OFDM在無線城域網(wǎng)的應(yīng)用
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寬帶無線接入技術(shù)的發(fā)展極為迅速,各種微波、無線通信領(lǐng)域的先進(jìn)手段和方法不斷引入，一方面這些技術(shù)充分利用過去應(yīng)用不是很多的頻率資源；另一方面它們?nèi)诤狭嗽谄渌ㄐ蓬I(lǐng)域成功應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)，如高階QAM調(diào)制、OFDM等，以實現(xiàn)更大的頻譜利用率、更豐富的業(yè)務(wù)接入能力、更靈活的帶寬分配方法。寬帶無線接入技術(shù)發(fā)展的趨勢包括：OFDM技術(shù)開始興起，多址方式不斷充實，調(diào)制方式向多狀態(tài)化發(fā)展，雙工方式都可選擇，同時支持電路交換與分組交換，帶寬動態(tài)分配、業(yè)務(wù)接口日趨豐富。
OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，適合在多徑傳播和多普勒頻移的無線移動信道中傳輸高速數(shù)據(jù)。它能有效對抗多徑效應(yīng)，消除符號間干擾，對抗頻率選擇性衰落，而且信道利用率高。OFDM技術(shù)先后被歐洲數(shù)字音頻廣播（DAB）、歐洲數(shù)字視頻廣播（DVB）、HIPERLAN和IEEE802.11無線局域網(wǎng)等系統(tǒng)采用。
IEEE802.16工作組負(fù)責(zé)寬帶無線標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，2003年1月29日IEEE通過了802.16a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范書，解決了2GHz～11GHz之間頻率范圍的寬帶無線問題。802.16a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確定義了OFDM技術(shù)作為無線數(shù)據(jù)傳輸方式。
802.16a的發(fā)展歷程及技術(shù)特點
IEEE802.16工作組成立于1999年，其工作主要內(nèi)容是制訂寬帶無線接入標(biāo)準(zhǔn)，包括空中接口及其相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)。它由三個工作小組組成，每個小組分別負(fù)責(zé)不同的方面：IEEE802.16.1負(fù)責(zé)制定頻率為10GHz～60GHz的無線接口標(biāo)準(zhǔn)；IEEE802.16.2負(fù)責(zé)制定寬帶無線接入系統(tǒng)共存方面的標(biāo)準(zhǔn)；IEEE 802.16.3負(fù)責(zé)制定頻率范圍在2GHz～10GHz之間獲得頻率使用許可應(yīng)用的無線接口標(biāo)準(zhǔn)。
IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)于2001年12月通過批準(zhǔn)，802.16標(biāo)準(zhǔn)定義無線城域網(wǎng)單載波空中接口，即傳輸頻率10GHz～66GHz的單載波調(diào)制模式。由于工作波長較短，必須要求視距傳輸(LOS)，多徑衰落是可以忽略的，因此在該頻段的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定仍然采用單載波調(diào)制方式。
IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)物理層不適合較低頻率的應(yīng)用，其覆蓋范圍在可視距離之內(nèi)。2003年1月29日，IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)有了修正草案IEEE802.16a，以解決較低頻率的無線連接問題。802.16a在2GHz～11Gz的頻帶上提供連接家庭、企業(yè)和無線局域網(wǎng)熱點的無線最后一公里寬帶接入。
802.16a規(guī)范是IEEE802.16規(guī)范的擴(kuò)展，大大改進(jìn)了非視距性能，是目前在出現(xiàn)樹木和建筑等障礙時最合適的技術(shù)。基站可以安裝在住宅或建筑頂部，而不必安裝在山頂上的高塔上。
IEEE802.16a對特許和非特許頻段的通信作了明確規(guī)定，在特許頻段內(nèi)可以使用單載波調(diào)制或正交頻分復(fù)用。在各種管理環(huán)境和部署環(huán)境確定的情況下，經(jīng)營特許頻段業(yè)務(wù)的運(yùn)營商就可以選用一種模式定制其解決方案。至于非特許頻譜采用哪一種模式尚無規(guī)范，但就IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)而論，目前的修正草案規(guī)定用OFDM模式。在非特許頻譜通信時，無線城域網(wǎng)之間以及無線城域網(wǎng)與無線局域網(wǎng)等其他通信業(yè)務(wù)之間會產(chǎn)生干擾。作為解決這個問題的一個辦法，802.16a修正草案為非特許頻譜規(guī)定了動態(tài)頻率選擇，并支持有些用戶臺繞過基站與其他轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的用戶臺通信的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)大了蜂窩覆蓋范圍，直接連接基站不能連接的用戶。
OFDM技術(shù)
OFDM是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM相對于一般的多載波傳輸?shù)牟煌幨撬试S子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交，則可以從混疊的子子載波上分離出數(shù)據(jù)信號。由于OFDM允許子載波頻譜混跌，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調(diào)制方式。
OFDM技術(shù)在20世紀(jì)60年代中期被首次提出，但在之后相當(dāng)長的一段時間，OFDM技術(shù)一直沒有形成大規(guī)模的應(yīng)用。當(dāng)時OFDM技術(shù)的發(fā)展遇到了很多似乎難于解決的問題。首先，OFDM要求各個子載波之間相互正交，盡管理論上發(fā)現(xiàn)采用快速傅立葉變換（FFT）可以很好地實現(xiàn)這種調(diào)制方式，但實際上，如此復(fù)雜的實時傅立葉變換設(shè)備在當(dāng)時是根本無法完成的。此外，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素也都是OFDM技術(shù)實現(xiàn)的制約條件。
20世紀(jì)80年代以來，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展解決了FFT的實現(xiàn)問題，隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼（TrellisCode）技術(shù)、軟判決技術(shù)（SoftDecision）、信道自適應(yīng)技術(shù)等的應(yīng)用，OFDM技術(shù)開始從理論向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化。OFDM技術(shù)憑借其固有的對時延擴(kuò)展較強(qiáng)的抵抗力和較高的頻譜效率兩大優(yōu)勢迅速成為研究的焦點并被多個國際規(guī)范采用，如歐洲的數(shù)字音頻廣播、數(shù)字視頻廣播和IEEE的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11a。
802.16a中的OFDM技術(shù)
IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在特許頻段，可以使用單載波調(diào)制或正交頻分復(fù)用，對于非特許頻段，必須使用正交頻分復(fù)用調(diào)制方式。
OFDM碼元由子載波構(gòu)成，子載波的數(shù)目決定了FFT的點數(shù)，有三種類型的子載波：
數(shù)據(jù)子載波：用來數(shù)據(jù)傳輸。
導(dǎo)頻子載波：用于信道估計等。
空子載波： 不用于傳輸，只用于保護(hù)頻帶和DC子載波。
802.16a標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)的帶寬取決于各個國家的具體規(guī)定，帶寬可以是1.75MHz的整數(shù)倍，或者6、10、15、20MHz等。另外，在IEEE802.16a中，對于保護(hù)時間與有效時間的比值，規(guī)定可以在1/4、1/8、1/16和1/32中選取，這樣在不同的多徑時延擴(kuò)展環(huán)境下，可以選取不同的保護(hù)時間，在抵抗多徑衰落特性和高傳輸效率之間取得平衡。保護(hù)時間Tg最大達(dá)到6.4 μs，可以應(yīng)用于室外環(huán)境。
表1給出了工作帶寬10MHz情況下256子載波OFDM中的參數(shù)。
在OFDMA方式中，F(xiàn)FT點數(shù)為2048，除去DC和保護(hù)子載波，剩下的為有效子載波。這些有效子載波分為多個子載波子集，每個子集稱為子信道（subchannel）。在下行鏈路（DL）中,一個子信道可能會對應(yīng)不同的接收端，而在上行鏈路(UL)中，一個發(fā)送端可以占用一個或多個子信道。
上行和下行鏈路中導(dǎo)頻子載波和數(shù)據(jù)子載波的分配不同：在下行鏈路中，導(dǎo)頻子載波首先分配，剩下的為專門傳送數(shù)據(jù)的子載波。在上行鏈路中，有用的子載波先分為子信道，然后在每個子信道中各自分配導(dǎo)頻子載波。這樣，在下行鏈路中存在著公共的導(dǎo)頻子載波集，但在下行鏈路中，每個子信道包括它自己的導(dǎo)頻子載波集。這是必需的，因為在OFDMA中，基站(BS)下行鏈路對所有的用戶站(SS)進(jìn)行廣播，但在上行鏈路中，每個子信道可能來自不同的SS。
有效子載波分為固定位置的導(dǎo)頻，不定位置的導(dǎo)頻及數(shù)據(jù)子信道。固定位置的導(dǎo)頻子載波的位置保持不變，它們的位置編號屬于基本固定導(dǎo)頻集。不定位置導(dǎo)頻在碼元中的位置每隔4個碼元變換一次。
在分配了導(dǎo)頻子信道后，剩下的有用的子載波是數(shù)據(jù)子載波。因為不定位置的導(dǎo)頻子載波在每個碼元中中的位置變化，每4個碼元重復(fù)一次，因此數(shù)據(jù)子載波的位置也相應(yīng)發(fā)生變化。
結(jié)論
IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)是針對無線城域網(wǎng)接入方式而提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)采用了OFDM技術(shù)，大大改進(jìn)了非視距性，增加了傳輸距離，降低了運(yùn)營成本。近期芯片制造巨頭英特爾公司宣布將開發(fā)支持高速無線通信標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.16a芯片組，標(biāo)志著這種新興的無線接入標(biāo)準(zhǔn)被主要廠商所接受。我們相信802.16a會展現(xiàn)寬帶無線通信新的前景。
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