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摘要 本文首先介紹了正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）的原理、技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，它在無線局域網(wǎng)中的應(yīng)用特點(diǎn)。然后分析了在寬帶無線接入技術(shù)中，三種基于OFDM的高速無線傳輸技術(shù)：VOFDM、WOFDM和flash-OFDM的性能特點(diǎn)，最后展望了OFDM在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 OFDM 無線LAN 寬帶無線接入
1 引言
正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，主要用在軍事通信中，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜限制了進(jìn)一步推廣。70年代，人們提出采用離散傅氏變換實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，使OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱没�。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和高速器件的發(fā)展，OFDM在ADSL、VDSL、DVB、DAB和HDTV等系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。進(jìn)入90年代以來，對(duì)OFDM技術(shù)的研究深入到無線信道的寬帶傳輸。
無線信道的一個(gè)重要特點(diǎn)是多徑傳播，它使接收信號(hào)相互重疊，產(chǎn)生符號(hào)間干擾(ISI)。當(dāng)傳輸速率較高時(shí)，信號(hào)持續(xù)時(shí)間越短，相應(yīng)帶寬越寬，若信號(hào)帶寬超過信道相干帶寬時(shí)，信道時(shí)間彌散特性將對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生頻率選擇性衰落。為解決這個(gè)問題，人們提出了多載波調(diào)制（MCM）技術(shù)。它把高速率數(shù)據(jù)流分成多個(gè)低傳輸比特速率的數(shù)據(jù)流，用并行數(shù)據(jù)流去調(diào)制多個(gè)載波。多載波調(diào)制的方式有多音道（Multitone）、OFDM、MC-CDMA等。傳統(tǒng)的并行多載波系統(tǒng)把整個(gè)帶寬分割后被送到子信道中，頻帶沒有重疊，其頻譜利用率很低。
OFDM在頻域把信道分成許多正交子信道，各子信道的載波間保持正交，頻譜相互重疊，這樣減小了子信道間干擾，提高了頻譜利用率。同時(shí)在每個(gè)子信道上信號(hào)帶寬小于信道帶寬，故雖整個(gè)信道是非平坦的頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，大大減小了符號(hào)間干擾。OFDM適用于多徑環(huán)境和頻率選擇性衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。由于OFDM具有抗多徑能力強(qiáng)、頻譜利用率高的優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛關(guān)注。人們不但認(rèn)為在寬帶無線接入領(lǐng)域采用OFDM是發(fā)展的趨勢(shì)，而且它將成為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
2 OFDM在無線LAN中的應(yīng)用
在新一代WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)的IEEE 802.11a和歐洲ETSI的HiperLAN/2中，均采用了OFDM技術(shù)。IEEE 802.11a工作在5GHz 頻帶，采用OFDM調(diào)制技術(shù)，速率可達(dá)54Mbit/s。HiperLAN/2物理層應(yīng)用了OFDM和鏈路自適應(yīng)技術(shù)，媒體接入控制（MAC）層采用面向連接、集中資源控制的TDMA/TDD 方式和無線ATM技術(shù)，最高速率達(dá)54Mbit/s，實(shí)際應(yīng)用最低也能保持在20Mbit/s左右。
可以看出，基帶信息比特流經(jīng)過編碼、調(diào)制、串并變換分成N個(gè)支路，即把數(shù)據(jù)流分別送到N個(gè)子信道上，對(duì)各子信道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正交調(diào)制后，經(jīng)射頻放大再發(fā)送。為徹底消除ISI，在符號(hào)間插入保護(hù)時(shí)間，OFDM中一般是插入循環(huán)前綴（CP），CP長(zhǎng)度大于信道最大時(shí)延。接收端刪除CP，用FFT對(duì)各個(gè)子信道信息流解調(diào)，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流后，再解調(diào)譯碼恢復(fù)信號(hào)。除了CP外，還需要發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，系統(tǒng)同步、功率控制等前導(dǎo)序列，典型的OFDM WLAN物理突發(fā)結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作在5GHz頻段的無線LAN系統(tǒng)通過使用不同的調(diào)制和編碼技術(shù)支持可變速率。目前，采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM可支持6~54Mbit/s的傳輸速率。
3 寬帶無線接入中的OFDM
OFDM是適用于無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，除了無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11a、HiperLAN/2等）外，還在寬帶無線接入（BWA）中得到應(yīng)用，所謂寬帶（Broadband）是指速率高于10Mbit/s 的傳輸系統(tǒng)，寬帶無線接入系統(tǒng)是針對(duì)微波及毫米波段中新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，它具有速率高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，能支持無線多媒體通信，適用于商務(wù)大樓、熱點(diǎn)地區(qū)及家庭用戶的寬帶接入。IEEE 802.16工作組專門負(fù)責(zé)BWA方面的技術(shù)工作，它已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)2~11GHz BWA的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16a，物理層采用了OFDM技術(shù)。 該標(biāo)準(zhǔn)不僅是新一代的無線接入技術(shù)，而且對(duì)未來蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展也具有重要意義。
在BWA領(lǐng)域，一些公司開發(fā)的技術(shù)雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術(shù)，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM (VOFDM)，Wi- LAN公司的 Wideband OFDM (WOFDM) ，F(xiàn)larion公司的 flash-OFDM。VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM則由Wi-LAN公司提出，構(gòu)成了OFDM的兩大陣營(yíng)：寬帶無線Internet論壇（BWIF）和OFDM論壇，它們力圖使自己的OFDM模式成為標(biāo)準(zhǔn)。由Wi-LAN公司倡導(dǎo)的OFDM論壇，有50多個(gè)成員，一些公司，如Breezecom, start-up BeamReach Networks 和 Nokia參加，OFDM論壇主要是協(xié)調(diào)提交到IEEE的OFDM提案。在Cisco倡導(dǎo)下，IEEE 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)組織IEEE-ISTO成立了寬帶Internet論壇(BWIF)，提供低成本寬帶無線接入技術(shù)，號(hào)召采用基于VOFDM的標(biāo)準(zhǔn)作為解決方案。
（1） VOFDM
VOFDM技術(shù)通過在OFDM傳輸系統(tǒng)中采用陣列天線實(shí)現(xiàn)空間分集，提高了信號(hào)質(zhì)量，是聯(lián)合OFDM和空時(shí)處理而得到的一種新技術(shù)。它利用了時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對(duì)噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。
VOFDM實(shí)現(xiàn)主要包括以下功能模塊：①OFDM，可編程控制的系統(tǒng)數(shù)據(jù)率和時(shí)延擴(kuò)展容限；②信道估計(jì)，采用突發(fā)模式的訓(xùn)練序列；③同步，魯棒的系統(tǒng)定時(shí)和頻率恢復(fù)；④空域處理，用作干擾刪除和發(fā)送、接收分集；⑤編碼， 采用級(jí)連的卷積碼和Reed-Solomon碼。
把OFDM和智能天線相結(jié)合的技術(shù)除了VOFDM外，還有美國(guó)Iospan公司開發(fā)的MIMO OFDM技術(shù)。Iospan的技術(shù)基于Stanford大學(xué)A. Paulraj教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在多輸入多輸出（MIMO），即空時(shí)信號(hào)處理方面的研究工作。MIMO是該項(xiàng)技術(shù)的核心，它能大大提高頻譜利用率和業(yè)務(wù)覆蓋范圍，系統(tǒng)具有可伸縮性和能保證QoS。Iospan的無線接入技術(shù)能在非視距（NLOS）傳播環(huán)境下很好工作。業(yè)界廣泛的共識(shí)是在下一代BWA系統(tǒng)中使用多天線技術(shù)，多天線技術(shù)能在有地形障礙，如樹、建筑物等條件下，提供可靠的高速寬帶業(yè)務(wù)。
（2） WOFDM
Wi-LAN公司發(fā)明的寬帶OFDM是IEEE 802.11a的基礎(chǔ)，同時(shí)它也提出了IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)。WOFDM通過擴(kuò)頻和前向糾錯(cuò)碼，如R-S碼降低了惡劣信道的影響，它把信道估計(jì)與Reed-Solomon算法配合使用，使糾錯(cuò)能力增加一倍。系統(tǒng)在接收信號(hào)強(qiáng)度為-75dBm時(shí)誤比特率（BER）能達(dá)到10-6。為降低信號(hào)的峰值—平均電平比，WOFDM采用了隨機(jī)相位的信號(hào)白化技術(shù)，通過對(duì)每個(gè)WOFDM符號(hào)乘以一個(gè)收發(fā)端已知的復(fù)向量，該向量具有單位幅度和相位。與無此操作的WOFDM符號(hào)相比，使發(fā)射信號(hào)變化變小，所以信號(hào)“白化”降低了信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，使系統(tǒng)對(duì)射頻功率放大器線性度要求降低。利用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)解決了載波信號(hào)恢復(fù)中的時(shí)鐘同步問題，DSSS是一種連續(xù)的包絡(luò)調(diào)制機(jī)制，它提供了一種不用預(yù)先設(shè)定自動(dòng)增益控制和自動(dòng)頻率控制而能獲取同步信號(hào)的方法，是一種非常簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的解決方案。WOFDM頻譜利用率高，用16QAM調(diào)制的商用WOFDM系統(tǒng)目前可到3.2bit/s/Hz的頻譜利用率。
WOFDM最初推出的ASIC芯片數(shù)據(jù)速率為32Mbit/s，調(diào)制方式為16QAM。如果把速率升至45Mbit/s，只需改變DSP中的軟件，選擇64QAM的調(diào)制方式即可，無需改變硬件。WOFDM目前已用作點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線接入解決方案。
（3） flash-OFDM
flash-OFDM是1998年由Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，后由朗訊科技下設(shè)的Flarion公司推出商用化產(chǎn)品。相對(duì)VOFDM、WOFDM而言，它的特點(diǎn)是能在移動(dòng)環(huán)境下工作，是一種移動(dòng)寬帶接入Internet解決方案。
flash-OFDM采用FDD雙工方式，工作頻段從220MHz～3.5GHz之間。上下行鏈路是數(shù)百個(gè)子信道組成的寬帶載波（擴(kuò)頻的OFDM），傳輸數(shù)據(jù)時(shí)給每個(gè)用戶分配子信道。每個(gè)子信道采用了自適應(yīng)調(diào)制和先進(jìn)的編碼技術(shù)，其頻譜利用率比CDMA 2000系統(tǒng)高3倍。flash-OFDM利用快速跳頻技術(shù)把信號(hào)擴(kuò)頻，具有頻率分集能力，減小了同一小區(qū)內(nèi)的用戶間干擾，它同時(shí)具有OFDM和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。除了跳頻外，為解決小區(qū)間干擾，采用了功率控制，用戶只發(fā)射能有效通信的功率�？罩薪涌诓捎梅纸M業(yè)務(wù)，支持全I(xiàn)P通信。 Flash-OFDM的MAC層不但增強(qiáng)了空中接口的性能，而且支持全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)接口。它的功能包括把IP包分割/重組成數(shù)百個(gè)比特的OFDM塊；采用ARQ大大降低話音的時(shí)延；提供豐富的IP QoS應(yīng)用接口等。
網(wǎng)絡(luò)層提供MAC層和骨干網(wǎng)的接口，它的功能包括IP會(huì)話管理；管理多種工作模式，如flash-OFDM/802.11，flash-OFDM/Bluetooth雙模；基站、移動(dòng)臺(tái)和用戶的授權(quán)、認(rèn)證；與AAA系統(tǒng)的接口；路由管理；數(shù)據(jù)加密等。
移動(dòng)層功能包括IP地址分配、切換管理、基站間通信等。系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)性支持的關(guān)鍵是當(dāng)用戶從一個(gè)BS移動(dòng)到另一個(gè)BS時(shí)，能跟隨用戶，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)連接和IP地址。它的移動(dòng)管理能力解決方案基于移動(dòng)IP和漫游時(shí)支持切換，切換過程能保證沒有分組丟棄。
從全I(xiàn)P的觀點(diǎn)看，flash-OFDM代表了理想的空中鏈路，支持移動(dòng)性和基于QoS的業(yè)務(wù)。物理層和MAC層為移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)特殊設(shè)計(jì)，基站控制信道的分配，以一定的優(yōu)先級(jí)傳送不同業(yè)務(wù)，如基于IP的話音、視頻會(huì)議等�？罩墟溌肥褂脩魯�(shù)據(jù)率和頻譜利用率高。它是基于IP的分布式網(wǎng)絡(luò)，支持實(shí)時(shí)的交互式業(yè)務(wù)和端到端的IP連接，能滿足業(yè)務(wù)提供商和運(yùn)營(yíng)商的需要, 易于部署和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。
4 結(jié)束語(yǔ)
為滿足未來無線多媒體通信需求，人們?cè)诩泳o實(shí)現(xiàn)3G系統(tǒng)商業(yè)化的同時(shí)，開始了后3G(Beyond 3G)的研究。從技術(shù)方面看，3G主要以CDMA為核心技術(shù)，而未來移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)則以O(shè)FDM最受矚目。在寬帶接入系統(tǒng)中，OFDM是一項(xiàng)基本技術(shù)。由于該系統(tǒng)良好的特性，將成為下一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無線接入技術(shù)。許多大學(xué)、著名公司已充分認(rèn)識(shí)到OFDM技術(shù)的應(yīng)用前景。紛紛開展了對(duì)無線OFDM的研究工作，除了解決OFDM的同步、峰平比高等傳統(tǒng)難題外，還包括OFDM與空時(shí)碼、聯(lián)合發(fā)送、聯(lián)合檢測(cè)、智能天線、動(dòng)態(tài)分組分配等相結(jié)合的研究工作。目前一些研究結(jié)果表明，它們能提高無線OFDM系統(tǒng)的性能，將形成未來OFDM系統(tǒng)的核心技術(shù)。對(duì)這些方面的研究是當(dāng)前一個(gè)非�；钴S的研究領(lǐng)域，有許多課題需要我們做進(jìn)一步的深入研究。
摘自《電信科學(xué)》
