OFDM技術在無線城域網(wǎng)（WMAN）中的應用摘要：對無線城域網(wǎng)（WMAN）中寬帶無線接入標準的應用前景、發(fā)展趨勢及技術特點進行了闡述，并對正交頻分復用（OFDM）技術在WMAN無線接入中的應用進行了分析研究。
關鍵詞：無線城域網(wǎng) 802.16a OFDM
1.引言
隨著新的通信業(yè)務和寬帶業(yè)務不斷發(fā)展，用戶對帶寬的需求不斷增加，各種高速率的寬帶接入也是迅速發(fā)展。目前寬帶用戶接入技術主要有數(shù)字數(shù)字用戶環(huán)路（ｘＤＳＬ）、光纖接入方式、同軸電纜（ＨＦＣ）和寬帶無線接入網(wǎng)等手段。其中，寬帶無線接入系統(tǒng)憑借其建設速度快、運營成本低、擴展能力強，靈活性高等特點，受到運營商的青睞并積極參與，寬帶固定無線接入系統(tǒng)將是未來幾年內(nèi)通信市場發(fā)展的一個熱點。
寬帶無線接入技術的發(fā)展極為迅速,各種微波、無線通信領域的先進手段和方法不斷引入，一方面這些技術充分利用過去應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域成功應用的先進技術，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)務接入能力、更靈活的帶寬分配方法。寬帶無線接入技術發(fā)展的趨勢包括：OFDM技術開始興起，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)務接口日趨豐富。
OFDM（正交頻分復用）是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，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，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。
IEEE 802.16工作組負責寬帶無線標準的制訂工作， 2003年1月29日IEEE通過了802.16a標準規(guī)范書，以解決2～11GHz之間頻率范圍的寬帶無線問題。802.16a標準規(guī)范中明確定義了OFDM技術作為無線數(shù)據(jù)傳輸方式。
2.802.16a的發(fā)展歷程及技術特點
IEEE 802.16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準，包括空中接口及其相關功能標準。它由三個工作小組組成，每個小組分別負責不同的方面：IEEE 802.16.1負責制定頻率為10G到60G赫茲的無線接口標準；IEEE 802.16.2負責制定寬帶無線接入系統(tǒng)共存方面的標準；IEEE 802.16.3負責制定頻率范圍在2G到10G赫茲之間獲得頻率使用許可應用的無線接口標準。
IEEE 802.16標準于2001年12月通過批準， 802.16標準定義無線城域網(wǎng)單載波空中接口，即傳輸頻率10～66GHz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，因此在該頻段的標準中規(guī)定仍然采用單載波調(diào)制方式。
IEEE 802.16標準物理層不適合較低頻率的應用，其覆蓋范圍在可視距離之內(nèi)。2003年1月29日，IEEE 802.16標準有了修正草案IEEE 802.16a，以解決較低頻率的無線連接問題。802.16a在2～11Gz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。IEEE802.16a標準展現(xiàn)了寬帶無線通信的新前景，為用戶應用多媒體業(yè)務提供了一種容易安裝、無須有線連接核心網(wǎng)絡的新方法。
802.16a規(guī)范是IEEE 802.16規(guī)范的擴展，大大改進了非視距性能，是目前在出現(xiàn)樹木和建筑等障礙時最合適的技術�；究梢园惭b在住宅或建筑頂部，而不必安裝在山頂上的高塔上。
802.16a標準規(guī)范明確定義了三種無線數(shù)據(jù)傳輸方式：第一種是單載波方式，這是為特殊需求的網(wǎng)絡所保留的部分；第二種是經(jīng)由256個載波的OFDM方式，專門提供給大部分的應用使用；最后一種是使用2048個載波的特殊OFDMA方式，使用于搭配選擇性的多點傳送應用、階梯狀網(wǎng)絡的進階多路傳輸技術。
IEEE 802.16a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)務的運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IEEE 802.16a標準而論，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)狀結構，從而擴大了蜂窩覆蓋范圍，直接連接基站不能連接的用戶。
802.16a標準的技術特性包括：
·距離：最大距離50公里。
·覆蓋范圍：更出色性能可顯著提高運營商目標服務區(qū)域的覆蓋范圍。
·頻率：2GHz到11GHz。
·頻譜效率：高達5位/秒/Hz。
·每區(qū)段最大數(shù)據(jù)速率：每扇區(qū)高達70Mbps。每個基站最多6個扇區(qū)。
·服務質(zhì)量：MAC內(nèi)建的服務質(zhì)量可支持不同的服務等級，從而可以同時支持采用T1類型連接的企業(yè)用戶和采用DSL類型連接的家庭用戶。
此外，它還可以支持話音和視頻。802.16a 中MAC機制提供不同的QoS，以支持不同應用的不同需求，同時支持自適應調(diào)制，從而有效地平衡不同的數(shù)據(jù)率和鏈路質(zhì)量，幾乎可在瞬間調(diào)整調(diào)制方法，實現(xiàn)最佳數(shù)據(jù)傳輸。自適應調(diào)制允許有效地利用帶寬，更加廣泛地適應用戶需求。
3.OFDM技術
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，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，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技術在20世紀60年代中期被首次提出，但在之后相當長的一段時間，OFDM技術一直沒有形成大規(guī)模的應用。當時OFDM技術的發(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，如此復雜的實時傅立葉變換設備在當時是根本無法完成的。此外，發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素也都是OFDM技術實現(xiàn)的制約條件。
20世紀80年代以來，大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展解決了FFT的實現(xiàn)問題，隨著DSP芯片技術的發(fā)展，格柵編碼（TrellisCode）技術、軟判決技術（SoftDecision）、信道自適應技術等的應用，OFDM技術開始從理論向?qū)嶋H應用轉(zhuǎn)化。OFDM技術憑借其固有的對時延擴展較強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)標準802.11a。
OFDM的發(fā)送、接收過程如下：
在發(fā)送端，發(fā)送數(shù)據(jù)在頻域進行編碼映射，經(jīng)過串并變換后做IFFT運算變換到時域：
經(jīng)IFFT后，頻域信號調(diào)制到了各個正交的子載波上，完成了正交頻分復用。每個OFDM碼元前加上保護間隔，如果保護間隔大于最大時延擴展，則所有時延小于保護間隔的多徑信號將不會延伸到下一個碼元期間，因而有效地消除了碼間串擾。OFDM信號還要經(jīng)加窗函數(shù)以降低帶外信號的功率，經(jīng)低通濾波后調(diào)制到主載頻發(fā)射到信道。
接收端的處理過程與發(fā)射端相反：信道出來的信號先經(jīng)過主載頻解調(diào)，低通濾波 A/D轉(zhuǎn)換及串并變換后，再進行FFT得到一個符號的數(shù)據(jù)。對所得數(shù)據(jù)進行均衡，以校正信道失真。然后進行譯碼判決和并串變換，恢復出原始的二元數(shù)據(jù)序列。
OFDM的主要優(yōu)點包括：
1,可以有效克服ISI，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。
2,信道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。
3,通過各個子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強的抗衰落能力。
4,可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現(xiàn)方法。
5,適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應調(diào)制機制使不同的子載波可以按照信道情況和噪音背景的不同使用不同的調(diào)制方式。當信道條件好的時候，
采用效率高的調(diào)制方式。當信道條件差的時候，采用抗干擾能力強的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。
4.802.16a中的OFDM技術
IEEE 802.16a標準規(guī)定在特許頻段，可以使用單載波調(diào)制或正交頻分復用，對于非特許頻段，必須使用正交頻分復用調(diào)制方式。
OFDM碼元由子載波構成，子載波的數(shù)目決定了FFT的點數(shù)，有三種類型的子載波：
1,數(shù)據(jù)子載波：用來數(shù)據(jù)傳輸。
2,導頻子載波：用于信道估計等。
3,空子載波： 不用于傳輸，只用于保護頻帶和DC子載波。
802.16a標準中系統(tǒng)的帶寬取決于各個國家的具體規(guī)定，帶寬可以是1.75 MHz的整數(shù)倍，或者6、10、15、20 MHz等。另外，在IEEE 802.16a中
，對于保護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展環(huán)境下，可以選取不同的保護時間，在抵抗多徑衰落特性和高傳輸效率之間取得平衡。保護時間Tg最大達到6.4 μs，可以應用于室外環(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頻子載波和數(shù)據(jù)子載波的分配不同：在下行鏈路中，導頻子載波首先分配，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頻子載波。這樣，在下行鏈路中存在著公共的導頻子載波集，但在下行鏈路中，每個子信道包括它自己的導頻子載波集。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頻，不定位置的導頻及數(shù)據(jù)子信道。固定位置的導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頻集。不定位置導頻在碼元中的位置每隔4個碼元變換一次。
在分配了導頻子信道后，剩下的有用的子載波是數(shù)據(jù)子載波。因為不定位置的導頻子載波在每個碼元中中的位置變化，每4個碼元重復一次，因此數(shù)據(jù)子載波的位置也相應發(fā)生變化。
分配數(shù)據(jù)子信道時，剩下的子載波分為連續(xù)子載波組。每個子信道中包含每一個組中的一個子載波。因此組的數(shù)目與每個子信道中子載波的數(shù)目相等，
5.結論
IEEE 802.16a標準是針對無線城域網(wǎng)接入方式而提出的一種新的空中接口標準。這一標準采用了OFDM技術，大大改進了非視距性，增加了傳輸距離，降低了運營成本。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準的IEEE 802.16a芯片組，標志著這種新興的無線接入標準被主要廠商所接受。我們相信802.16a會展現(xiàn)寬帶無線通信新的前景。
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