OFDM-FDM與OFDM-TDMA性能比較

1 引言

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing，OFDM)是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，他通過串／并變換將高速數(shù)據(jù)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(hào)速率大幅下降，相應(yīng)的符號(hào)持續(xù)時(shí)間變大，減少符號(hào)間干擾的影響，有較強(qiáng)的抗時(shí)延擴(kuò)展能力；另一方面信號(hào)的并行傳輸分散了瑞利衰落引起的突發(fā)性錯(cuò)誤，提高了系統(tǒng)的抗突發(fā)錯(cuò)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(tǒng)的FDM調(diào)制方式。

正是由于OFDM的這些優(yōu)點(diǎn)，使得他在HDSL，AD-SL，DAB(數(shù)字語音廣播)，HDTV(高清晰度數(shù)字電視)以及移動(dòng)通信方面得到了廣泛的應(yīng)用。在IEEE提出的寬帶無線接入?yún)f(xié)議802.16a中，也建議采用OFDM調(diào)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(duì)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)多用戶系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中，這3種多址方式都可以和OFDM調(diào)制相結(jié)合，分別稱之為OFDM-TDMA，OFDM-FDMA和OFDM-CDMA。在IEEE 802.16a協(xié)議中，物理層是以O(shè)FDM調(diào)制為基礎(chǔ)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，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，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，這種分配表現(xiàn)為一種純粹的數(shù)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(yīng)方式。對(duì)于有效的多址接入方案，當(dāng)其進(jìn)行時(shí)間和帶寬資源分配時(shí)，應(yīng)滿足高度適應(yīng)性。具體體現(xiàn)在，一方面，應(yīng)考慮頻率選擇性無線信道的特性；另一方面，也要滿足用戶對(duì)不同的或可變的數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。OFDM-FD-MA系統(tǒng)中，這種適應(yīng)性可由恰當(dāng)選擇與每個(gè)用戶相關(guān)的子載波來滿足。每個(gè)用戶經(jīng)歷不同的無線信道的情況，可以通過只將具有高信噪比的“好”子載波分配給每個(gè)用戶來實(shí)現(xiàn)。而且特定用戶的子信道數(shù)目可以依據(jù)要求的傳輸速率進(jìn)行變化。

在OFDM-TDMA中，在一段時(shí)間內(nèi)將全部帶寬資源(所有子載波)分配給一個(gè)特定的用戶，即在單個(gè)的TD-MA幀內(nèi)，所有子載波在幾個(gè)時(shí)隙內(nèi)為某個(gè)用戶獨(dú)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(tǒng)中，假定全部帶寬分配給每個(gè)用戶，假如在單個(gè)TDMA幀內(nèi)的一些OFDM符號(hào)間隔內(nèi)，所有子載波被分配給一個(gè)用戶。每個(gè)TDMA幀的OFDM符號(hào)數(shù)目可以根據(jù)每個(gè)用戶的需求進(jìn)行變化。在OFDM-TDMA系統(tǒng)中，雙向業(yè)務(wù)可以由TDD方式實(shí)現(xiàn)，這種方式在上行和下行鏈路中都使用了子幀結(jié)構(gòu)。OFDM-TDMA方案具有如下特點(diǎn)：

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

(2) OFDM-TDMA的信令開銷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(yīng)調(diào)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)增加信令開銷。

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區(qū)分不同用戶。每個(gè)小方格表示一個(gè)OFDM符號(hào)中的一個(gè)子載波。在OFDM-FDMA系統(tǒng)中，不同用戶的子載波是以交織的方式分配的。在OFDM-TDMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶有一定數(shù)目的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)，所有的子載波都可以為該用戶所使用。假定每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度等于OFDM的符號(hào)長(zhǎng)度。

3 OFDM-TDMA和OFDM-FDMA的性能比較及仿真

這里采用Matlab軟件對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為了便于比較，設(shè)定OFDM-TDMA和OFDM-FDMA系統(tǒng)的參數(shù)一致。按照IEEE 802.16a協(xié)議，設(shè)定FFT變換的點(diǎn)數(shù)為2 048，可用子載波數(shù)目為1 702，假定系統(tǒng)有3個(gè)用戶。采用蒙特卡羅仿真法，選用16QAM凋制方式，仿真的符號(hào)數(shù)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(tǒng)的誤比特率性能比較。在TDMA系統(tǒng)中，為簡(jiǎn)單起見，假定一幀有3個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度等于一個(gè)OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度，每個(gè)用戶只在一幀中的一個(gè)時(shí)隙中傳輸數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，OFDM-FDMA系統(tǒng)的性能要優(yōu)于OFDM-TDMA系統(tǒng)，這是因?yàn)門DMA中在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只有一個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，由于各個(gè)子載波的衰落特性不同，所以有一些衰落嚴(yán)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(fèi)掉了而不能被其他用戶使用，這就造成了頻率資源的浪費(fèi)，因此在相同的用戶數(shù)據(jù)速率條件下他的性能就沒有FDMA的好。圖中為了便于比較，設(shè)定TDMA和FDMA的用戶數(shù)據(jù)速率相同，從而TDMA的誤比特率要高于FDMA系統(tǒng)。這一結(jié)果和文獻(xiàn)[5]的結(jié)論也是一致的。

4 結(jié) 語

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(jié)果表明OFDM-FDMA系統(tǒng)的誤比特率性能要優(yōu)于OFDM-TDMA系統(tǒng)。