淺析OFDM 技術(shù)在應急通信系統中的應用

1 概述

近年來(lái), 無(wú)論是自然災害的救援工作、公共衛生事件的防疫工作還是安全事件的秩序維護工作都對公共事件的相關(guān)部門(mén)處理緊急響應事件提出了越來(lái)越高的要求。相應部門(mén)無(wú)論是在預警方案和組織管理協(xié)調的軟件方面, 還是相應通信設備和管理指揮系統的硬件配備方面, 都面臨著(zhù)全新的考驗。因此,建設一套高效適用的應急通信系統, 為公眾提供更及時(shí)的救助服務(wù), 已成為當前一個(gè)重要而迫切的課題。作為第四代移動(dòng)通信技術(shù)的核心技術(shù)OFDM技術(shù), 其多載波的傳輸距離和圖像信號的流暢性均要優(yōu)越于單載波技術(shù), 適用于強調無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和無(wú)線(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)性通信應急通信系統。

2 OFDM 技術(shù)及特點(diǎn)

OFDM技術(shù)即正交頻分復用技術(shù), 它的提出已有40年的歷史, 與已經(jīng)普遍應用的FDM 技術(shù)十分相似, OFDM 技術(shù)把高速的數據流通過(guò)串/并變換分配到速率相對較低的若干個(gè)頻率子信道中進(jìn)行傳輸, 其第一個(gè)實(shí)際應用是軍用的無(wú)線(xiàn)高頻通信鏈路。

與傳統技術(shù)相比, OFDM 技術(shù)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

1)通過(guò)對高速率數據流進(jìn)行串/并轉換, 使得每個(gè)子載波上的數據符號持續長(cháng)度相對增加, 從而有效地減少由于無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)間彌散所帶來(lái)的符號間的干擾, 進(jìn)而減少了接收機內均衡器的復雜度, 有時(shí)甚至可以不采用均衡器, 而僅僅通過(guò)插入循環(huán)前綴的方法消除符號間干擾的不利影響。

2) OFDM 中由于各個(gè)子載波間存在正交性, 允許子信道的頻譜相互重疊, 因此, OFDM 系統可以最大限度地利用頻譜資源。OFDM 技術(shù)與傳統的FDM 技術(shù)帶寬利用率比較如圖1 所示。從圖1中可以看出, 傳統的FDM技術(shù)需要在兩個(gè)信道之間存在較大的頻率間隔來(lái)防止干擾, 這就降低了全部的頻譜利用率, 而應用OFDM技術(shù)的子載波正交復用技術(shù)大大減少了保護帶寬, 提高了頻譜利用率。

圖1 FDM 與OFDM 帶寬利用率的比較

3)各個(gè)子信道的正交調制和解調可以分別通過(guò)采用離散傅里葉反變換和離散傅里葉變換來(lái)實(shí)現, 而且當子載波數很多時(shí), 還可以通過(guò)采用快速傅里葉反變換和快速傅里葉變換來(lái)實(shí)現。

4) OFDM 系統物理層支持非對稱(chēng)的高速率數據傳輸, 通過(guò)使用不同數據的子信道可以實(shí)現上下行鏈路中不同的傳輸速率。

5) OFDM 技術(shù)易于和多種接入方式相結合使用。

但是OFDM 系統由于存在多個(gè)正交的子載波,而且輸出信號是多個(gè)子信道信號的疊加, 因此與傳統技術(shù)相比, 也存在一些缺點(diǎn)：

1)易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋, 這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變性在傳輸過(guò)程中造成的無(wú)線(xiàn)信號頻譜偏移, 或發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差, 都會(huì )使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞, 導致子載波之間干擾。

2)存在較高的峰值平均功率比。多載波系統的輸出是多個(gè)子信道信號的疊加, 因此如果多個(gè)信號的相位一致, 所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會(huì )遠遠高于信號的平均功率, 導致較大的峰值平均功率比。這就對發(fā)射機內放大器的線(xiàn)性度得出了很高的要求, 因此可能帶來(lái)信號畸變, 使信號的頻譜發(fā)生變化, 從而導致各個(gè)子信道間的正交性遭到破壞, 產(chǎn)生干擾, 使系統的性能惡化。

3 OFDM 技術(shù)在應急通信系統中的應用

McW iLL(多載波無(wú)線(xiàn)信息本地環(huán)路)寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統是我國自主研發(fā)的第一代寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統。M cW iLL采用的是國際最先進(jìn)的碼擴正交頻分多址、智能天線(xiàn)、空間零陷、聯(lián)合檢測等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。采用McW iLL系統在應急通信中, 只要一只簡(jiǎn)單的CPE 或者PCMCIA 卡, 無(wú)需進(jìn)行現場(chǎng)安裝、調試, 就能夠迅速提供高速無(wú)線(xiàn)連接, 同時(shí)由于其可移動(dòng)性, 便攜性, 能夠滿(mǎn)足應急通信的更多需要。

McW iLL系統由終端設備CPE、基站系統BTS以及網(wǎng)元管理系統EMS三個(gè)部分組成。其中, 終端設備CPE 完成用戶(hù)端計算機與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接。