正交頻分多址技術(shù)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，反射在不同時刻到達接收器。分離各反射的時間間隔被稱為延遲擴展。當(dāng)延遲擴展與發(fā)送的符號時間(Symbol Time)大致相等時，這種干擾有可能引發(fā)問題。典型的延遲擴展時長幾微秒，與CDMA符號時間接近。OFDMA的符號時間大致在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(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。反過來，這又改進了系統(tǒng)的頻譜效率。OFDMA將整個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2所示)。同時，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立性而獲得分集增益。此外，因為OFDMA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。一個分配了M個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，其元素是表達子載波的分布式或者集中式分配。F*N是N點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：R=HTN，M D+n，其中H=diag(Hk)，Hk是第k個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個子載波上的接收信號。由于OFDM的時域信號是若干平行隨機信號之和，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，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[6]中證明了通過削波和濾波，可以將PAPR降低到6 dB以下時，同時對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，可被非常高效地實現(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)的一個優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。即便整個可用帶寬改變了，較小的帶寬單元也可維持不變。例如：10MHz可分成1,024個小頻帶;而5MHz可分成512個小頻帶。這些典型大小為10 kHz的小頻帶被稱為子載波。