OFDM-FDM與OFDM-TDMA性能比較

1 引言

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing，OFDM)是一種高效的數據傳輸方式，他通過(guò)串／并變換將高速數據流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸，一方面使各個(gè)子載波的符號速率大幅下降，相應的符號持續時(shí)間變大，減少符號間干擾的影響，有較強的抗時(shí)延擴展能力；另一方面信號的并行傳輸分散了瑞利衰落引起的突發(fā)性錯誤，提高了系統的抗突發(fā)錯誤的能力。由于OFDM各子載波相互正交，因此允許子載波頻譜混迭，充分利用有限的頻譜資源，使得其頻帶利用率高于傳統的FDM調制方式。

正是由于OFDM的這些優(yōu)點(diǎn)，使得他在HDSL，AD-SL，DAB(數字語(yǔ)音廣播)，HDTV(高清晰度數字電視)以及移動(dòng)通信方面得到了廣泛的應用。在IEEE提出的寬帶無(wú)線(xiàn)接入協(xié)議802.16a中，也建議采用OFDM調制方式。本文研究了IEEE 802.16a協(xié)議中支持的兩種多址方式：OFDM-TDMA，OFDM-FDMA，并對他們的性能進(jìn)行了比較。

2 OFDM-FDMA和OFDM-TDMA技術(shù)簡(jiǎn)介

由于一個(gè)多用戶(hù)系統的性能在很大程度上取決于其所采用的多址技術(shù)，所以在OFDM系統中，如何選擇一種高效的多址技術(shù)就顯得異常重要。通常的多址方法有3種：時(shí)分多址(TDMA)，頻分多址(FDMA)及碼分多址(CDMA)。在OFDM通信系統中，這3種多址方式都可以和OFDM調制相結合，分別稱(chēng)之為OFDM-TDMA，OFDM-FDMA和OFDM-CDMA。在IEEE 802.16a協(xié)議中，物理層是以OFDM調制為基礎的，支持兩種多址方式，即FDMA和TDMA。

OFDM-FDMA方案將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，通過(guò)將不同的子載波集分配給不同的用戶(hù)，可用帶寬資源可靈活地在不同移動(dòng)終端之間共享，從而避免了不同用戶(hù)間的多址干擾。OFDM-FDMA將所有載波的確定子集分配給每個(gè)用戶(hù)，這種分配表現為一種純粹的數字化的子載波管理，子載波分配不是固定的，而是采用自適應方式。對于有效的多址接入方案，當其進(jìn)行時(shí)間和帶寬資源分配時(shí)，應滿(mǎn)足高度適應性。具體體現在，一方面，應考慮頻率選擇性無(wú)線(xiàn)信道的特性；另一方面，也要滿(mǎn)足用戶(hù)對不同的或可變的數據傳輸速率的需求。OFDM-FD-MA系統中，這種適應性可由恰當選擇與每個(gè)用戶(hù)相關(guān)的子載波來(lái)滿(mǎn)足。每個(gè)用戶(hù)經(jīng)歷不同的無(wú)線(xiàn)信道的情況，可以通過(guò)只將具有高信噪比的“好”子載波分配給每個(gè)用戶(hù)來(lái)實(shí)現。而且特定用戶(hù)的子信道數目可以依據要求的傳輸速率進(jìn)行變化。

在OFDM-TDMA中，在一段時(shí)間內將全部帶寬資源(所有子載波)分配給一個(gè)特定的用戶(hù)，即在單個(gè)的TD-MA幀內，所有子載波在幾個(gè)時(shí)隙內為某個(gè)用戶(hù)獨占。這種OFDM-TDMA的時(shí)間、帶寬資源分配方式，可看作將全部資源(時(shí)間、帶寬)在時(shí)間軸上進(jìn)行分割。

在OFDM-TDMA系統中，假定全部帶寬分配給每個(gè)用戶(hù)，假如在單個(gè)TDMA幀內的一些OFDM符號間隔內，所有子載波被分配給一個(gè)用戶(hù)。每個(gè)TDMA幀的OFDM符號數目可以根據每個(gè)用戶(hù)的需求進(jìn)行變化。在OFDM-TDMA系統中，雙向業(yè)務(wù)可以由TDD方式實(shí)現，這種方式在上行和下行鏈路中都使用了子幀結構。OFDM-TDMA方案具有如下特點(diǎn)：

(1) OFDM-TDMA方案在特定的OFDM符號內將全部帶寬分配給一個(gè)用戶(hù)，這種分配方式不可避免地存在帶寬資源浪費、頻帶利用率低、靈活性差的缺點(diǎn)。

(2) OFDM-TDMA的信令開(kāi)銷(xiāo)在很大程度上取決于是否采用濾除具有較低信噪比子載波的技術(shù)和自適應調制／編碼技術(shù)。采用上述技術(shù)雖然可以改善性能但是也會(huì )增加信令開(kāi)銷(xiāo)。

圖1和圖2分別是OFDM-FDMA和OFDM-TD-MA的時(shí)頻示意圖。圖中用小方格的灰度不同來(lái)區分不同用戶(hù)。每個(gè)小方格表示一個(gè)OFDM符號中的一個(gè)子載波。在OFDM-FDMA系統中，不同用戶(hù)的子載波是以交織的方式分配的。在OFDM-TDMA系統中，每個(gè)用戶(hù)有一定數目的時(shí)隙，在該時(shí)隙內，所有的子載波都可以為該用戶(hù)所使用。假定每個(gè)時(shí)隙的長(cháng)度等于OFDM的符號長(cháng)度。

3 OFDM-TDMA和OFDM-FDMA的性能比較及仿真

這里采用Matlab軟件對OFDM系統進(jìn)行仿真，為了便于比較，設定OFDM-TDMA和OFDM-FDMA系統的參數一致。按照IEEE 802.16a協(xié)議，設定FFT變換的點(diǎn)數為2 048，可用子載波數目為1 702，假定系統有3個(gè)用戶(hù)。采用蒙特卡羅仿真法，選用16QAM凋制方式，仿真的符號數為100，所加噪聲為白高斯噪聲。圖3是在相同的比特速率情況下，OFDM-TDMA和OFDM-FDMA系統的誤比特率性能比較。在TDMA系統中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定一幀有3個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的長(cháng)度等于一個(gè)OFDM符號的長(cháng)度，每個(gè)用戶(hù)只在一幀中的一個(gè)時(shí)隙中傳輸數據。從圖中可以看出，OFDM-FDMA系統的性能要優(yōu)于OFDM-TDMA系統，這是因為T(mén)DMA中在一個(gè)時(shí)隙內只有一個(gè)用戶(hù)發(fā)送數據，由于各個(gè)子載波的衰落特性不同，所以有一些衰落嚴重的子載波就不能被使用，這樣那些未被使用的子載波就浪費掉了而不能被其他用戶(hù)使用，這就造成了頻率資源的浪費，因此在相同的用戶(hù)數據速率條件下他的性能就沒(méi)有FDMA的好。圖中為了便于比較，設定TDMA和FDMA的用戶(hù)數據速率相同，從而TDMA的誤比特率要高于FDMA系統。這一結果和文獻[5]的結論也是一致的。

4 結 語(yǔ)

本文研究了OFDM-FDMA和OFDM-TDMA這兩種多址技術(shù)，并基于IEEE 802.16a協(xié)議比較了他們的性能，仿真結果表明OFDM-FDMA系統的誤比特率性能要優(yōu)于OFDM-TDMA系統。