準定義無線城域網單載波空中接口，即傳輸頻率10GHz～66GHz的單載波調制模式。由于工作波長較短，必須要求視距傳輸(LOS)，多徑衰落是可以忽略的，因此在該頻段的標準中規定仍然采用單載波調制方式。

　　IEEE802.16標準物理層不適合較低頻率的應用，其覆蓋范圍在可視距離之內。2003年1月29日，IEEE802.16標準有了修正草案IEEE802.16a，以解決較低頻率的無線連接問題。802.16a在2GHz～11Gz的頻帶上提供連接家庭、企業和無線局域網熱點的無線最后一公里寬帶接入。

　　802.16a規范是IEEE802.16規范的擴展，大大改進了非視距性能，是目前在出現樹木和建筑等障礙時最合適的技術?；究梢园惭b在住宅或建筑頂部，而不必安裝在山頂上的高塔上。

　　IEEE802.16a對特許和非特許頻段的通信作了明確規定，在特許頻段內可以使用單載波調制或正交頻分復用。在各種管理環境和部署環境確定的情況下，經營特許頻段業務的運營商就可以選用一種模式定制其解決方案。至于非特許頻譜采用哪一種模式尚無規范，但就IEEE802.16a標準而論，目前的修正草案規定用OFDM模式。在非特許頻譜通信時，無線城域網之間以及無線城域網與無線局域網等其他通信業務之間會產生干擾。作為解決這個問題的一個辦法，802.16a修正草案為非特許頻譜規定了動態頻率選擇，并支持有些用戶臺繞過基站與其他轉發數據的用戶臺通信的網狀結構，從而擴大了蜂窩覆蓋范圍，直接連接基站不能連接的用戶。

　　OFDM技術

　　OFDM是一種高效的數據傳輸方式，其基本思想是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM相對于一般的多載波傳輸的不同之處是它允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交，則可以從混疊的子子載波上分離出數據信號。由于OFDM允許子載波頻譜混跌，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調制方式。

　　OFDM技術在20世紀60年代中期被首次提出，但在之后相當長的一段時間，OFDM技術一直沒有形成大規模的應用。當時OFDM技術的發展遇到了很多似乎難于解決的問題。首先，OFDM要求各個子載波之間相互正交，盡管理論上發現采用快速傅立葉變換（FFT）可以很好地實現這種調制方式，但實際上，如此復雜的實時傅立葉變換設備在當時是根本無法完成的。此外，發射機和接收機振蕩器的穩定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素也都是OFDM技術實現的制約條件。

　　20世紀80年代以來，大規模集成電路技術的發展解決了FFT的實現問題，隨著DSP芯片技術的發展，格柵編碼（TrellisCode）技術、軟判決技術（SoftDecision）、信道自適應技術等的應用，OFDM技術開始從理論向實際應用轉化。OFDM技術憑借其固有的對時延擴展較強的抵抗力和較高的頻譜效率兩大優勢迅速成為研究的焦點并被多個國際規范采用，如歐洲的數字音頻廣播、數字視頻廣播和IEEE的無線局域網標準802.11a。

　　802.16a中的OFDM技術

　　IEEE802.16a標準規定在特許頻段，可以使用單載波調制或正交頻分復用，對于非特許頻段，必須使用正交頻分復用調制方式。

　　OFDM碼元由子載波構成，子載波的數目決定了FFT的點數，有三種類型的子載波：

　　數據子載波：用來數據傳輸。

　　導頻子載波：用于信道估計等。

　　空子載波：不用于傳輸，只用于保護頻帶和DC子載波。

　　802.16a標準中系統的帶寬取決于各個國家的具體規定，帶寬可以是1.75MHz的整數倍，或者6、10、15、20MHz等。另外，在IEEE802.16a中，對于保護時間與有效時間的比值，規定可以在1/4、1/8、1/16和1/32中選取，這樣在不同的多徑時延擴展環境下，可以選取不同的保護時間，在抵抗多徑衰落特性和高傳輸效率之間取得平衡。保護時間Tg最大達到6.4 μs，可以應用于室外環境。

　　表1給出了工作帶寬10MHz情況下256子載波OFDM中的參數。

　　在OFDMA方式中，FFT點數為2048，除去DC和保護子載波，剩下的為有效子載波。這些有效子載波分為多個子載波子集，每個子集稱為子信道（subchannel）。在下行鏈路（DL）中,一個子信道可能會對應不同的接收端，而在上行鏈路(UL)中，一個發送端可以占用一個或多個子信道。

　　上行和下行鏈路中導頻子載波和數據子載波的分配不同：在下行鏈路中，導頻子載波首先分配，剩下的為專門傳送數據的子載波。在上行鏈路中，有用的子載波先分為子信道，然后在每個子信道中各自分配導頻子載波。這樣，在下行鏈路中存在著公共的導頻子載波集，但在下行鏈路中，每個子信道包括它自己的導頻子載波集。這是必需的，因為在OFDMA中，基站(BS)下行鏈路對所有的用戶站(SS)進行廣播，但在上行鏈路中，每個子信道可能來自不同的SS。

　　有效子載波分為固定位置的導頻，不定位置的導頻及數據子信道。固定位置的導頻子載波的位置保持不變，它們的位置編號屬于基本固定導頻集。不定位置導頻在碼元中的位置每隔4個碼元變換一次。

　　在分配了導頻子信道后，剩下的有用的子載波是數據子載波。因為不定位置的導頻子載波在每個碼元中中的位置變化，每4個碼元重復一次，因此數據子載波的位置也相應發生變化。

　　結論

　　IEEE802.16a標準是針對無線城域網接入方式而提出的一種新的空中接口標準。這一標準采用了OFDM技術，大大改進了非視距性，增加了傳輸距離，降低了運營成本。近期芯片制造巨頭英特爾公司宣布將開發支持高速無線通信標準的IEEE802.16a芯片組，標志著這種新興的無線接入標準被主要廠商所接受。我們相信802.16a會展現寬帶無線通信新的前景。

　　
----《通信世界》