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摘要：OFDM(正交頻分復用)和多址技術的結合能夠允許多個用戶同時共享有限的無線頻譜，從而獲得較高的系統(tǒng)容量。首先介紹了正交頻分多址技術中的OFDM-FDMA和OFDM-TDMA多址接入方案，然后又重點討論了OFDM和CDMA的3種結合方案，包括系統(tǒng)設計、系統(tǒng)性能分析以及系統(tǒng)參數指標，最后提出了未來的研究方向。
關鍵詞：OFDM；多址接入技術；符號間干擾；載波間干擾
引言
通信技術的研究目標是實現各種業(yè)務信號高效率、高速率的可靠通信。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術因將整個信道帶寬劃分成若干個子信道，每一子信道用子載波調制時，允許相鄰子載波之間有很大程度的重疊，頻譜利用率高；OFDM技術通過串并轉換過程將高速傳輸的數據變?yōu)檩^低速率的傳輸，從而使傳輸信道具有平衰落特性，可有效地克服信道頻率選擇性的影響，減少ISI對系統(tǒng)性能的影響；OFDM實現調制與解調不同于傳統(tǒng)的調制方式，而是通過FFT的正、逆變換實現的，系統(tǒng)實現的復雜度不高。
在無線通信系統(tǒng)中，多址方式允許多個移動用戶同時共享有限的頻譜資源。頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)是無線通信系統(tǒng)中共享有效帶寬的三種主要接入技術。OFDM和多址技術的結合能夠允許多個用戶同時共享有限的無線頻譜，從而獲得較高的系統(tǒng)容量。在這些多址技術中，CDMA以其諸多的優(yōu)點，并可提供比FDMA和TDMA更高的系統(tǒng)容量，成為第三代移動通信系統(tǒng)標準中采用的多址接入方式，因此CDMA和OFDM結合的方案成為當前研究的熱點問題之一。多載波CDMA不僅可以滿足多用戶共享頻率資源，而且同時可以減少碼間干擾，提高系統(tǒng)性能。
OFDM-FDMA
OFDM-FDMA多址接入方案將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用帶寬資源可靈活的在不同移動終端之間共享，從而避免了不同用戶間的多址干擾，如圖1，圖2所示。每個用戶經歷不同無線信道的干擾，可以通過只將具有高信躁比的子載波分配給每個用戶來實現。這是一種以頻率來區(qū)分用戶的多址接入方式。
設系統(tǒng)共有M個用戶，每個用戶使用N個子載波，則系統(tǒng)中共有M×N個子載波。對于第m(m=1，2，…，M)個用戶來說，該用戶的輸入數據先進行信道編碼，速率匹配，交織，然后將交織后的比特流進行符號映射，生產的復數符號調制到N個子載波上。理論上來說，任意N個子載波沒有分配給其他M-1個用戶，就可以將這N個子載波分配給該用戶。但是考慮到子載波之間的相關性，我們通常選用一種等間隔的子載波分配方案。我們首先選取N個間隔最大(間隔為M)的子載波，并將它們分配給用戶一；然后將這N個等間隔的子載波在頻域中移位1個子載波，將它們分配給用戶二……將這N個等間隔的子載波在頻域中移位m(m=1，2，…，M-1)個子載波，移位后形成的新的子載波集分配給第m+1個用戶。這樣分配給這M個用戶的子載波集中，子載波之間具有最大的不相關性，可以抑制多址干擾，而且信令的開銷最小。在系統(tǒng)的時間同步和載波同步都十分理想的情況下，接收到的信號可以沒有ISI(Inter-SymbolInterference符號間干擾)和ICI(Inter-CarrierInterference載波間干擾)。
OFDM-TDMA
OFDM-TDMA多址接入方案在一段時間內將全部帶寬資源分配給一個用戶，即在一個TDMA幀的幾個時隙內，所有子載波為某個用戶獨占。這是一種以時間來區(qū)分用戶的多址接入方式。在TDMA幀結構中，一個TDMA無線幀由若干個子幀構成，而一個子幀又由若干個時隙組成，OFDM符號在時隙中傳輸。在OFDM-TDMA傳輸系統(tǒng)中，采用TDD模式，可以根據業(yè)務的需要靈活的調整上行和下行鏈路間的轉換點，這樣使雙向業(yè)務成為了可能。對于非對稱的無線多媒體通信，這是一種實現具有靈活資源管理的高速數據傳輸的方案之一。當用戶的上行鏈路數據大于下行鏈路數據時，可以調整子幀中的轉換點，使用戶可以使用的時隙數增多，分配給該用戶的OFDM符號數相應增加，滿足用戶高數據速率的需要；當用戶的上行鏈路數據較少，請求低的數據速率時，調整子幀中的轉換點，減少用戶使用的時隙數，分配給該用戶的OFDM符號數相應減少。正是由于這種分配給用戶的OFDM符號數可變，使OFDM-TDMA方案可支持具有不同數據速率的多種業(yè)務。
不同多址接入算法的復雜度高度依賴于每個系統(tǒng)采用的自適應方式。對于OFDM-TDMA系統(tǒng)而言，由于低信躁比的子載波被濾除或是使用了自適應調制P編碼技術，這樣就需要傳送額外的信息，這樣雖然可以改善性能，但是也增加了信令開銷。
OFDM-CDMA
碼分多址技術(CDMA，CodeDiversionMultipleAccess)是3G的主流技術。窄帶信號通過與擴頻信號相乘而擴展成寬帶信號，使用的擴頻信號可以是偽隨機碼序列。用戶共享相同的頻譜資源，而不會產生明顯的干擾，提高了頻譜效率。擴頻技術不但可以將某一特定的擴頻信號從其它信號中恢復出來，而且還能有效對抗窄帶干擾和多徑干擾。
OFDM適合高速數據傳送，它把數據流分成若干個子數據流，再把這些子數據流分別調制到若干個相互正交的子載波上。子載波上較低的數據速率實際上意味著每個子載波信道具有平衰落特性，可有效地克服信道頻率選擇性地影響，從而減少由于ISI所帶來的系統(tǒng)性能損失。子載波的正交性使得信道干擾的影響被減小為每個子載波上乘一個復傳輸因子，這樣信號的均衡就變的非常簡單。但是，如果子載波處于深衰落時，如果不采用糾錯編碼，會產生很高的誤碼率。
OFDM技術和CDMA技術各有利弊，因此二者的結合可以取長補短，達到更好的通信傳輸效果，必然在下一代無線移動通信系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色。自從1985年Cimini提出基于OFDM的蜂窩移動系統(tǒng)以來，出現了諸多OFDM技術與CDMA技術的結合方案，N.Yee，J-P.Linnartz，G.Fettweis提出了MC-CDMA系統(tǒng)；K.Fazel，L.Papke等人提出了MC-DS-CDMA系統(tǒng)；L.Vandendorpe提出了MT-CDMA系統(tǒng)。
MC–CDMA
MC-CDMA(MulticarrierCDMA)系統(tǒng)是一種在頻域擴頻的方式。所謂頻域擴頻，即原始數據流的每個符號與擴頻碼各個碼片相對應的各小部分相乘后沿不同的子載波進行傳輸，也就是說，若擴頻碼的長度為N，那么對應的這N個子載波傳輸的是相同的信息數據。一般來說，不可能所有的子載波都同時處于深衰落中，因此MC-CDMA可以達到頻率分集的效果，如圖3所示。
在多載波系統(tǒng)中，原始輸入的數據速率很高，假設擴頻碼的長度為G，用戶輸入的數據序列首先串并變換成NPG路，bk(n)表示第k路的信息比特(k=1，2，…，N/G)。每路的輸入進入對應的復制器復制為G路相同的數據，然后這G路相同的數據與長度為G的擴頻碼相乘完成頻域擴頻。之后再將擴頻后的數據調制到不同的子載波上發(fā)送出去。每路的子載波數為G個，共有NPG路，所以子載波總數為N個。這N路數據進行IFFT變換和并串變換，插入保護間隔(保護間隔要大于信道最大時延擴展)后形成發(fā)射信號，經過形成濾波器后由射頻單元發(fā)射出去。
在MC-CDMA系統(tǒng)中，一般采用沃什(WH，HadamardWalsh)碼來作為其頻域擴頻碼，這種碼具有很好的互相關性，碼組內所有的碼序列是相互正交的。不過也有用其它碼的，比如可以用傅立葉編碼矩陣作為擴頻碼矩陣，發(fā)射的擴頻與IFFT兩者相互抵消，產生了一個進行分組處理的純單載波系統(tǒng)。在接收端，接收信號先要去保護間隔，串并變換(變成NPG路)，FFT變換，之后還應進行信道估計得到信道信息。對于第k路接收信號rk(t)，k=1，2，…，N/G，進入對應的復制器復制為G路相同的數據，然后這G路相同的數據與長度為G的增益因子w(G)相乘完成信道均衡和信號解擴，再經過濾波器后合并輸出，最后經過并串變換得到原始信息數據。在MC-CDMA系統(tǒng)中，接收信號相當于在頻域進行合并，這樣頻率分集性能就很好。有4種最基本的合并技術：恢復正交性合并(ORC，OrthogonalityRestoringCombing)、等增益合并(EGC，EqualGainCombining)、最大比合并(MRC，MaximumRatioCombining)和最小均方差合并(MMSEC，MinimumMeanSquareErrorCombining)。
由于引入了CDMA技術，MC-CDMA也是一種干擾受限系統(tǒng)，特別是在多用戶的情況下，擴頻碼引入的多址干擾對誤碼率的影響遠大于高斯噪聲的影響，所以在遭受到嚴重的多址干擾的時候，同樣要考慮多用戶檢測技術。常用的多用戶檢測技術有：最大似然檢測技術(MLMUD)、迭代檢測算法和基于解相關與MMSE的自適應干擾估計和消除(DICMMSEIC)。
MC-DS–CDMA
MC-DS-CDMA(MulticarrierDirectSequenceCDMA)系統(tǒng)是一種在時域擴頻的方式。用戶數據首先經過串并變換成N路并行輸出，然后并行的每路數據由相同的短擴頻碼擴頻，最后這N路數據再進行OFDM調制。擴頻后的信號帶寬被限制在一個子帶中，一般應選取較短的擴頻序列。MC-DS-CDMA有助于建立同步信道，因此適用于上行通信鏈路，如圖4所示。
在發(fā)射端，用戶數據經過串并變換變成N路并行的數據，然后并行的每路數據與相同的短擴頻碼序列ck相乘完成時域擴頻，之后再將擴頻后的數據調制到不同的子載波上發(fā)送出去。這N路數據進行IFFT變換和并串變換，插入保護間隔后形成發(fā)射信號，經過形成濾波器后由射頻單元發(fā)射出去。
在接收端，接收信號先要去保護間隔，串并變換，FFT變換，然后通過信道估計得到信道信息并對接收到的數據進行均衡。這時每路數據與已知的相同短擴頻碼序列ck相乘完成信號解擴，再經過濾波器后輸出，最后經過并串變換得到原始信息數據。由于每路數據只分配到單個子信道上發(fā)射，MC-DS-CDMA不能獲得頻率分集增益，故接收端使用常規(guī)的相干接收機即可。
MT-CDMA
MT-CDMA(MultitoneCDMA)系統(tǒng)也是一種在時域擴頻的方式。在該方法中，各子載波在進行擴頻操作之前具有滿足正交性條件的最小頻率間隔，也就是說各路子數據流在未擴頻前調制到不同的子載波所得到的已調子載波彼此正交，但是經過擴頻后它們的頻譜不再滿足正交條件。它與MC-DS-CDMA的發(fā)射機方法基本類似。不同之處在于，擴頻序列的碼片持續(xù)期與子載波的頻率間隔不再滿足互為倒數的關系，如圖5所示。
接收機處理方法也不同，MT-CDMA的擴頻碼長度遠大于常規(guī)的DS-CDMA(DirectSequenceCD-MA)，這樣它具有更大的擴頻處理增益，能夠容納更多的用戶。但是，由于子載波的頻譜重疊程度非常高，從而不可避免的存在較嚴重的子載波間干擾。當大的擴頻處理增益所帶來的多址干擾和自干擾的減小不能抵消子載波間干擾時，系統(tǒng)性能將急劇變壞。
系統(tǒng)參數指標比較
參數比較如表1所示。
結束語
OFDM技術與多種多址技術的結合，特別是與CDMA技術的結合，能夠避免窄帶衰落，提高頻譜利用率和抗多徑衰落的能力。在高碼率的情況下，OFDM-CDMA系統(tǒng)比單純的OFDM系統(tǒng)性能要好。然而，接收端的均衡和解擴導致了噪聲放大，此時可以采用更復雜的檢測方法，如迭代解擴和譯碼，OFDM-CDMA系統(tǒng)的性能可以得到更好的改善。OFDM-CDMA系統(tǒng)的主要缺點是它要求相干檢測，所以信道估計和均衡是不可少的。鑒于此，多載波CDMA系統(tǒng)的多用戶檢測問題和多載波CDMA系統(tǒng)的信道估計和均衡問題將是未來研究的重點。
