正交頻分復用技術在無線局域網(wǎng)中的應用

摘要：以正交頻分復用(0FDM)為代表的多載波傳輸技術可以大大提高系統(tǒng)容量，因而受到人們的廣泛關注并得到廣泛的應用。介紹了OFDM的原理及其在無線局域網(wǎng)中的應用情況，總結了0FDM的特點。并針對無線信道的特點介紹了一種可靠的自適應傳輸方案。
關鍵詞：OFDM；無線局域網(wǎng)；自適應傳輸；通信

l  引言

     近年來，正交頻分復用(0FDM)技術因其可有效對抗多徑干擾(IsI)和提高系統(tǒng)容量而受到人們的極大關注，已在數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、無線局域網(wǎng)(WLAN)中得到應用，是第四代移動通信系統(tǒng)的有力競爭者。OFDM是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一，在許多文獻中OFDM也被稱為離散多音(DMT)調制。它通過串并變換將高速數(shù)據(jù)流分配到多個子載波上，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，從而可以有效地提高系統(tǒng)容量和對抗因無線信道的時間彌散引起的ISI。通過引入循環(huán)前綴(CP)有效地消除了因多徑造成的信道間干擾(ICI)，從而保持子載波間的正交性。另外，它可以利用快速傅立葉變換算法實現(xiàn)調制和解調，為其應用提供了可能。

2 OFDM的特點

    圖1示出0FDM的基帶模型。OFDM技術的主要優(yōu)點是：可以有效對抗多徑傳播造成的符號間干擾，其實現(xiàn)復雜度比采用均衡器的單載波系統(tǒng)小很多；在變化相對較慢的信道上，0FDM系統(tǒng)可以根據(jù)每個子載波的信噪比優(yōu)化分配每個子載波上傳送的信息比特，從而大大提高系統(tǒng)傳輸信息的容量：OFDM系統(tǒng)抗脈沖干擾的能力比單載波系統(tǒng)強。因為OFDM信號的解調是在1個很長的符號周期內(nèi)積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散；頻譜利用率高，OFDM信號由N個信號疊加而成，每個信號的頻譜均為Sinc函數(shù)，且與相鄰的信號頻譜有1／2的重疊，故其頻譜利用率：

    ηOFDM=N/(N+1)log2M

    其中，M為星座點數(shù)。與MOAM調制方式(ηMQAM=0.5xlog2M）相比，頻譜利用率提高近l倍。

    與傳統(tǒng)的單載波傳輸系統(tǒng)相比，OFDM的主要缺點是：對于載波頻率偏移和定時誤差的敏感程度比單載波系統(tǒng)高；OFDM系統(tǒng)中的信號存在較高的峰值平均功率比(PAPR）使得它對放大器的線性要求很高；為了實現(xiàn)相干解調，必須進行信道估計。針對這些缺點，OFDM的3項關鍵技術即頻偏估計、降低峰平比和信道估計算法成為目前的3個研究熱點。

3 OFDM在無線局域網(wǎng)中的應用

    IEEE 802．11a是0FDM應用于WLAN的標準。IEEE 802．11a工作在5GHz頻段。利用OFDM作為物理層技術，可提供6Mb／s到54Mb／s的數(shù)據(jù)速率。為了恢復處于不同衰落環(huán)境的子載波上的信號，它在不同的子載波上采用不同碼率的編碼方式，主要有1／2、2／3、3／4三種碼率。其中1／2編碼器采用約束長度為7的卷積編碼，生成多項式為(133，171)，其他二種碼率通過對1／2編碼器進行鑿孔獲得。表1給出IEEE 802．11a支持的8種模式，為了對比。表中還給出了HIPERLAN／2支持的7種模式。

    可以看出，IEEE802．11a中使用4種調制映射方式(BPSK、QPSK、16QAM和64QAM)。每個OFDM符號有64個子載波，其中48個傳輸數(shù)據(jù)，保護間隔為800ns，有效OFDM符號長度為3．2μs，總帶寬為20MHz。其定時同步、載波頻偏估計和信道估計都是由2個前置訓練符號完成的，訓練符號由二部分組成：10個短訓練符號和2個長訓練符號，總的訓練時間長度為161xs。在選擇短訓練符號和長訓練符號時，考慮到系統(tǒng)的PAPR問題，通過合理的選擇訓練符號。使得PAPR可以在3dB左右。

4 自適應傳輸策略

    為了進一步提高系統(tǒng)性能，針對無線信道的特點，很多文獻對自適應OFDM技術進行了研究。包括自適應調制、編碼和交織等。通過研究發(fā)現(xiàn)，在時間色散信道傳輸OFDM信號的誤比特率決定于信道的頻率響應，錯誤比特主要集中在衰落嚴重的子載波上，而對那些信道質量較好的子信道，誤比特率很低。因此，可以根據(jù)每個子信道的情況，動態(tài)分配子載波的傳輸方式，對于信道質量好的子信道，采用階數(shù)較高的調制方式和碼率較高的編碼方式，以提高系統(tǒng)的傳輸效率；對于信道質量較差的子信道，采用低階調制和低碼率的編碼方式．從而保證系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴＿@就是基于子載波的自適應傳輸技術SbSA(Subcarrierrier-by-Subcarrier Adapta-tion)。顯然，為了實現(xiàn)自適應傳輸，必須包括以下3項關鍵技術：接收機根據(jù)導頻信號估計信道質量；發(fā)射機根據(jù)信道情況選擇合適的傳輸方式；采用信令傳輸或盲檢測技術告訴接收機所采用的傳輸參數(shù)。為了使發(fā)射機選擇正確的傳輸方式，必須使發(fā)射機收到正確的信道信息。上行鏈路傳送的信道信息因無線信道的衰落或干擾而發(fā)生錯誤，就會造成發(fā)射機對信道的錯誤預測．從而導致選擇不合適的傳輸方式，使系統(tǒng)性能下降。針對這一問題，本文介紹一種較為可靠的機制(見圖2)，可以在反向鏈路傳輸發(fā)生錯誤的情況下，仍能選擇較合適的傳輸方式．從而保證系統(tǒng)的性能。本文仍然假定信道是慢衰落信道，接收機接收的導頻位置的信道狀態(tài)信息(CSI)首先被量化．然后再對量化后的CSI進行循環(huán)冗余校驗編碼(CRC)和BPSK調制。最后將CRC后的CSI信息傳給發(fā)射機，發(fā)射機如果檢測到收到的CSI沒有錯誤．就根據(jù)當前的信道狀態(tài)從備擇模式中選擇傳輸模式，如果有錯誤，仍使用前一時刻的調制編碼方式。

5 結束語
    從理論上說．OFDM與單載波傳輸具有相同的信道容量．但是當存在嚴重符號間干擾或者在多徑信道中采用OFDM傳輸可獲得較好的性能。近來受到國內(nèi)外廣泛關注的研究領域是OFDM在下一代蜂窩無線通信系統(tǒng)中的應用，OFDM與多天線技術(MIMO)及空時編碼(STC)技術的結合可以大大提高蜂窩通信系統(tǒng)的性能。
 
    到目前為止．OFDM技術已經(jīng)在眾多的高速數(shù)據(jù)傳輸領域得到成功的應用．如歐洲的數(shù)字音頻和視頻廣播(DAB／DVB)、歐洲和北美的高速無線局域網(wǎng)系統(tǒng)f如HIPERLAN／2、IEEE802．11 a1，以及高比特率數(shù)字用戶線(xDSL)。當前，人們正在考慮在基于IEEE802．16標準的無線城域網(wǎng)、基于IEEE802．15標準的個人信息網(wǎng)(PAN)及下一代無線蜂窩移動通信系統(tǒng)中使用OFDM技術。可以預見．OFDM在未來的實際通信系統(tǒng)中將有廣泛的應用．OFDM已經(jīng)被公認為下一代蜂窩通信系統(tǒng)的核心技術。