OFDM在无线城域网的应用

2019-11-03 09:03:09

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供稿：网友

济南通信公司章丘分公司数据中心张永

　　随着新的通信业务和宽带业务不断发展，用户对带宽的需求不断增加，各种高速率的宽带接入也是迅速发展。目前宽带用户接入技术主要有数字数字用户环路（ｘＤＳＬ）、光纤接入方式、同轴电缆（ＨＦＣ）和宽带无线接入网等手段。其中，宽带无线接入系统凭借其建设速度快、运营成本低、扩展能力强，灵活性高等特点，受到运营商的青睐并积极参与，宽带固定无线接入系统将是未来几年内通信市场发展的一个热点。

　　宽带无线接入技术的发展极为迅速,各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入，一方面这些技术充分利用过去应用不是很多的频率资源；另一方面它们融合了在其他通信领域成功应用的先进技术，如高阶QAM调制、OFDM等，以实现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力、更灵活的带宽分配方法。宽带无线接入技术发展的趋势包括：OFDM技术开始兴起，多址方式不断充实，调制方式向多状态化发展，双工方式都可选择，同时支持电路交换与分组交换，带宽动态分配、业务接口日趋丰富。

　　OFDM（正交频分复用）是一种无线环境下的高速传输技术，适合在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。它能有效对抗多径效应，消除符号间干扰，对抗频率选择性衰落，而且信道利用率高。OFDM技术先后被欧洲数字音频广播（DAB）、欧洲数字视频广播（DVB）、HipERLAN和IEEE802.11无线局域网等系统采用。

　　IEEE802.16工作组负责宽带无线标准的制订工作，2003年1月29日IEEE通过了802.16a标准规范书，解决了2GHz～11GHz之间频率范围的宽带无线问题。802.16a标准规范中明确定义了OFDM技术作为无线数据传输方式。

　　802.16a的发展历程及技术特点

　　IEEE802.16工作组成立于1999年，其工作主要内容是制订宽带无线接入标准，包括空中接口及其相关功能标准。它由三个工作小组组成，每个小组分别负责不同的方面：IEEE802.16.1负责制定频率为10GHz～60GHz的无线接口标准；IEEE802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE 802.16.3负责制定频率范围在2GHz～10GHz之间获得频率使用许可应用的无线接口标准。

　　IEEE802.16标准于2001年12月通过批准，802.16标准定义无线城域网单载波空中接口，即传输频率10GHz～66GHz的单载波调制模式。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。

　　IEEE802.16标准物理层不适合较低频率的应用，其覆盖范围在可视距离之内。2003年1月29日，IEEE802.16标准有了修正草案IEEE802.16a，以解决较低频率的无线连接问题。802.16a在2GHz～11Gz的频带上提供连接家庭、企业和无线局域网热点的无线最后一公里宽带接入。

　　802.16a规范是IEEE802.16规范的扩展，大大改进了非视距性能，是目前在出现树木和建筑等障碍时最合适的技术。基站可以安装在住宅或建筑顶部，而不必安装在山顶上的高塔上。

　　IEEE802.16a对特许和非特许频段的通信作了明确规定，在特许频段内可以使用单载波调制或正交频分复用。在各种管理环境和部署环境确定的情况下，经营特许频段业务的运营商就可以选用一种模式定制其解决方案。至于非特许频谱采用哪一种模式尚无规范，但就IEEE802.16a标准而论，目前的修正草案规定用OFDM模式。在非特许频谱通信时，无线城域网之间以及无线城域网与无线局域网等其他通信业务之间会产生干扰。作为解决这个问题的一个办法，802.16a修正草案为非特许频谱规定了动态频率选择，并支持有些用户台绕过基站与其他转发数据的用户台通信的网状结构，从而扩大了蜂窝覆盖范围，直接连接基站不能连接的用户。

　　OFDM技术

　　OFDM是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，则可以从混叠的子子载波上分离出数据信号。由于OFDM允许子载波频谱混跌，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。

　　OFDM技术在20世纪60年代中期被首次提出，但在之后相当长的一段时间，OFDM技术一直没有形成大规模的应用。当时OFDM技术的发展遇到了很多似乎难于解决的问题。首先，OFDM要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上发现采用快速傅立叶变换（FFT）可以很好地实现这种调制方式，但实际上，如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法完成的。此外，发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也都是OFDM技术实现的制约条件。

　　20世纪80年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，随着DSP芯片技术的发展，格栅编码（TrellisCode）技术、软判决技术（SoftDecision）、信道自适应技术等的应用，OFDM技术开始从理论向实际应用转化。OFDM技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大优势迅速成为研究的焦点并被多个国际规范采用，如欧洲的数字音频广播、数字视频广播和IEEE的无线局域网标准802.11a。

　　802.16a中的OFDM技术

　　IEEE802.16a标准规定在特许频段，可以使用单载波调制或正交频分复用，对于非特许频段，必须使用正交频分复用调制方式。

　　OFDM码元由子载波构成，子载波的数目决定了FFT的点数，有三种类型的子载波：

　　数据子载波：用来数据传输。

　　导频子载波：用于信道估计等。

　　空子载波：不用于传输，只用于保护频带和DC子载波。

　　802.16a标准中系统的带宽取决于各个国家的具体规定，带宽可以是1.75MHz的整数倍，或者6、10、15、20MHz等。另外，在IEEE802.16a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。保护时间Tg最大达到6.4 μs，可以应用于室外环境。

　　表1给出了工作带宽10MHz情况下256子载波OFDM中的参数。

　　在OFDMA方式中，FFT点数为2048，除去DC和保护子载波，剩下的为有效子载波。这些有效子载波分为多个子载波子集，每个子集称为子信道（subchannel）。在下行链路（DL）中,一个子信道可能会对应不同的接收端，而在上行链路(UL)中，一个发送端可以占用一个或多个子信道。

　　上行和下行链路中导频子载波和数据子载波的分配不同：在下行链路中，导频子载波首先分配，剩下的为专门传送数据的子载波。在上行链路中，有用的子载波先分为子信道，然后在每个子信道中各自分配导频子载波。这样，在下行链路中存在着公共的导频子载波集，但在下行链路中，每个子信道包括它自己的导频子载波集。这是必需的，因为在OFDMA中，基站(BS)下行链路对所有的用户站(SS)进行广播，但在上行链路中，每个子信道可能来自不同的SS。

　　有效子载波分为固定位置的导频，不定位置的导频及数据子信道。固定位置的导频子载波的位置保持不变，它们的位置编号属于基本固定导频集。不定位置导频在码元中的位置每隔4个码元变换一次。

　　在分配了导频子信道后，剩下的有用的子载波是数据子载波。因为不定位置的导频子载波在每个码元中中的位置变化，每4个码元重复一次，因此数据子载波的位置也相应发生变化。

　　结论

　　IEEE802.16a标准是针对无线城域网接入方式而提出的一种新的空中接口标准。这一标准采用了OFDM技术，大大改进了非视距性，增加了传输距离，降低了运营成本。近期芯片制造巨头英特尔公司宣布将开发支持高速无线通信标准的IEEE802.16a芯片组，标志着这种新兴的无线接入标准被主要厂商所接受。我们相信802.16a会展现宽带无线通信新的前景。

　　
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