OFDM

OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術,實際上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation),多載波調製的一種。OFDM技術由MCM(Multi-Carrier Modulation,多載波調製)發展而來。OFDM技術是多載波傳輸方案的實現方式之一,它的調製和解調是分別基於IFFT和FFT來實現的,是實現複雜度最低、套用最廣的一種多載波傳輸方案。在通信系統中,信道所能提供的頻寬通常比傳送一路信號所需的頻寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的,為了能夠充分利用信道的頻寬,就可以採用頻分復用的方法。OFDM主要思想是:將信道分成若干正交子信道,將高速數據信號轉換成並行的低速子數據流,調製到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端採用相關技術來分開,這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI) 。每個子信道上的信號頻寬小於信道的相關頻寬,因此每個子信道上可以看成平坦性衰落,從而可以消除碼間串擾,而且由於每個子信道的頻寬僅僅是原信道頻寬的一小部分,信道均衡變得相對容易。OFDM技術是HPA聯盟(HomePlug Powerline Alliance)工業規範的基礎,它採用一種不連續的多音調技術,將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合併成單一的信號,從而完成信號傳送。由於這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力,因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。

通信模型

在通信系統中,例如我們用手機打電話的時候,通話數據被採樣後,會形成D0、D1、D2、D3、D4、D5……這樣連續的數據流。

FDM就是把這個序列中的元素依次地調製到指定的頻率後傳送出去。

OFDM就是先把序列劃分為D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……這樣4個子序列(此處子序列個數僅為舉例,不代表實際個數),然後將第一個子序列的元素依次調製到頻率F1上並傳送出去,第二個子序列的元素依次調製到頻率F2上並傳送出去,第三個子序列的元素依次調製到頻率F3上並傳送出去,第四個子序列的元素依次調製到頻率F4上並傳送出去。F1、F2、F3、F4這四個頻率滿足兩兩正交的關係,如下圖所示。

OFDM示例OFDM示例

系統設計

參數的設計

OFDM技術測試OFDM技術測試

一個好的系統設計必須可以避免ISI和ICI,或者至少將他們抑制到可接受的程度。也就是說,要選擇一個足夠的CP以防止由頻率選擇性衰落而引起的ISI和ICI,同時要選擇適當的OFDM符號長度,使信道衝激回響(CIR)至少在一個OFDM符號期間是不變的。

由於OFDM系統對頻偏和相位噪聲敏感,因此OFDM子載波寬度必須仔細選定,既不能太大也不能太小。因為OFDM符號周期和子載波頻寬成反比,所以在一定的CP(Cycle Prefix 循環前綴)長度下,子載波寬度越小,則符號周期越大,頻譜效率也越高(因為每個OFDM符號前都要插入一個CP,CP是系統開銷,不傳輸有效數據)。但如果子載波寬度過小,則對頻偏過於敏感,難以支持高速移動的終端。

CP長度的選擇與無線信道的時延擴展和小區的半徑大小息息相關,時延擴展和小區半徑越大,需要的CP也越長。另外,在宏分集(Macrodiversity)廣播系統中,由於終端收到各基站同時發出的信號,為了避免由於傳輸延遲差造成的干擾,需要額外加長CP。

OFDMOFDM

最佳化設計對OFDM系統來說是非常重要的,實際系統需要處理各種不同的環境(信道參數很不同)。一個解決問題的辦法是根據最差的情況(宏小區高速移動用戶)最佳化參數,另一個可選的方法是根據各種不同的環境(室內、室外、宏小區、微小區、微微小區等)最佳化參數,但這就需要設計高度靈活的收發信機。

信道估計和導頻設計

OFDM系統的信道估計,從某種意義上講,比單載波複雜。需要考慮在獲得較高性能的同時儘可能減小開銷。因此導頻插入的方式(時分復用還是頻分復用)及導頻的密度都需要認真考慮。

(1)導頻插入方式

導頻插入方式

方式(a):TDM插入方式。導頻在所有子載波上傳送,時域的最小單元是一個包含導頻信息的OFDM符號,系統每隔若干個數據符號傳送一個導頻符號。這種插入方式適用於時域變化小的信道,如室內環境。

方式(b):FDM插入方式。導頻信息在時域上持續傳送,在頻域上只占用少數特定的預留子載波,每隔若干子載波傳送一個導頻子載波。這種插入方式對移動性的支持較好,但需要在頻域上進行內插(interpolation)。

方式(c):離散(Scattered)插入方式。這種插入方式是FDM和TDM方式的結合。在頻域上,每隔若干子載波插入一個導頻子載波。在時域上,每隔若干個符號插入一個導頻符號。這種插入方式可以充分利用頻域和時域上的相關性,用儘可能小的導頻開銷,支持高精度的信道估計,但這種方法需要同時在頻域和時域上做內插。

不同的導頻插入方式適用於不同的用途(如同步、相位噪聲補償、信道估計等),例如,採用專用的導頻子載波(即FDM插入方式)適合用於相位補償和載頻的微調;採用專用的導頻符號(即TDM插入方式)適合用於信道估計和時域/頻域的粗同步; 而離散的導頻插入可同時用於信道估計和載頻偏移的微調,從而有效地減少導頻的開銷。具體採用哪種插入方式,還要根據系統的實際需求選擇。

鏈路自適應

由於可以在頻域劃分空口資源,AMC(自適應調製和編碼)和功率控制技術在OFDM系統中更容易使用。系統可以對某個子載波或子載波組獨立做AMC和功控,不同的子載波(組)可以採用不同的調製編碼速率和發射功率,大大增加AMC和功控的靈活性。

另外可以根據信道的頻率回響進行頻域調度,選用信道質量較高的子載波(組)進行傳輸。鏈路自適應如果設計的好,可以最大限度地實現OFDM系統的容量。

控制信息的分布

OFDM控制信道插入方式

如何在時域和頻域插入控制信道,還是比較自由的。圖給出了一種控制信道插入方式。由於控制信息通常以最低的調製階數進行調製,因此控制信息還可以作為額外的導頻符號來提高信道估計的性能,並降低導頻的開銷。尤其是對高階調製的數據的解調可以起到較大的輔助作用。不過這樣一來,控制信息的位置必須與導頻位置相對應,如果採用分散的導頻插入方式,控制信道也應採用分散的插入方式。另外,這種方法要求先解調/解碼控制信道,再開始數據的解調,因此增加了額外的處理時延。

上行同步

在上行OFDM系統中,由於要保持各用戶之間的正交性,需要使多個用戶的信號在基站“同步接收”,即各用戶的信號需要同時到達基站,誤差在CP之內。由於各用戶距基站的距離不同,需要對各終端的發射時鐘進行調整,距離較遠的終端較早傳送,距離較近的終端較晚傳送,這種操作稱為“上行同步”或“時鐘控制”(Timing Control)。

多小區多址和干擾抑制

OFDM系統雖然保證了小區內用戶間的正交性,但無法實現自然的小區間多址(CDMA則很容易實現)。如果不採取任何額外設計,系統將面臨嚴重的小區間干擾(某些寬頻無線接入系統就因缺乏這方面的考慮而可能為多小區組網帶來困難)。可能的解決方案包括:跳頻OFDMA、加擾、小區間頻域協調、干擾消除等。

技術比較

CDMA與OFDM之技術比較

頻譜利用率、支持高速率多媒體服務、系統容量、抗多徑信道干擾等因素是如今大多數固定寬頻無線接入設備商在選擇CDMA(碼分多址)或OFDM作為點到多點(PMP)的關鍵技術時的主要出發點。而這兩種技術在這些方面都各有所長,因此設備商需要根據實際情況權衡利弊,進行綜合分析,從而做出最佳選擇。

OFDM系統硬體結構OFDM系統硬體結構

CDMA技術是基於擴頻通信理論的調製和多址連線技術。OFDM技術屬於多載波調製技術,它的基本思想是將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製,並且各個子載波並行傳輸。OFDM和CDMA技術各有利弊。CDMA具有眾所周知的優點,而採用多種新技術的OFDM也表現出了良好的網路結構可擴展性、更高的頻譜利用率、更靈活的調製方式和抗多徑干擾能力。下面主要從調製技術、峰均功率比、抗窄帶干擾能力等角度分析這兩種技術在性能上的具體差異。

OFDM頻譜效率比較OFDM頻譜效率比較

調製技術

:無線系統中頻譜效率可以通過採用16QAM、64QAM乃至更高階的調製方式得到提高,而且一個好的通信系統應該在頻譜效率和誤碼率之間獲得最佳平衡。

在CDMA系統中,下行鏈路可支持多種調製,但每條鏈路的符號調製方式必須相同,而上行鏈路卻不支持多種調製,這就使得CDMA系統喪失了一定的靈活性。並且,在這種非正交的鏈路中,採用高階調製方式的用戶必將會對採用低階調製的用戶產生很大的噪聲干擾。

在OFDM系統中,每條鏈路都可以獨立調製,因而該系統不論在上行還是在下行鏈路上都可以容易地同時容納多種混合調製方式。這就可以引入“自適應調製”的概念。它增加了系統的靈活性,例如,在信道好的條件下終端可以採用較高階的如64QAM調製以獲得最大頻譜效率,而在信道條件變差時可以選擇QPSK調製等低階調製來確保信噪比。這樣,系統就可以在頻譜利用率和誤碼率之間取得最佳平衡。此外,雖然信道間干擾限制了某條特定鏈路的調製方式,但這一點可以通過網路頻率規劃和無線資源管理等手段來解決。

峰均功率比(PAPR):設備商們應該考慮的一個重要因素。因為PAPR過高會使得傳送端對功率放大器的線性要求很高,這就意味著要提供額外功率、電池備份和擴大設備的尺寸,進而增加基站和用戶設備的成本。

CDMA系統的PAPR一般在5~11dB,並會隨著數據速率和使用碼數的增加而增加。當今已有很多技術可以降低CDMA的PAPR。

在OFDM系統中,由於信號包絡的不恆定性,使得該系統對非線性很敏感。如果沒有改善非線性敏感性的措施,OFDM技術將不能用於使用電池的傳輸系統和手機等。

抗窄帶干擾能力:CDMA的最大優勢就表現在其抗窄帶干擾能力方面。因為干擾只影響整個擴頻信號的一小部分;而OFDM中窄帶干擾也只影響其頻段的一小部分,而且系統可以不使用受到干擾的部分頻段,或者採用前向糾錯和使用較低階調製等手段來解決。

較高的峰值平均功率比較高的峰值平均功率比

抗多徑干擾能力:在無線信道中,多徑傳播效應造成接收信號相互重疊,產生信號波形間的相互干擾,使接收端判斷錯誤。這會嚴重地影響信號傳輸的質量。

為了抵消這種信號自干擾,CDMA接收機採用了RAKE分集接收技術來區分和綁定多路信號能量。為了減少干擾源,RAKE接收機提供一些分集增益。然而由於多路信號能量不相等,試驗證明,如果路徑數超過7或8條,這種信號能量的分散將使得信道估計精確度降低,RAKE的接收性能下降就會很快。

OFDM技術與RAKE接收的思路不同,它是將待傳送的信息碼元通過串並變換,降低速率,從而增大碼元周期,以削弱多徑干擾的影響。同時它使用循環前綴(CP)作為保護間隔,大大減少甚至消除了碼間干擾,並且保證了各信道間的正交性,從而大大減少了信道間干擾。當然,這樣做也付出了頻寬的代價,並帶來了能量損失:CP越長,能量損失就越大。

功率控制技術:在CDMA系統中,功率控制技術是解決遠近效應的重要方法,而且功率控制的有效性決定了網路的容量。相對來說功率控制不是OFDM系統的基本需求。OFDM系統引入功率控制的目的是最小化信道間干擾。

OFDM的小區間干擾OFDM的小區間干擾

網路規劃:由於CDMA本身的技術特性,CDMA系統的頻率規劃問題不很突出,但卻面臨著碼的設計規劃問題。OFDM系統網路規劃的最基本目的是減少信道間的干擾。由於這種規劃是基於頻率分配的,設計者只要預留些頻段就可以解決小區分裂的問題。

均衡技術:可以補償時分信道中由於多徑效應而產生的ISI。在CDMA系統中,信道頻寬遠遠大於信道的平坦衰落頻寬。由於擴頻碼自身良好的自相關性,使得在無線信道傳輸中的時延擴展可以被看作只是被傳信號的再次傳送。如果這些多徑信號相互間的延時超過一個碼片的長度,就可被RAKE接收端視為非相關的噪聲,而不再需要均衡。

對OFDM系統,在一般的衰落環境下,均衡不是改善系統性能的有效方法,因為均衡的實質是補償多徑信道特性。而OFDM技術本身已經利用了多徑信道的分集特性,因此該系統一般不必再作均衡

OFDM產生的過程

ƒ 時分多路頻分多路OFDM

時分多路-- 頻分多路-- OFDM下面分析FDM系統相鄰載波相互干擾大小的影響因素。

兩種子載波排列方式兩種子載波排列方式

.. 一個時域中單獨的寬度為Δt的矩形脈衝對應連續頻譜:

.. 頻譜不是離散譜線,而是一個連續的sin(x)/x抽樣函式曲線。

Δt的變化使得對應頻域的Δf也變化:

ƒ 如果Δt趨向於0,對應的Δf趨向於無窮大;

ƒ 這對應迪拉克脈衝,其頻譜為一條直線,包含所有頻率分量。

如果Δt趨向於無窮大,對應的Δf趨向於0;這對應時域中一條直

線,其頻譜為零頻處的一條譜線,表示DC分量。

二者之間存在以下的關係: Δf=1/ Δt

一個間隔為Tp,寬度為Δt的矩形脈衝序列也對應著頻域的sin(x)/x形函式,但此時只有離散譜線,譜線間隔為fp=1/Tp,譜線幅度隨sin(x)/x抽樣函式包絡變化。

周期矩形脈衝信號的頻譜

跳頻OFDMA跳頻OFDMA

不同τ值時周期矩形信號的頻譜(a) τ=T/5; (b) τ=T/10

不同T值時周期矩形信號的頻譜(a) T=5τ; (b) T=10 τ

矩形脈衝與正交性之間有什麼關係?

ƒ 載波信號都是正弦函式信號。

ƒ 一個頻率為fs=1/Ts的正弦波信號對應頻譜為頻域中位於頻率fs和-fs的兩條離散譜線。

這些正弦信號載波是通過幅度和頻率變化來攜帶信息的(幅移鍵控和頻移鍵控)。

與其他載波調製方式的比較

不同的無線載波調製方式有不同的特性。這些特性決定了在不同距離上傳輸不同數據量的能力。以下提及的載波調製方式已被運用到各種無線技術中, 正交頻分復用與他們相比的區別分別為:

(一)固定頻率

在一個特定的頻段範圍(通常非常窄)內傳播信號的方式。通過此方式傳輸的信號通常要求高功率的信號發射器並且獲得使用許可。如果遇到較強的干擾,信道內或者附近的固定頻率發射器將受到影響。對於許可證的要求就是為了減少相鄰的系統在使用相同的信道時產生的干擾。

(二)跳頻擴頻

使用被發射器和接收器都知曉的偽隨機序列,在很多頻率信道內快速跳變以發射無線電信號。FHSS有較強的抗干擾能力,一旦信號在某信道中受阻,它將迅速再下一跳中重新傳送信號。

(三)直接序列擴頻

在設備的特定的發射頻率內以廣播形式發射信號。用戶數據在空間傳送之前,先附加“擴頻碼”,實現擴頻傳輸。接收器在解調製的過程中將干擾剔除。在去除擴頻碼、提取有效信號時,噪聲信號同時剔除。

(四)正交頻分復用

同時在多個子載波頻率上以廣播形式發射信號。每個子載波的頻寬都很窄,可以承載高速數據信號。OFDM適用於嚴酷的信道條件。由於OFDM具有較高的複雜度,有很多方式來抗干擾。對窄帶干擾的抗干擾能力也不錯,因為大量的正交的子載波和與DSSS相似的信道編碼機制。

移動通信中的關鍵技術1

移動通信是通信領域中最具活力、最具發展前途的一種通信方式。它是當今信息社會中最具個性化特徵的通信手段。發展迅速的移動無線通信正在以前所未有的方式改變著我們的生活。

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