ofdma技術(shù)的基本原理是什么?ofdma優(yōu)缺點(diǎn)介紹 - 全文

　　OFDMA是OFDM技術(shù)的演進(jìn)，將OFDM和FDMA技術(shù)結(jié)合。在利用OFDM對信道進(jìn)行子載波化后，在部分子載波上加載傳輸數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)。OFDMA又分為子信道（Subchannel）OFDMA和跳頻OFDMA。

　　OFDMA基本原理

　　多徑效應(yīng)是目前無線系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。多徑來自發(fā)射器和接收器間的反射，反射在不同時(shí)刻到達(dá)接收器。分離各反射的時(shí)間間隔被稱為延遲擴(kuò)展。當(dāng)延遲擴(kuò)展與發(fā)送的符號時(shí)間（Symbol Time）大致相等時(shí)，這種干擾有可能引發(fā)問題。典型的延遲擴(kuò)展時(shí)長幾微秒，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(xiàn)象的影響不太嚴(yán)重。為緩解多徑效應(yīng)，在每一符號后插入一個(gè)約10微秒、稱為循環(huán)前綴的警戒邊帶。

　　為得到更高數(shù)據(jù)速率，OFDM系統(tǒng)必須比CDMA系統(tǒng)更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位數(shù)稱為頻譜效率。采用高階調(diào)制是實(shí)現(xiàn)更高效率的方法之一。階數(shù)是指每一子載波發(fā)送的位數(shù)。例如，在正交振幅調(diào)制（QAM）中，每載頻發(fā)送2位。在16 QAM和64 QAM中，每個(gè)子載波分別發(fā)送4和6位。在4G系統(tǒng)，因預(yù)期會采用64 QAM，所以其頻譜效率很高。OFDMA針對多用戶通信進(jìn)行了優(yōu)化，尤其是蜂窩電話和其它移動設(shè)備。

　　它是針對蜂窩電話長期演進(jìn)（LTE）的最合適調(diào)制方案。在這種演變的過程中， OFDMA的名稱變?yōu)楦咚僬活l分復(fù)用分組接入（HSOPA）。OFDMA的變量由WiMAX論壇選為調(diào)制方案，后來又根據(jù)IEEE針對IEEE 802.16-2004（固話）和802.12e（移動）WiMAX的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

　　與CDMA（碼分多址接入）寬帶CDMA及通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）這類3G調(diào)制方案相比，它的好處在于具有更高的頻譜效率和更好的抗衰落性能。對于低數(shù)據(jù)率用戶，它只需要更低的發(fā)射功耗，具有恒定而不是隨時(shí)間變化的更短延遲，以及避免沖突的更簡潔方法。

　　OFDMA會把副載波的子集分配給各個(gè)用戶。以關(guān)于信道狀態(tài)的反饋為基礎(chǔ)，系統(tǒng)能執(zhí)行自適應(yīng)用戶到副載波的分配。只要這些副載波分配被迅速地執(zhí)行，與OFDM相比，快速衰退、窄帶同頻干擾性能都得到了改進(jìn)。反過來，這又改進(jìn)了系統(tǒng)的頻譜效率。

　　OFDMA將整個(gè)頻帶分割成許多子載波，將頻率選擇性衰落信道轉(zhuǎn)化為若干平坦衰落子信道，從而能夠有效地抵抗無線移動環(huán)境中的頻率選擇性衰落。由于子載波重疊占用頻譜，OFDM能夠提供較高的頻譜利用率和較高的信息傳輸速率。通過給不同的用戶分配不同的子載波，OFDMA提供了天然的多址方式，并且由于占用不同的子載波，用戶間滿足相互正交，沒有小區(qū)內(nèi)干擾（如圖1所示）。同時(shí)，OFDMA可支持兩種子載波分配模式：分布式和集中式。在子載波分布式分配的模式中，可以利用不同子載波的頻率選擇性衰落的獨(dú)立性而獲得分集增益。

　　此外，因?yàn)镺FDMA已成為下行鏈路的主流方案，上行鏈路如也采用OFDMA，LTE的上下行鏈路將具有最大的一致性，可以簡化終端的設(shè)計(jì)。

　　一個(gè)分配了M個(gè)子載波的用戶的傳輸信號可表示為：D =［d 0，d 1……d M-1］T，其中，T代表矩陣轉(zhuǎn)置，di是調(diào)制信號。

　　經(jīng)過快速傅立葉反變換（IFFT）調(diào)制后，信號向量S =F N* T N，M D，其中TN，M代表子載波分配的映射矩陣，其元素是表達(dá)子載波的分布式或者集中式分配。F*N是N點(diǎn)IFFT矩陣，*代表共軛轉(zhuǎn)置，并且FN=［f 1T，f 2T……f NT］T

　　經(jīng)過衰落信道和快速傅立葉變換（FFT）信號處理后，頻域的接收信號可以作如下表達(dá)：R=HTN，M D+n，其中H=diag（Hk），Hk是第k個(gè)子載波上的頻域響應(yīng)；n是高斯噪聲向量；R=［r（0），r ⑴ ……r （N-1）］T，r （k）是第k個(gè)子載波上的接收信號。

　　由于OFDM的時(shí)域信號是若干平行隨機(jī)信號之和，因而容易導(dǎo)致高PAPR?；径说墓β氏拗葡鄬^弱，并且可以采用較為昂貴的功率放大器，所以在下行鏈路中，高PAPR不會帶來太大的問題。然而，在上行鏈路中，由于用戶終端的功率放大器要求低成本，并且電池的容量有限，因而高PAPR會將降低UE的功率利用率，減小上行的有效覆蓋。為避免OFDM的上述缺點(diǎn)，必須降低PAPR。

　　降低OFDM的PAPR的技術(shù)有很多，比如選擇性映射、削波和濾波等等。文獻(xiàn)［6］中證明了通過削波和濾波，可以將PAPR降低到6 dB以下時(shí)，同時(shí)對OFDM的性能影響很小，而且?guī)淼膹?fù)雜度增加也是可以接受的。因此，本文將主要研究不同多址方案的鏈路級性能的比較。在OFDM中，采用快速傅立葉變換（FFT）將可用帶寬分成數(shù)學(xué)上正交的許多小帶寬。而頻帶的重構(gòu)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(dāng)大小為2的整數(shù)倍時(shí)，可被非常高效地實(shí)現(xiàn)。OFDM系統(tǒng)的典型FFT大小是512、1024和2048，而較小的 128和256也是可能的。可支持5、10和20 MHz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10 kHz的小頻帶被稱為子載波。

　　OFDMA技術(shù)分類

　　1.子信道OFDMA

　　子信道OFDMA將整個(gè)OFDM系統(tǒng)的帶寬分成若干子信道，每個(gè)子信道包括若干子載波，分配給一個(gè)用戶（也可以一個(gè)用戶占用多個(gè)子信道）。

　　2.跳頻OFDMA

　　子信道OFDMA對子信道（用戶）的子載波分配相對固定，即某個(gè)用戶在相當(dāng)長的時(shí)長內(nèi)使用指定的子載波組（這個(gè)時(shí)長由頻域調(diào)度的周期而定）。

　　這種OFDMA系統(tǒng)足以實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)的多址，但實(shí)現(xiàn)小區(qū)間多址卻有一定的問題。因?yàn)槿绻餍^(qū)根據(jù)本小區(qū)的信道變化情況進(jìn)行調(diào)度，各小區(qū)使用的子載波資源難免沖突，隨之導(dǎo)致小區(qū)間干擾。如果要避免這樣的干擾，則需要在相鄰小區(qū)間進(jìn)行協(xié)調(diào)（聯(lián)合調(diào)度），但這種協(xié)調(diào)可能需要網(wǎng)絡(luò)層的信令交換的支持，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響較大。一種很好的選擇就是采用跳頻OFDMA。

　　OFDM優(yōu)點(diǎn)

　　通過把高速率數(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)符號持續(xù)長度相對增加，從而有效地減少由于無線信道時(shí)間彌散所帶來地ISI，進(jìn)而減少了接收機(jī)內(nèi)均衡器地復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，而僅僅通過插入循環(huán)前綴地方法消除ISI的不利影響。

　　OFDM技術(shù)可效的抑制無線多徑信道的頻率選擇性衰落。因?yàn)镺FDM的子載波間隔比較小，一般的都會小于多徑信道的相關(guān)帶寬，這樣在一個(gè)子載波內(nèi)，衰落是平坦的。進(jìn)一步，通過合理的子載波分配方案，可以將衰落特性不同的子載波分配給同一個(gè)用戶，這樣可以獲取頻率分集增益，從而有效的克服了頻率選擇性衰落。

　　傳統(tǒng)的頻分多路傳輸方法是將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來并行傳輸數(shù)據(jù)流，各個(gè)子信道之間要保留足夠的保護(hù)頻帶。而OFDM系統(tǒng)由于各個(gè)子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此于常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可以最大限度的利用頻譜資源。

　　LTE 網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)基礎(chǔ)知識問答匯總 - Made by UNREGISTERED version of Easy CHM各個(gè)子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可以分別通過采用IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform）和DFT實(shí)現(xiàn)，在子載波數(shù)很大的系統(tǒng)中，可以通過采用IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）和FFT實(shí)現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都是非常容易實(shí)現(xiàn)的。

　　無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一般存在非對稱性，即下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，這就要求物理層支持非對稱的高速率數(shù)據(jù)傳輸，OFDM系統(tǒng)可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實(shí)現(xiàn)上行和下行鏈路中不同的傳輸速率。

　　OFDM缺點(diǎn)

　　易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對他們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求，無線信道的時(shí)變性在傳輸過程中造成了無線信號頻譜偏移，或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在頻率偏差，都會使OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致子信道間干擾（ICI，Inter-Channel Interference），這種對頻率偏差的敏感性是OFDM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。

　　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)子信道信號的疊加，因此如果多個(gè)信號的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，導(dǎo)致較大的峰值平均功率比（PAPR，Peak-to-Average power Ratio），這就對發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性度提出了很高的要求，因此可能帶來信號畸變，使信號的頻譜發(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。