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OFDM技术在无线接入中的应用

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[LV.200]无线新星

发表于 2006-6-8 10:38

本文专题：<a title="《2006年6月专题索引——OFDM与MIMO技术》
作者：tange
发表于：2006-6-7 10:48:54
最后发贴：本期资料较多，..." href="http://forum.anywlan.com/dispbbs.asp?boardID=2&ID=2418&page=1" target="_blank">2006年6月专题索引——OFDM与MIMO技术</a>
Application of OFDM in Wireless Access 党梅梅/DANG Mei-mei 摘要：文章首先介绍了OFDM的关键实现技术，然后结合不同无线通信环境的特点，对OFDM在无线局域网和固定无线接入中的应用进行了分析。 关键词：正交频分复用；时延扩展；无线局域网；固定无线接入 Abstract:The key technologies of OFDM are presented first, and then the applications of OFDM in WLAN acess and fixed wireless access are analyzed with regard to the characteristics of different wireless communication environments Key words:OFDM; Delay spread; WLAN; Fixed wireless acce 　　早在20世纪60年代，人们就开始对多载波调制(MCM)进行了大量的理论研究，论证了在存在符号间干扰的带限信道上利用多载波调制可以优化系统的传输性能。随着数字信号处理技术的发展和逐渐成熟，人们利用快速傅立叶变换(FFT)以及逆快速傅立叶变换(IFFT)使多载波调制从理论研究转变为实际应用。90年代，多载波调制被应用于有线接入，如不对称数字用户线(ADSL)中，取得了极大的成功。与此同时，人们也开始研究将多载波技术应用到无线通信中，如MC-CDMA、MC-DS-CDMA等，并取得了很多研究成果。本文主要对正交频分复用(OFDM)技术在无线接入中的应用进行分析。　　正交频分复用是多载波调制(MCM)的一种，不同于传统的单载波调制。从字面上理解，单载波调制仅利用一个载波对传输的信息(基带信号)进行调制，如多进制相移键控(MPSK)、多进制正交幅度调制(MQAM)等等。而多载波调制的基本思想是在频域内将信道可用带宽划分成N个子信道，每个子信道利用一个子载波进行调制。多载波调制根据调制解调矢量(或实现方式)的不同，可以分为多种。利用傅立叶变换实现多载波调制是应用最广泛的一种。　　1 正交频分复用系统的实现技术　　正交频分复用系统实现的核心技术是利用IFFT和FFT实现调制和解调。IFFT将N个子信道的数据同时调制到对应的子载波，信号从频域转换到了时域；FFT则同时完成了N个子信道的解调。IFFT和FFT可以利用高速数字信号处理技术实现，虽然运算量较大，但是调制和解调的实现并不是整个系统复杂度的核心。正交频分复用系统的实现还有许多其他技术难点，如信道编码、同步、信道估计、均衡等，需要加以解决。下面对正交频分复用系统的几种关键技术进行简要的介绍。　　(1)循环前缀　　N个子信道的数据经过IFFT变换后形成N个时域样值，称为一个正交频分复用数据块。如果信道特性不理想，则两个数据块之间会产生块间干扰或称为符号间干扰(ISI)。假设信道冲激响应的长度为M，则通过加入“循环前缀”，即取N点正交频分复用数据块的最后M个数据置于原块的前部，构成一个长度为N+M的新的数据块，可以使经过信道后的输出序列仅与当前块有关，而与其他数据块的输入无关，消除了信道不理想带来的符号间干扰。输入数据块与信道的线性卷积关系转变成了循环卷积关系，时域内的循环卷积等效于频域上的乘积关系，有利于接收端进行频域处理。循环前缀(M个数据)对应的时间间隔称为保护时间。　　(2)频域均衡　　传统的单载波调制在接收端需要采用时域均衡器，如基于判决反馈的时域均衡。当信道时延扩展较大时，时域均衡器往往抽头数较多，计算量很大。对于正交频分复用调制，不必要采用复杂的时域均衡技术，信道均衡从时域转换到了频域，每个子信道相当于使用了单抽头均衡器补偿该子信道的相位和幅度失真。由于循环前缀保证了发送数据块和信道的循环卷积关系，在接收端进行频域均衡实现起来要容易得多。　　(3)信道估计　　正交频分复用在频率特性变化较大的信道或频率选择性衰落信道中应用时优势明显。它可以根据每个子载波的频率特性进行传输性能优化，使每个子信道“尽力而为”，频率特性好的信道可以多传几个比特，频率特性差的信道可以少传或不传。因此，在数据传输之前，应该对系统信道特性准确估计，这样才能在接收端正确地解调信号，达到最优化的系统性能。在信道估计完成之后，可以进行合理地比特分配。　　(4)插入导频　　对于频率选择性慢衰落信道，如室内环境的无线局域网，正交频分复用系统可以通过在发送信号中插入导频，并在接收端利用锁相环来实现同步。在频域子信道插入导频，即插入单频正弦信号，在接收端可以采用锁相的方法直接恢复并跟踪样值同步时钟。在多数正交频分复用系统实现时，会预留一个或多个子载波发送导频信号。　　理论上而言，只要正交频分复用系统的信道划分足够细，每个子信道的频率特性就可以看作是平坦的，系统就可以实现接近信道容量的传输。但是，信道划分得越多，系统每个子信道的处理量也增大，实现难度将增加。　　正交频分复用系统具有以下两个特点：　　● 对同步的要求严格。正交频分复用系统对载波的相移和时钟取样的误差比单载波系统的要求严格。　　● 输出信号的峰均比(PAR)高。正交频分复用信号输出信号有较大的动态范围，对放大器的线性要求较高。　　针对正交频分复用调制的缺点，很多研究机构都进行了深入地研究，提出了解决以上问题的不同方案，有的方案已经应用到了实际系统。　　2 无线接入中正交频分复用的应用　　正交频分复用的核心思想是在频域划分子信道，根据每个子信道的频率特性决定传输性能，因此正交频分复用非常适用于频率选择性衰落信道。　　2.1 无线信道特性　　在无线通信中，发射信号经过无线信道传输后，除了自由空间的固有传输损耗之外，信号还会受到建筑物、地形等的阻挡引起信号衰减。在无线通信中，存在多径传播现象，即由于反射、散射等的影响，实际到达接收机的信号为发射信号经过多个传播路径之后各分量的叠加。不同路径分量的幅度、相位、到达时间和入射角各不相同，使接收到的复合信号在幅度和相位上都产生了严重的失真。　　对于室内无线通信和移动通信，多径干扰是必须考虑的。另外对于移动通信，还必须考虑由于移动台运动或信道环境的改变带来的信道特性的变化。由于移动台与基站的相对运动，接收信号会产生明显的频移，即多普勒效应。对于室内无线通信环境，移动物体以及移动台的运动速度都不可能很高，多普勒频移不会对信号造成严重失真。　　多径传播在时域表现为信号在时间上的展宽，从而带来符号间干扰(ISI)。在频域上，多径信道则表现出频率选择性衰落。对于多径传播信道，可以用多径时延扩展对信道进行量化。典型的均方根(RMS)多径时延扩展如表1所示。<div align="center">表1 不同环境下典型时延扩展值 </div><table cellspacing="1" cellpadding="1" width="446" align="center" bgcolor="#000000" border="0"><tbody><tr align="center"><td width="48%" bgcolor="#eecfbb" height="22">环境</td><td width="52%" bgcolor="#eecfbb" height="22">时延扩展</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">小型办公室和家庭办公室</td><td width="52%" height="22">20～50 ns</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">办公大楼</td><td width="52%" height="22">50～100 ns</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">工厂环境 </td><td width="52%" height="22">100～200 ns</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">室外环境 </td><td width="52%" height="22">1～20 μs</td></tr></tbody></table>表2 IEEE 802.11a 中采用的正交频分复用的相关参数<table cellspacing="1" cellpadding="1" width="446" align="center" bgcolor="#000000" border="0"><tbody><tr align="center"><td width="48%" bgcolor="#eecfbb" height="22">保护时间</td><td width="52%" bgcolor="#eecfbb" height="22">800 ns</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">OFDM符号周期</td><td width="52%" height="22">4 μs</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">波道带宽</td><td width="52%" height="22">20 MHz</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">总子载波数</td><td width="52%" height="22">64</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="48%" height="22">子载波带宽</td><td width="52%" height="22">312.5 KHz</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td height="22">导频数</td><td height="22">4</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td height="22">子载波调制方式</td><td height="22">BPSK、QPSK、16QAM、64QAM</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td height="22">编码速率</td><td height="22">1/1、2/3、3/4</td></tr></tbody></table><div align="center">表3 IEEE802.16a 中采用的正交频分复用的具体参数（以工作带宽10MHz为例） </div><table cellspacing="1" cellpadding="1" width="446" align="center" bgcolor="#000000" border="0"><tbody><tr align="center"><td width="40%" bgcolor="#eecfbb" height="22">工作带宽</td><td width="60%" bgcolor="#eecfbb" height="22">10MHz</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="40%" height="22">总子载波数</td><td width="60%" height="22">256</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="40%" height="22">导频数</td><td width="60%" height="22">8</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="40%" height="22">载波间距</td><td width="60%" height="22">39.0625KHz</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td width="40%" height="22">OFDM符号有效时间Tb</td><td width="60%" height="22">25.6 μs</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td height="22">保护时间Tg</td><td height="22">6.4μs、3.2μs、1.6μs、0.8μs</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td height="22">OFDM符号周期（Tg+Tb）</td><td height="22">32μs、28.8μs、27.2μs、26.4μs</td></tr><tr align="center" bgcolor="#e3e3e3"><td height="22">编码速率</td><td height="22">1/1、2/3、3/4</td></tr></tbody></table>　　为了克服频率选择性衰落，可以将信道在频域上划分成多个互相正交的子信道，在小于信道相干时间的时间间隔内，信道等效为一线性时不变系统，可以采用正交频分复用调制技术。正交频分复用每个子载波的带宽较窄，因此每个正交频分复用符号的持续时间比较长，所以由多径时延扩展带来的影响将减小。同时通过引入保护时间/循环前缀，可以消除符号间干扰的影响。　　2.2 正交频分复用在无线局域网中的应用　　国际电子电气工程师学会(IEEE)最早制订的2.4 GHz频段无线局域网标准IEEE 802.11和IEEE 802.11b采用的是单载波调制方式，最高速率可以达到11 Mbit/s。为了获得更高的传输速率，1998年7月，IEEE首次将正交频分复用应用于5 GHz的无线局域网标准IEEE 802.11a中，以提供高达54 Mbit/s的速率。随后，欧洲电信标准组织(ETSI)也在HIPERLAN/2标准中采用了正交频分复用。　　无线局域网主要应用于室内环境，终端可以低速移动。在这种环境下，多径衰落是主要的。前面已经介绍过通过保护时间/循环前缀可以消除符号间干扰的影响，只要时延扩展小于保护时间，就可以认为没有符号间干扰。保护时间的选取是一个重要的参数，它的选取直接关系到系统性能。由表1可知，室内环境的时延扩展值在20 ns～200 ns之间。IEEE 802.11a选取保护时间为800 ns，这就使得无线局域网(WLAN)可以应用在任何室内环境和一定范围的室外环境。IEEE 802.11a中正交频分复用符号周期为4 μs，这样保护时间的开销与有效净荷的比为1/4。IEEE 802.11a工作在5 GHz频段，每个波道带宽为20 MHz，分成64个子载波，每个子载波带宽为312.5 kHz，子载波可以采用的调制方式有：BPSK、QPSK、16QAM和64QAM，可以采用的编码速率有：1/2、2/3、3/4。在64个子信道中，有4个导频信道，用于跟踪载波频率偏移。IEEE 802.11a中采用的正交频分复用的具体参数如表2所示。　　2.3 正交频分复用在固定无线接入中的应用　　IEEE制订的固定无线接入标准IEEE 802.16对于不同频段的宽带固定无线接入(BFWA)系统进行了规定。对于10～66 GHz频段的BFWA，由于工作波长较短，必须要求视距传输(LOS)，多径衰落是可以忽略的，因此在该频段的标准中规定仍然采用单载波调制方式。　　对于2～11 GHz频段，不要求必须视距传输，必须考虑多径衰落。IEEE 802.16标准规定在2～11GHz许可频段，可以使用单载波调制或正交频分复用；而对于2～11 GHz免许可的频段，必须处理来自其他系统的干扰，解决不同系统间共存的问题，因此IEEE 802.16规定对于2～11 GHz免许可频段，必须使用正交频分复用调制方式。不同BFWA系统的带宽是不一样的，取决于各个国家的具体规定。带宽可以是1.75 MHz的整数倍，或者6、10、15、20 MHz等，因此IEEE 802.16a标准中，很多参数都不确定。另外，在IEEE 802.16a中，对于保护时间与有效时间的比值，规定可以在1/4、1/8、1/16和1/32中选取，这样在不同的多径时延扩展环境下，可以选取不同的保护时间，在抵抗多径衰落特性和高传输效率之间取得平衡。以工作带宽10 MHz为例，IEEE 802.16a中采用的正交频分复用的具体参数如表3所示，保护时间Tg最大达到6.4 μs，可以应用于室外环境。　　3 结束语　　正交频分复用技术在无线通信中的应用越来越广。目前，在3.5 GHz和5 GHz频段，已经有商用的基于正交频分复用的固定无线接入系统。而对于无线局域网接入，随着IEEE 802.11g标准的逐渐成熟，也逐渐显示出正交频分复用在无线局域网 2.4 GHz和5 GHz频段中的主导地位。以上主要分析了正交频分复用在无线局域网和固定无线接入中的应用。在移动通信中，正交频分复用和正交频分复用多址(OFDMA)已经成为Beyond 3G的主要研究技术，正交频分复用和CDMA技术结合，可以很好地利用两种技术的优势，克服多径传播带来的衰落并且消除用户之间的干扰。正交频分复用技术的优越性必将使其在未来的通信系统中发挥更大的作用。　　参考文献：　　[1] IEEE 802.11, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications [S]. 　　[2] IEEE 802.11a, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications-High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band [S]. 　　[3] IEEE 802.16a/D5, Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems -Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2—11 GHz [S]. 　　[4] Theodore S R. Wireless Communications Principles & Practice [M]. Prentice-Hall, 1996.作者简介：   　　党梅梅，北京邮电大学硕士毕业。现工作于信息产业部电信研究院通信标准研究所，主要从事无线接入和宽带接入方面的标准和测试工作。

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