OFDM幾種多址接入技術(shù)的分析

摘要：OFDM(正交頻分復(fù)用)和多址技術(shù)的結(jié)合能夠允許多個(gè)用戶同時(shí)共享有限的無(wú)線頻譜，從而獲得較高的系統(tǒng)容量。首先介紹了正交頻分多址技術(shù)中的OFDM-FDMA和OFDM-TDMA多址接入方案，然后又重點(diǎn)討論了OFDM和CDMA的3種結(jié)合方案，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能分析以及系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)，最后提出了未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞：OFDM；多址接入技術(shù)；符號(hào)間干擾；載波間干擾

引言

通信技術(shù)的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)信號(hào)高效率、高速率的可靠通信。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技術(shù)因?qū)⒄麄�(gè)信道帶寬劃分成若干個(gè)子信道，每一子信道用子載波調(diào)制時(shí)，允許相鄰子載波之間有很大程度的重疊，頻譜利用率高；OFDM技術(shù)通過(guò)串并轉(zhuǎn)換過(guò)程將高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)變?yōu)檩^低速率的傳輸，從而使傳輸信道具有平衰落特性，可有效地克服信道頻率選擇性的影響，減少ISI對(duì)系統(tǒng)性能的影響；OFDM實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)不同于傳統(tǒng)的調(diào)制方式，而是通過(guò)FFT的正、逆變換實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度不高。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，多址方式允許多個(gè)移動(dòng)用戶同時(shí)共享有限的頻譜資源。頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)是無(wú)線通信系統(tǒng)中共享有效帶寬的三種主要接入技術(shù)。OFDM和多址技術(shù)的結(jié)合能夠允許多個(gè)用戶同時(shí)共享有限的無(wú)線頻譜，從而獲得較高的系統(tǒng)容量。在這些多址技術(shù)中，CDMA以其諸多的優(yōu)點(diǎn)，并可提供比FDMA和TDMA更高的系統(tǒng)容量，成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中采用的多址接入方式，因此CDMA和OFDM結(jié)合的方案成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。多載波CDMA不僅可以滿足多用戶共享頻率資源，而且同時(shí)可以減少碼間干擾，提高系統(tǒng)性能。

OFDM-FDMA

OFDM-FDMA多址接入方案將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，通過(guò)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的在不同移動(dòng)終端之間共享，從而避免了不同用戶間的多址干擾，如圖1，圖2所示。每個(gè)用戶經(jīng)歷不同無(wú)線信道的干擾，可以通過(guò)只將具有高信躁比的子載波分配給每個(gè)用戶來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是一種以頻率來(lái)區(qū)分用戶的多址接入方式。

設(shè)系統(tǒng)共有M個(gè)用戶，每個(gè)用戶使用N個(gè)子載波，則系統(tǒng)中共有M×N個(gè)子載波。對(duì)于第m(m=1，2，…，M)個(gè)用戶來(lái)說(shuō)，該用戶的輸入數(shù)據(jù)先進(jìn)行信道編碼，速率匹配，交織，然后將交織后的比特流進(jìn)行符號(hào)映射，生產(chǎn)的復(fù)數(shù)符號(hào)調(diào)制到N個(gè)子載波上。理論上來(lái)說(shuō)，任意N個(gè)子載波沒(méi)有分配給其他M-1個(gè)用戶，就可以將這N個(gè)子載波分配給該用戶。但是考慮到子載波之間的相關(guān)性，我們通常選用一種等間隔的子載波分配方案。我們首先選取N個(gè)間隔最大(間隔為M)的子載波，并將它們分配給用戶一；然后將這N個(gè)等間隔的子載波在頻域中移位1個(gè)子載波，將它們分配給用戶二……將這N個(gè)等間隔的子載波在頻域中移位m(m=1，2，…，M-1)個(gè)子載波，移位后形成的新的子載波集分配給第m+1個(gè)用戶。這樣分配給這M個(gè)用戶的子載波集中，子載波之間具有最大的不相關(guān)性，可以抑制多址干擾，而且信令的開銷最小。在系統(tǒng)的時(shí)間同步和載波同步都十分理想的情況下，接收到的信號(hào)可以沒(méi)有ISI(Inter-SymbolInterference符號(hào)間干擾)和ICI(Inter-CarrierInterference載波間干擾)。

OFDM-TDMA

OFDM-TDMA多址接入方案在一段時(shí)間內(nèi)將全部帶寬資源分配給一個(gè)用戶，即在一個(gè)TDMA幀的幾個(gè)時(shí)隙內(nèi)，所有子載波為某個(gè)用戶獨(dú)占。這是一種以時(shí)間來(lái)區(qū)分用戶的多址接入方式。在TDMA幀結(jié)構(gòu)中，一個(gè)TDMA無(wú)線幀由若干個(gè)子幀構(gòu)成，而一個(gè)子幀又由若干個(gè)時(shí)隙組成，OFDM符號(hào)在時(shí)隙中傳輸。在OFDM-TDMA傳輸系統(tǒng)中，采用TDD模式，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需要靈活的調(diào)整上行和下行鏈路間的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，這樣使雙向業(yè)務(wù)成為了可能。對(duì)于非對(duì)稱的無(wú)線多媒體通信，這是一種實(shí)現(xiàn)具有靈活資源管理的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨钢�一。�?dāng)用戶的上行鏈路數(shù)據(jù)大于下行鏈路數(shù)據(jù)時(shí)，可以調(diào)整子幀中的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，使用戶可以使用的時(shí)隙數(shù)增多，分配給該用戶的OFDM符號(hào)數(shù)相應(yīng)增加，滿足用戶高數(shù)據(jù)速率的需要；當(dāng)用戶的上行鏈路數(shù)據(jù)較少，請(qǐng)求低的數(shù)據(jù)速率時(shí)，調(diào)整子幀中的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，減少用戶使用的時(shí)隙數(shù)，分配給該用戶的OFDM符號(hào)數(shù)相應(yīng)減少。正是由于這種分配給用戶的OFDM符號(hào)數(shù)可變，使OFDM-TDMA方案可支持具有不同數(shù)據(jù)速率的多種業(yè)務(wù)。

不同多址接入算法的復(fù)雜度高度依賴于每個(gè)系統(tǒng)采用的自適應(yīng)方式。對(duì)于OFDM-TDMA系統(tǒng)而言，由于低信躁比的子載波被濾除或是使用了自適應(yīng)調(diào)制P編碼技術(shù)，這樣就需要傳送額外的信息，這樣雖然可以改善性能，但是也增加了信令開銷。

OFDM-CDMA

碼分多址技術(shù)(CDMA，CodeDiversionMultipleAccess)是3G的主流技術(shù)。窄帶信號(hào)通過(guò)與擴(kuò)頻信號(hào)相乘而擴(kuò)展成寬帶信號(hào)，使用的擴(kuò)頻信號(hào)可以是偽隨機(jī)碼序列。用戶共享相同的頻譜資源，而不會(huì)產(chǎn)生明顯的干擾，提高了頻譜效率。擴(kuò)頻技術(shù)不但可以將某一特定的擴(kuò)頻信號(hào)從其它信號(hào)中恢復(fù)出來(lái)，而且還能有效對(duì)抗窄帶干擾和多徑干擾。

OFDM適合高速數(shù)據(jù)傳送，它把數(shù)據(jù)流分成若干個(gè)子數(shù)據(jù)流，再把這些子數(shù)據(jù)流分別調(diào)制到若干個(gè)相互正交的子載波上。子載波上較低的數(shù)據(jù)速率實(shí)際上意味著每個(gè)子載波信道具有平衰落特性，可有效地克服信道頻率選擇性地影響，從而減少由于ISI所帶來(lái)的系統(tǒng)性能損失。子載波的正交性使得信道干擾的影響被減小為每個(gè)子載波上乘一個(gè)復(fù)傳輸因子，這樣信號(hào)的均衡就變的非常簡(jiǎn)單。但是，如果子載波處于深衰落時(shí)，如果不采用糾錯(cuò)編碼，會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率。

OFDM技術(shù)和CDMA技術(shù)各有利弊，因此二者的結(jié)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到更好的通信傳輸效果，必然在下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中扮演越來(lái)越重要的角色。自從1985年Cimini提出基于OFDM的蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)以來(lái)，出現(xiàn)了諸多OFDM技術(shù)與CDMA技術(shù)的結(jié)合方案，N.Yee，J-P.Linnartz，G.Fettweis提出了MC-CDMA系統(tǒng)；K.Fazel，L.Papke等人提出了MC-DS-CDMA系統(tǒng)；L.Vandendorpe提出了MT-CDMA系統(tǒng)。

MC–CDMA

MC-CDMA(MulticarrierCDMA)系統(tǒng)是一種在頻域擴(kuò)頻的方式。所謂頻域擴(kuò)頻，即原始數(shù)據(jù)流的每個(gè)符號(hào)與擴(kuò)頻碼各個(gè)碼片相對(duì)應(yīng)的各小部分相乘后沿不同的子載波進(jìn)行傳輸，也就是說(shuō)，若擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度為N，那么對(duì)應(yīng)的這N個(gè)子載波傳輸?shù)氖窍嗤�的信息�?shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，不可能所有的子載波都同時(shí)處于深衰落中，因此MC-CDMA可以達(dá)到頻率分集的效果，如圖3所示。

在多載波系統(tǒng)中，原始輸入的數(shù)據(jù)速率很高，假設(shè)擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度為G，用戶輸入的數(shù)據(jù)序列首先串并變換成NPG路，bk(n)表示第k路的信息比特(k=1，2，…，N/G)。每路的輸入進(jìn)入對(duì)應(yīng)的復(fù)制器復(fù)制為G路相同的數(shù)據(jù)，然后這G路相同的數(shù)據(jù)與長(zhǎng)度為G的擴(kuò)頻碼相乘完成頻域擴(kuò)頻。之后再將擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)調(diào)制到不同的子載波上發(fā)送出去。每路的子載波數(shù)為G個(gè)，共有NPG路，所以子載波總數(shù)為N個(gè)。這N路數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換和并串變換，插入保護(hù)間隔(保護(hù)間隔要大于信道最大時(shí)延擴(kuò)展)后形成發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)形成濾波器后由射頻單元發(fā)射出去。

在MC-CDMA系統(tǒng)中，一般采用沃什(WH，HadamardWalsh)碼來(lái)作為其頻域擴(kuò)頻碼，這種碼具有很好的互相關(guān)性，碼組內(nèi)所有的碼序列是相互正交的。不過(guò)也有用其它碼的，比如可以用傅立葉編碼矩陣作為擴(kuò)頻碼矩陣，發(fā)射的擴(kuò)頻與IFFT兩者相互抵消，產(chǎn)生了一個(gè)進(jìn)行分組處理的純單載波系統(tǒng)。在接收端，接收信號(hào)先要去保護(hù)間隔，串并變換(變成NPG路)，F(xiàn)FT變換，之后還應(yīng)進(jìn)行信道估計(jì)得到信道信息。對(duì)于第k路接收信號(hào)rk(t)，k=1，2，…，N/G，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的復(fù)制器復(fù)制為G路相同的數(shù)據(jù)，然后這G路相同的數(shù)據(jù)與長(zhǎng)度為G的增益因子w(G)相乘完成信道均衡和信號(hào)解擴(kuò)，再經(jīng)過(guò)濾波器后合并輸出，最后經(jīng)過(guò)并串變換得到原始信息數(shù)據(jù)。在MC-CDMA系統(tǒng)中，接收信號(hào)相當(dāng)于在頻域進(jìn)行合并，這樣頻率分集性能就很好。有4種最基本的合并技術(shù)：恢復(fù)正交性合并(ORC，OrthogonalityRestoringCombing)、等增益合并(EGC，EqualGainCombining)、最大比合并(MRC，MaximumRatioCombining)和最小均方差合并(MMSEC，MinimumMeanSquareErrorCombining)。

由于引入了CDMA技術(shù)，MC-CDMA也是一種干擾受限系統(tǒng)，特別是在多用戶的情況下，擴(kuò)頻碼引入的多址干擾對(duì)誤碼率的影響遠(yuǎn)大于高斯噪聲的影響，所以在遭受到嚴(yán)重的多址干擾的時(shí)候，同樣要考慮多用戶檢測(cè)技術(shù)。常用的多用戶檢測(cè)技術(shù)有：最大似然檢測(cè)技術(shù)(MLMUD)、迭代檢測(cè)算法和基于解相關(guān)與MMSE的自適應(yīng)干擾估計(jì)和消除(DICMMSEIC)。

MC-DS–CDMA

MC-DS-CDMA(MulticarrierDirectSequenceCDMA)系統(tǒng)是一種在時(shí)域擴(kuò)頻的方式。用戶數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)串并變換成N路并行輸出，然后并行的每路數(shù)據(jù)由相同的短擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻，最后這N路數(shù)據(jù)再進(jìn)行OFDM調(diào)制。擴(kuò)頻后的信號(hào)帶寬被限制在一個(gè)子帶中，一般應(yīng)選取較短的擴(kuò)頻序列。MC-DS-CDMA有助于建立同步信道，因此適用于上行通信鏈路，如圖4所示。

在發(fā)射端，用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串并變換變成N路并行的數(shù)據(jù)，然后并行的每路數(shù)據(jù)與相同的短擴(kuò)頻碼序列ck相乘完成時(shí)域擴(kuò)頻，之后再將擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)調(diào)制到不同的子載波上發(fā)送出去。這N路數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換和并串變換，插入保護(hù)間隔后形成發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)形成濾波器后由射頻單元發(fā)射出去。

在接收端，接收信號(hào)先要去保護(hù)間隔，串并變換，F(xiàn)FT變換，然后通過(guò)信道估計(jì)得到信道信息并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡。這時(shí)每路數(shù)據(jù)與已知的相同短擴(kuò)頻碼序列ck相乘完成信號(hào)解擴(kuò)，再經(jīng)過(guò)濾波器后輸出，最后經(jīng)過(guò)并串變換得到原始信息數(shù)據(jù)。由于每路數(shù)據(jù)只分配到單個(gè)子信道上發(fā)射，MC-DS-CDMA不能獲得頻率分集增益，故接收端使用常規(guī)的相干接收機(jī)即可。

MT-CDMA

MT-CDMA(MultitoneCDMA)系統(tǒng)也是一種在時(shí)域擴(kuò)頻的方式。在該方法中，各子載波在進(jìn)行擴(kuò)頻操作之前具有滿足正交性條件的最小頻率間隔，也就是說(shuō)各路子數(shù)據(jù)流在未擴(kuò)頻前調(diào)制到不同的子載波所得到的已調(diào)子載波彼此正交，但是經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后它們的頻譜不再滿足正交條件。它與MC-DS-CDMA的發(fā)射機(jī)方法基本類似。不同之處在于，擴(kuò)頻序列的碼片持續(xù)期與子載波的頻率間隔不再滿足互為倒數(shù)的關(guān)系，如圖5所示。

接收機(jī)處理方法也不同，MT-CDMA的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)的DS-CDMA(DirectSequenceCD-MA)，這樣它具有更大的擴(kuò)頻處理增益，能夠容納更多的用戶。但是，由于子載波的頻譜重疊程度非常高，從而不可避免的存在較嚴(yán)重的子載波間干擾。當(dāng)大的擴(kuò)頻處理增益所帶來(lái)的多址干擾和自干擾的減小不能抵消子載波間干擾時(shí)，系統(tǒng)性能將急劇變壞。

系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)比較

參數(shù)比較如表1所示。

結(jié)束語(yǔ)

OFDM技術(shù)與多種多址技術(shù)的結(jié)合，特別是與CDMA技術(shù)的結(jié)合，能夠避免窄帶衰落，提高頻譜利用率和抗多徑衰落的能力。在高碼率的情況下，OFDM-CDMA系統(tǒng)比單純的OFDM系統(tǒng)性能要好。然而，接收端的均衡和解擴(kuò)導(dǎo)致了噪聲放大，此時(shí)可以采用更復(fù)雜的檢測(cè)方法，如迭代解擴(kuò)和譯碼，OFDM-CDMA系統(tǒng)的性能可以得到更好的改善。OFDM-CDMA系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是它要求相干檢測(cè)，所以信道估計(jì)和均衡是不可少的。鑒于此，多載波CDMA系統(tǒng)的多用戶檢測(cè)問(wèn)題和多載波CDMA系統(tǒng)的信道估計(jì)和均衡問(wèn)題將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。