正交頻分復用技術(shù)在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的應用

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

l 引言

近年來(lái)，正交頻分復用(0FDM)技術(shù)因其可有效對抗多徑干擾(IsI)和提高系統容量而受到人們的極大關(guān)注，已在數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)中得到應用，是第四代移動(dòng)通信系統的有力競爭者。OFDM是多載波傳輸方案的實(shí)現方式之一，在許多文獻中OFDM也被稱(chēng)為離散多音(DMT)調制。它通過(guò)串并變換將高速數據流分配到多個(gè)子載波上，使得每個(gè)子載波上的數據符號持續長(cháng)度相對增加，從而可以有效地提高系統容量和對抗因無(wú)線(xiàn)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)現調制和解調，為其應用提供了可能。

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：可以有效對抗多徑傳播造成的符號間干擾，其實(shí)現復雜度比采用均衡器的單載波系統小很多；在變化相對較慢的信道上，0FDM系統可以根據每個(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，從而大大提高系統傳輸信息的容量：OFDM系統抗脈沖干擾的能力比單載波系統強。因為OFDM信號的解調是在1個(gè)很長(cháng)的符號周期內積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散；頻譜利用率高，OFDM信號由N個(gè)信號疊加而成，每個(gè)信號的頻譜均為Sinc函數，且與相鄰的信號頻譜有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。與MOAM調制方式(ηMQAM=0.5xlog2M）相比，頻譜利用率提高近l倍。

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

3 OFDM在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的應用

IEEE 802．11a是0FDM應用于WLAN的標準。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的數據速率。為了恢復處于不同衰落環(huán)境的子載波上的信號，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(cháng)度為7的卷積編碼，生成多項式為(133，171)，其他二種碼率通過(guò)對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種調制映射方式(BPSK、QPSK、16QAM和64QAM)。每個(gè)OFDM符號有64個(gè)子載波，其中48個(gè)傳輸數據，保護間隔為800ns，有效OFDM符號長(cháng)度為3．2μs，總帶寬為20MHz。其定時(shí)同步、載波頻偏估計和信道估計都是由2個(gè)前置訓練符號完成的，訓練符號由二部分組成：10個(gè)短訓練符號和2個(gè)長(cháng)訓練符號，總的訓練時(shí)間長(cháng)度為161xs。在選擇短訓練符號和長(cháng)訓練符號時(shí)，考慮到系統的PAPR問(wèn)題，通過(guò)合理的選擇訓練符號。使得PAPR可以在3dB左右。

4 自適應傳輸策略

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

5 結束語(yǔ)
從理論上說(shuō)．OFDM與單載波傳輸具有相同的信道容量．但是當存在嚴重符號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)受到國內外廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域是OFDM在下一代蜂窩無(wú)線(xiàn)通信系統中的應用，OFDM與多天線(xiàn)技術(shù)(MIMO)及空時(shí)編碼(STC)技術(shù)的結合可以大大提高蜂窩通信系統的性能。

到目前為止．OFDM技術(shù)已經(jīng)在眾多的高速數據傳輸領(lǐng)域得到成功的應用．如歐洲的數字音頻和視頻廣播(DAB／DVB)、歐洲和北美的高速無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系統f如HIPERLAN／2、IEEE802．11 a1，以及高比特率數字用戶(hù)線(xiàn)(xDSL)。當前，人們正在考慮在基于IEEE802．16標準的無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)、基于IEEE802．15標準的個(gè)人信息網(wǎng)(PAN)及下一代無(wú)線(xiàn)蜂窩移動(dòng)通信系統中使用OFDM技術(shù)?？梢灶A見(jiàn)．OFDM在未來(lái)的實(shí)際通信系統中將有廣泛的應用．OFDM已經(jīng)被公認為下一代蜂窩通信系統的核心技術(shù)。