正交頻分復(fù)用技術(shù)在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用

摘要：以正交頻分復(fù)用(0FDM)為代表的多載波傳輸技術(shù)可以大大提高系統(tǒng)容量，因而受到人們的廣泛關(guān)注并得到廣泛的應(yīng)用。介紹了OFDM的原理及其在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用情況，總結(jié)了0FDM的特點(diǎn)。并針對(duì)無(wú)線信道的特點(diǎn)介紹了一種可靠的自適應(yīng)傳輸方案。
關(guān)鍵詞：OFDM；無(wú)線局域網(wǎng)；自適應(yīng)傳輸；通信

l 引言

近年來(lái)，正交頻分復(fù)用(0FDM)技術(shù)因其可有效對(duì)抗多徑干擾(IsI)和提高系統(tǒng)容量而受到人們的極大關(guān)注，已在數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)中得到應(yīng)用，是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。OFDM是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，在許多文獻(xiàn)中OFDM也被稱為離散多音(DMT)調(diào)制。它通過(guò)串并變換將高速數(shù)據(jù)流分配到多個(gè)子載波上，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而可以有效地提高系統(tǒng)容量和對(duì)抗因無(wú)線信道的時(shí)間彌散引起的ISI。通過(guò)引入循環(huán)前綴(CP)有效地消除了因多徑造成的信道間干擾(ICI)，從而保持子載波間的正交性。另外，它可以利用快速傅立葉變換算法實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，為其應(yīng)用提供了可能。

2 OFDM的特點(diǎn)

圖1示出0FDM的基帶模型。OFDM技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以有效對(duì)抗多徑傳播造成的符號(hào)間干擾，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比采用均衡器的單載波系統(tǒng)小很多；在變化相對(duì)較慢的信道上，0FDM系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)子載波的信噪比優(yōu)化分配每個(gè)子載波上傳送的信息比特，從而大大提高系統(tǒng)傳輸信息的容量：OFDM系統(tǒng)抗脈沖干擾的能力比單載波系統(tǒng)強(qiáng)。因為OFDM信號(hào)的解調(diào)是在1個(gè)很長(zhǎng)的符號(hào)周期內(nèi)積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散；頻譜利用率高，OFDM信號(hào)由N個(gè)信號(hào)疊加而成，每個(gè)信號(hào)的頻譜均為Sinc函數(shù)，且與相鄰的信號(hào)頻譜有1／2的重疊，故其頻譜利用率：

ηOFDM=N/(N+1)log2M

其中，M為星座點(diǎn)數(shù)。與MOAM調(diào)制方式(ηMQAM=0.5xlog2M）相比，頻譜利用率提高近l倍。

與傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)相比，OFDM的主要缺點(diǎn)是：對(duì)于載波頻率偏移和定時(shí)誤差的敏感程度比單載波系統(tǒng)高；OFDM系統(tǒng)中的信號(hào)存在較高的峰值平均功率比(PAPR）使得它對(duì)放大器的線性要求很高；為了實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，必須進(jìn)行信道估計(jì)。針對(duì)這些缺點(diǎn)，OFDM的3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)即頻偏估計(jì)、降低峰平比和信道估計(jì)算法成為目前的3個(gè)研究熱點(diǎn)。

3 OFDM在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用

IEEE 802．11a是0FDM應(yīng)用于WLAN的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802．11a工作在5GHz頻段。利用OFDM作為物理層技術(shù)，可提供6Mb／s到54Mb／s的數(shù)據(jù)速率。為了恢復(fù)處于不同衰落環(huán)境的子載波上的信號(hào)，它在不同的子載波上采用不同碼率的編碼方式，主要有1／2、2／3、3／4三種碼率。其中1／2編碼器采用約束長(zhǎng)度為7的卷積編碼，生成多項(xiàng)式為(133，171)，其他二種碼率通過(guò)對(duì)1／2編碼器進(jìn)行鑿孔獲得。表1給出IEEE 802．11a支持的8種模式，為了對(duì)比。表中還給出了HIPERLAN／2支持的7種模式。

可以看出，IEEE802．11a中使用4種調(diào)制映射方式(BPSK、QPSK、16QAM和64QAM)。每個(gè)OFDM符號(hào)有64個(gè)子載波，其中48個(gè)傳輸數(shù)據(jù)，保護(hù)間隔為800ns，有效OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為3．2μs，總帶寬為20MHz。其定時(shí)同步、載波頻偏估計(jì)和信道估計(jì)都是由2個(gè)前置訓(xùn)練符號(hào)完成的，訓(xùn)練符號(hào)由二部分組成：10個(gè)短訓(xùn)練符號(hào)和2個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)，總的訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)度為161xs。在選擇短訓(xùn)練符號(hào)和長(zhǎng)訓(xùn)練符號(hào)時(shí)，考慮到系統(tǒng)的PAPR問(wèn)題，通過(guò)合理的選擇訓(xùn)練符號(hào)。使得PAPR可以在3dB左右。

4 自適應(yīng)傳輸策略

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，針對(duì)無(wú)線信道的特點(diǎn)，很多文獻(xiàn)對(duì)自適應(yīng)OFDM技術(shù)進(jìn)行了研究。包括自適應(yīng)調(diào)制、編碼和交織等。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間色散信道傳輸OFDM信號(hào)的誤比特率決定于信道的頻率響應(yīng)，錯(cuò)誤比特主要集中在衰落嚴(yán)重的子載波上，而對(duì)那些信道質(zhì)量較好的子信道，誤比特率很低。因此，可以根據(jù)每個(gè)子信道的情況，動(dòng)態(tài)分配子載波的傳輸方式，對(duì)于信道質(zhì)量好的子信道，采用階數(shù)較高的調(diào)制方式和碼率較高的編碼方式，以提高系統(tǒng)的傳輸效率；對(duì)于信道質(zhì)量較差的子信道，采用低階調(diào)制和低碼率的編碼方式．從而保證系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。這就是基于子載波的自適應(yīng)傳輸技術(shù)SbSA(Subcarrierrier-by-Subcarrier Adapta-tion)。顯然，為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸，必須包括以下3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)信道質(zhì)量；發(fā)射機(jī)根據(jù)信道情況選擇合適的傳輸方式；采用信令傳輸或盲檢測(cè)技術(shù)告訴接收機(jī)所采用的傳輸參數(shù)。為了使發(fā)射機(jī)選擇正確的傳輸方式，必須使發(fā)射機(jī)收到正確的信道信息。上行鏈路傳送的信道信息因無(wú)線信道的衰落或干擾而發(fā)生錯(cuò)誤，就會(huì)造成發(fā)射機(jī)對(duì)信道的錯(cuò)誤預(yù)測(cè)．從而導(dǎo)致選擇不合適的傳輸方式，使系統(tǒng)性能下降。針對(duì)這一問(wèn)題，本文介紹一種較為可靠的機(jī)制(見圖2)，可以在反向鏈路傳輸發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，仍能選擇較合適的傳輸方式．從而保證系統(tǒng)的性能。本文仍然假定信道是慢衰落信道，接收機(jī)接收的導(dǎo)頻位置的信道狀態(tài)信息(CSI)首先被量化．然后再對(duì)量化后的CSI進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼(CRC)和BPSK調(diào)制。最后將CRC后的CSI信息傳給發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)如果檢測(cè)到收到的CSI沒(méi)有錯(cuò)誤．就根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)從備擇模式中選擇傳輸模式，如果有錯(cuò)誤，仍使用前一時(shí)刻的調(diào)制編碼方式。

5 結(jié)束語(yǔ)
從理論上說(shuō)．OFDM與單載波傳輸具有相同的信道容量．但是當(dāng)存在嚴(yán)重符號(hào)間干擾或者在多徑信道中采用OFDM傳輸可獲得較好的性能。近來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域是OFDM在下一代蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，OFDM與多天線技術(shù)(MIMO)及空時(shí)編碼(STC)技術(shù)的結(jié)合可以大大提高蜂窩通信系統(tǒng)的性能。

到目前為止．OFDM技術(shù)已經(jīng)在眾多的高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用．如歐洲的數(shù)字音頻和視頻廣播(DAB／DVB)、歐洲和北美的高速無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)f如HIPERLAN／2、IEEE802．11 a1，以及高比特率數(shù)字用戶線(xDSL)。當(dāng)前，人們正在考慮在基于IEEE802．16標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線城域網(wǎng)、基于IEEE802．15標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人信息網(wǎng)(PAN)及下一代無(wú)線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用OFDM技術(shù)?？梢灶A(yù)見．OFDM在未來(lái)的實(shí)際通信系統(tǒng)中將有廣泛的應(yīng)用．OFDM已經(jīng)被公認(rèn)為下一代蜂窩通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。