淺析OFDM 技術(shù)在應(yīng)急通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 概述

近年來(lái), 無(wú)論是自然災(zāi)害的救援工作、公共衛(wèi)生事件的防疫工作還是安全事件的秩序維護(hù)工作都對(duì)公共事件的相關(guān)部門(mén)處理緊急響應(yīng)事件提出了越來(lái)越高的要求。相應(yīng)部門(mén)無(wú)論是在預(yù)警方案和組織管理協(xié)調(diào)的軟件方面, 還是相應(yīng)通信設(shè)備和管理指揮系統(tǒng)的硬件配備方面, 都面臨著全新的考驗(yàn)。因此,建設(shè)一套高效適用的應(yīng)急通信系統(tǒng), 為公眾提供更及時(shí)的救助服務(wù), 已成為當(dāng)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(hào)的流暢性均要優(yōu)越于單載波技術(shù), 適用于強(qiáng)調(diào)無(wú)線語(yǔ)音和無(wú)線視頻的實(shí)時(shí)性通信應(yīng)急通信系統(tǒng)。

2 OFDM 技術(shù)及特點(diǎn)

OFDM技術(shù)即正交頻分復(fù)用技術(shù), 它的提出已有40年的歷史, 與已經(jīng)普遍應(yīng)用的FDM 技術(shù)十分相似, OFDM 技術(shù)把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串/并變換分配到速率相對(duì)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(yīng)用是軍用的無(wú)線高頻通信鏈路。

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

1)通過(guò)對(duì)高速率數(shù)據(jù)流進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換, 使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加, 從而有效地減少由于無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶來(lái)的符號(hào)間的干擾, 進(jìn)而減少了接收機(jī)內(nèi)均衡器的復(fù)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(hào)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(tǒng)可以最大限度地利用頻譜資源。OFDM 技術(shù)與傳統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)用OFDM技術(shù)的子載波正交復(fù)用技術(shù)大大減少了保護(hù)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(diào)制和解調(diào)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(xiàn), 而且當(dāng)子載波數(shù)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(xiàn)。

4) OFDM 系統(tǒng)物理層支持非對(duì)稱的高速率數(shù)據(jù)傳輸, 通過(guò)使用不同數(shù)據(jù)的子信道可以實(shí)現(xiàn)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(jié)合使用。

但是OFDM 系統(tǒng)由于存在多個(gè)正交的子載波,而且輸出信號(hào)是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加, 因此與傳統(tǒng)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(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。無(wú)線信道的時(shí)變性在傳輸過(guò)程中造成的無(wú)線信號(hào)頻譜偏移, 或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差, 都會(huì)使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞, 導(dǎo)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(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加, 因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致, 所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率, 導(dǎo)致較大的峰值平均功率比。這就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度得出了很高的要求, 因此可能帶來(lái)信號(hào)畸變, 使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化, 從而導(dǎo)致各個(gè)子信道間的正交性遭到破壞, 產(chǎn)生干擾, 使系統(tǒng)的性能惡化。

3 OFDM 技術(shù)在應(yīng)急通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

McW iLL系統(tǒng)由終端設(shè)備CPE、基站系統(tǒng)BTS以及網(wǎng)元管理系統(tǒng)EMS三個(gè)部分組成。其中, 終端設(shè)備CPE 完成用戶端計(jì)算機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接。