OFDMA加速提升4G網(wǎng)絡(luò )傳輸質(zhì)量
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目前的3G無(wú)線(xiàn)通信通過(guò)在物理傳輸層采用碼分多址(CDMA)技術(shù)一直在成功地為新應用提供更多帶寬。與通過(guò)頻率或時(shí)間分割在同一信道傳送多個(gè)數據的老方法不同，CDMA利用伴隨每條信道代碼的建設性干擾特性實(shí)現復用，從而在電信運營(yíng)商所用的整個(gè)頻譜內傳送數據。CDMA在分組切換語(yǔ)音無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域被證明是有效的；與以前系統相比，擴頻技術(shù)允許更有效、更靈活地利用帶寬。
就4G標準而言，兩個(gè)主要的3G標準組織——第三代合作伙伴計劃(3GPP)和第三代合作伙伴計劃第二組(3GPP2)已指出，正交頻分多址(OFDMA)是它們選用的物理層傳輸技術(shù)。
OFDM概述
OFDMA以正交頻分復用(OFDM)為基礎。OFDM技術(shù)出現已有段時(shí)間了，且已用在A(yíng)DSL、Wi-Fi(802.11a/g)、DVB-H及其它高速數字傳輸系統中。因而OFDM在蜂窩無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的最初實(shí)現是定點(diǎn)接入的WiMAX802.16d也就不足為奇了。該無(wú)線(xiàn)技術(shù)已被用于提供高速因特網(wǎng)接入——既可作為諸如ADSL或有線(xiàn)等其它接入技術(shù)的替代，又可在其它接入技術(shù)沒(méi)覆蓋的地區提供服務(wù)。
在OFDM中，采用快速傅立葉變換(FFT)將可用帶寬分成數學(xué)上正交的許多小帶寬。而頻帶的重構是由快速傅立葉反變換(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定義得很完善的算法，當大小為2的整數倍時(shí)，可被非常高效地實(shí)現。OFDM系統的典型FFT大小是512、1024和2048，而較小的128和256也是可能的?？芍С?、10和20MHz帶寬。該技術(shù)的一個(gè)優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。即便整個(gè)可用帶寬改變了，較小的帶寬單元也可維持不變。例如：10MHz可分成1,024個(gè)小頻帶；而5MHz可分成512個(gè)小頻帶。這些典型大小為10kHz的小頻帶被稱(chēng)為子載波。
圖1：在OFDM系統中，可用帶寬分割成許多子載波
‘多徑’效應是目前無(wú)線(xiàn)系統面臨的挑戰之一。多徑來(lái)自發(fā)射器和接收器間的反射，反射在不同時(shí)刻到達接收器。分離各反射的時(shí)間間隔被稱(chēng)為延遲擴展。當延遲擴展與發(fā)送的符號時(shí)間(SymbolTime)大致相等時(shí)，這種干擾有可能引發(fā)問(wèn)題。典型的延遲擴展時(shí)長(cháng)幾微秒，與CDMA符號時(shí)間接近。OFDMA的符號時(shí)間大致在100微秒，因而多徑現象的影響不太嚴重。為緩解多徑效應，在每一符號后插入一個(gè)約10微秒、稱(chēng)為循環(huán)前綴的警戒邊帶。
為得到更高數據速率，OFDM系統必須比CDMA系統更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位數稱(chēng)為頻譜效率。采用高階調制是實(shí)現更高效率的方法之一。調制是指每一子載波發(fā)送的位數。例如，在正交振幅調制(QAM)中，每載頻發(fā)送2位。在16QAM和64QAM中，每個(gè)子載波分別發(fā)送4和6位。在4G系統，因預期會(huì )采用64QAM，所以其頻譜效率很高。
圖2：用于LOS和NLOS環(huán)境的WiMAX技術(shù)
OFDM的另一個(gè)好處是采用了先進(jìn)的多天線(xiàn)信號處理技術(shù)。多輸入多輸出(MIMO)和波束成形(通常指AAS)是兩種最常用的技術(shù)。
在MIMO中，系統接收來(lái)自不同發(fā)射天線(xiàn)的信號會(huì )有很大差異。在室內或建筑密集的都市，由于發(fā)射器和接收器之間存在許多反射和多徑，因而這種情況很普遍。在這種情況下，每個(gè)天線(xiàn)可以相同頻率發(fā)送另一個(gè)不同信號，而在接收器端通過(guò)信號處理還可恢復該信號。理解這種特性的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是考慮一個(gè)標準的、有N個(gè)方程和N個(gè)未知量的方程組，可借助熟知的矩陣求逆技術(shù)來(lái)求解該方程組。以這種方式重復利用頻率被稱(chēng)為Re-use1，同一頻率在同一時(shí)間被用于不同信號。
而波束成形則是一種發(fā)射技術(shù)，它試圖在接收器內為多個(gè)發(fā)射器形成一個(gè)一致架構。這種技術(shù)可在接收器端得到很高的信噪比(SNR)，另外，它還可提供更寬帶寬或以相同發(fā)射功率實(shí)現更遠距離。波束成形不是利用天線(xiàn)間的不同空氣接觸反射原理，而是對信號進(jìn)行修改以使其統一。因此，波束成形對頻率的重復利用與MIMO所用的方式不同。將頻率分成不同的頻段用于不同蜂窩單元被稱(chēng)為Re-use3。
在一些應用中，可能結合MIMO和波束成形技術(shù)，尤其是在4天線(xiàn)系統中。一個(gè)理想的系統應根據其特性進(jìn)行切換以便在不同模式運作。
圖3：OFDM內的幀分配
OFDMA介紹
OFDMA是為將OFDM技術(shù)從定點(diǎn)接入無(wú)線(xiàn)系統擴展為具有移動(dòng)能力的真正蜂窩系統而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。其底層技術(shù)是相同的，更多靈活性是通過(guò)系統工作定義實(shí)現的。在OFDMA，子載波被組合成稱(chēng)為副信道的更大單元，這些副信道進(jìn)一步被組合成可分配給無(wú)線(xiàn)用戶(hù)的“突簇(burst)”。每個(gè)突簇分配可在幀間及該調制等級內改變，從而允許基站根據目前的系統需求動(dòng)態(tài)調整帶寬用法。
另外，由于每位用戶(hù)只占用一部分帶寬，所以根據目前系統需求還可調節每個(gè)用戶(hù)的功率。服務(wù)質(zhì)量(QoS)是另一個(gè)特性,可適用于不同用戶(hù)的特殊應用(如：語(yǔ)音、流視頻或因特網(wǎng)接入等)。
如上所述，OFDM和OFDMA允許系統容易地適應可用頻譜。3GPP(LTE)和WiMAX系統發(fā)展的長(cháng)期目標是支持帶寬從1.25到20MHz間的分配。此外，這兩種系統都既支持時(shí)分又支持頻分復用。所有這些靈活性將允許服務(wù)供應商根據市場(chǎng)需要在不同地區以不同方式推出不同的４G系統。
在4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的早期發(fā)展過(guò)程中，系統開(kāi)發(fā)者開(kāi)始考慮哪種方案最適合WiMAX以及其它基于OFDMA的設備。在許多方面，對早期無(wú)線(xiàn)應用的一般考慮同樣適用于OFDMA：高計算性能、低功耗、編程靈活性、集成的高速外設、完善的軟件平臺及全面的開(kāi)發(fā)工具?？蓾M(mǎn)足這些需求的DSP供應商將能提供最適合4G網(wǎng)絡(luò )的方案。例如TI的TMS320TCI6487就是這樣一種方案。它整合了3個(gè)1GHzC64x+DSP核、帶有全部3MB片上存儲器以及高速接口。
本文小結
向4G網(wǎng)絡(luò )的轉變給無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)新的期待。4G網(wǎng)絡(luò )的更快速度和分組傳輸將使高質(zhì)量多媒體無(wú)處不在。實(shí)現這種高水平服務(wù)的關(guān)鍵就是新的無(wú)線(xiàn)接口——OFDMA，而使其得以實(shí)現的關(guān)鍵則是新一代DSP的高性能。通過(guò)將特定頻譜分成多個(gè)子載波，OFDMA可提供需要相對較低功率的強勁信號，并可高效利用帶寬。利用OFDMA，運營(yíng)商可從更大的靈活性中受益，因為在相同的頻譜下，它們可提供更多信道(包括高帶寬信道)及更多種服務(wù)。目前，這些系統仍處在定義和原型開(kāi)發(fā)階段，不過(guò)，4G技術(shù)的關(guān)鍵部分已經(jīng)就位，向無(wú)線(xiàn)通信新紀元的進(jìn)軍即將起步。
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