OFDM技术在无线城域网（WMAN）中的应用

zjol

摘要：对无线城域网（WMAN）中宽带无线接入标准的应用前景、发展趋势及技术特点进行了阐述，并对正交频分复用（OFDM）技术在WMAN无线接入中的应用进行了分析研究。
     
     关键词：无线城域网 802.16a OFDM
     
     1.引言
     
     随着新的通信业务和宽带业务不断发展，用户对带宽的需求不断增加，各种高速率的宽带接入也是迅速发展。目前宽带用户接入技术主要有数字数字用户环路（ｘＤＳＬ）、光纤接入方式、同轴电缆（ＨＦＣ）和宽带无线接入网等手段。其中，宽带无线接入系统凭借其建设速度快、运营成本低、扩展能力强，灵活性高等特点，受到运营商的青睐并积极参与，宽带固定无线接入系统将是未来几年内通信市场发展的一个热点。
     
     宽带无线接入技术的发展极为迅速,各种微波、无线通信领域的先进手段和方法不断引入，一方面这些技术充分利用过去应用不是很多的频率资源；另一方面它们融合了在其它通信领域成功应用的先进技术，如高阶QAM调制、OFDM等，以实现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力、更灵活的带宽分配方法。宽带无线接入技术发展的趋势包括：OFDM技术开始兴起，多址方式不断充实，调制方式向多状态化发展，双工方式都可选择，同时支持电路交换与分组交换，带宽动态分配、业务接口日趋丰富。
     
     OFDM（正交频分复用）是一种无线环境下的高速传输技术，适合在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。它能有效对抗多径效应，消除符号间干扰，对抗频率选择性衰落，而且信道利用率高。OFDM技术先后被欧洲数字音频广播（DAB）、欧洲数字视频广播（DVB）、HIPERLAN和IEEE802.11无线局域网等系统采用。
     
     IEEE 802.16工作组负责宽带无线标准的制订工作， 2003年1月29日IEEE通过了802.16a标准规范书，以解决2～11GHz之间频率范围的宽带无线问题。802.16a标准规范中明确定义了OFDM技术作为无线数据传输方式。
     
     2.802.16a的发展历程及技术特点
     
     IEEE 802.16工作组成立于1999年，其工作主要内容是制订宽带无线接入标准，包括空中接口及其相关功能标准。它由三个工作小组组成，每个小组分别负责不同的方面：IEEE 802.16.1负责制定频率为10G到60G赫兹的无线接口标准；IEEE 802.16.2负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准；IEEE 802.16.3负责制定频率范围在2G到10G赫兹之间获得频率使用许可应用的无线接口标准。
     
     IEEE 802.16标准于2001年12月通过批准， 802.16标准定义无线城域网单载波空中接口，即传输频率10～66GHz的单载波调制模式。由于工作波长较短，必须要求视距传输(LOS)，多径衰落是可以忽略的，因此在该频段的标准中规定仍然采用单载波调制方式。
     
     IEEE 802.16标准物理层不适合较低频率的应用，其覆盖范围在可视距离之内。2003年1月29日，IEEE 802.16标准有了修正草案IEEE 802.16a，以解决较低频率的无线连接问题。802.16a在2～11Gz的频带上提供连接家庭、企业和无线局域网热点的无线最后一公里宽带接入。IEEE802.16a标准展现了宽带无线通信的新前景，为用户应用多媒体业务提供了一种容易安装、无须有线连接核心网络的新方法。
     
     802.16a规范是IEEE 802.16规范的扩展，改进了非视距性能，是目前在出现树木和建筑等障碍时最合适的技术。基站可以安装在住宅或建筑顶部，而不必安装在山顶上的高塔上。
     
     802.16a标准规范明确定义了三种无线数据传输方式：第一种是单载波方式，这是为特殊需求的网络所保留的部分；第二种是经由256个载波的OFDM方式，专门提供给大部分的应用使用；最后一种是使用2048个载波的特殊OFDMA方式，使用于搭配选择性的多点传送应用、阶梯状网络的进阶多路传输技术。
     
     IEEE 802.16a对特许和非特许频段的通信作了明确规定，在特许频段内可以使用单载波调制或正交频分复用。在各种管理环境和部署环境确定的情况下，经营特许频段业务的运营商就可以选用一种模式定制其解决方案。至于非特许频谱采用哪一种模式尚无规范，但就IEEE 802.16a标准而论，目前的修正草案规定用OFDM模式。 在非特许频谱通信时，无线城域网之间以及无线城域网与无线局域网等其他通信业务之间会产生干扰。作为解决这个问题的一个办法，802.16a修正草案为非特许频谱规定了动态频率选择，并支持有些用户台绕过基站与其他转发数据的用户台通信的网状结构，从而扩大了蜂窝覆盖范围，直接连接基站不能连接的用户。
     
     802.16a标准的技术特性包括：
     ·距离：最大距离50公里。
     ·覆盖范围：更出色性能可显著提高运营商目标服务区域的覆盖范围。
     ·频率：2GHz到11GHz。
     ·频谱效率：高达5位/秒/Hz。
     ·每区段最大数据速率：每扇区高达70Mbps。每个基站最多6个扇区。
     ·服务质量：MAC内建的服务质量可支持不同的服务等级，从而可以同时支持采用T1类型连接的企业用户和采用DSL类型连接的家庭用户。
     
     此外，它还可以支持话音和视频。802.16a 中MAC机制提供不同的QoS，以支持不同应用的不同需求，同时支持自适应调制，从而有效地平衡不同的数据率和链路质量，几乎可在瞬间调整调制方法，实现最佳数据传输。自适应调制允许有效地利用带宽，更加广泛地适应用户需求。
     
     
     3.OFDM技术
     
     OFDM是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，则可以从混叠的子子载波上分离出数据信号。由于OFDM允许子载波频谱混跌，其频谱效率提高，因而是一种高效的调制方式。
     
     OFDM技术在20世纪60年代中期被首次提出，但在之后相当长的一段时间，OFDM技术一直没有形成大规模的应用。当时OFDM技术的发展遇到了很多似乎难于解决的问题。首先，OFDM要求各个子载波之间相互正交，尽管理论上发现采用快速傅立叶变换（FFT）可以很好地实现这种调制方式，但实际上，如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法完成的。此外，发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素也都是OFDM技术实现的制约条件。
     
     20世纪80年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，随着DSP芯片技术的发展，格栅编码（TrellisCode）技术、软判决技术（SoftDecision）、信道自适应技术等的应用，OFDM技术开始从理论向实际应用转化。OFDM技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大优势迅速成为研究的焦点并被多个国际规范采用，如欧洲的数字音频广播、数字视频广播和IEEE的无线局域网标准802.11a。
     
     OFDM的发送、接收过程如下：
     
     在发送端，发送数据在频域进行编码映射，经过串并变换后做IFFT运算变换到时域：
     

      
     
     经IFFT后，频域信号调制到了各个正交的子载波上，完成了正交频分复用。每个OFDM码元前加上保护间隔，如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，因而有效地消除了码间串扰。OFDM信号还要经加窗函数以降低带外信号的功率，经低通滤波后调制到主载频发射到信道。
     
     接收端的处理过程与发射端相反：信道出来的信号先经过主载频解调，低通滤波 A/D转换及串并变换后，再进行FFT得到一个符号的数据。对所得数据进行均衡，以校正信道失真。然后进行译码判决和并串变换，恢复出原始的二元数据序列。
     
     OFDM的主要优点包括：
     1,可以有效克服ISI，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。
     2,信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。
     3,通过各个子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。
     4,可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法。
     5,适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，
     
     采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。
     
     4.802.16a中的OFDM技术
     
     IEEE 802.16a标准规定在特许频段，可以使用单载波调制或正交频分复用，对于非特许频段，必须使用正交频分复用调制方式。
     
     OFDM码元由子载波构成，子载波的数目决定了FFT的点数，有三种类型的子载波：
     1,数据子载波：用来数据传输。
     2,导频子载波：用于信道估计等。
     3,空子载波： 不用于传输，只用于保护频带和DC子载波。
     
     802.16a标准中系统的带宽取决于各个国家的具体规定，带宽可以是1.75 MHz的整数倍，或者6、10、15、20 MHz等。另外，在IEEE 802.16a中
     
     ，对于保护时间与有效时间的比值，规定可以在1/4、1/8、1/16和1/32中选取，这样在不同的多径时延扩展环境下，可以选取不同的保护时间，在抵抗多径衰落特性和高传输效率之间取得平衡。保护时间Tg最大达到6.4 μs，可以应用于室外环境。
     
     表1给出了工作带宽10MHz情况下256子载波OFDM中的参数。
     

     
     
     在OFDMA方式中，FFT点数为2048，除去DC和保护子载波，剩下的为有效子载波。这些有效子载波分为多个子载波子集，每个子集称为子信道（subchannel）。在下行链路（DL）中,一个子信道可能会对应不同的接收端，而在上行链路(UL)中，一个发送端可以占用一个或多个子信道。
     
     上行和下行链路中导频子载波和数据子载波的分配不同：在下行链路中，导频子载波首先分配，剩下的为专门传送数据的子载波。在上行链路中，有用的子载波先分为子信道，然后在每个子信道中各自分配导频子载波。这样，在下行链路中存在着公共的导频子载波集，但在下行链路中，每个子信道包括它自己的导频子载波集。这是必需的，因为在OFDMA中，基站(BS)下行链路对所有的用户站(SS)进行广播，但在上行链路中，每个子信道可能来自不同的SS。
     
     有效子载波分为固定位置的导频，不定位置的导频及数据子信道。固定位置的导频子载波的位置保持不变，它们的位置编号属于基本固定导频集。不定位置导频在码元中的位置每隔4个码元变换一次。
     
     在分配了导频子信道后，剩下的有用的子载波是数据子载波。因为不定位置的导频子载波在每个码元中中的位置变化，每4个码元重复一次，因此数据子载波的位置也相应发生变化。
     
     分配数据子信道时，剩下的子载波分为连续子载波组。每个子信道中包含每一个组中的一个子载波。因此组的数目与每个子信道中子载波的数目相等，
     

     
     
     5.结论
     IEEE 802.16a标准是针对无线城域网接入方式而提出的一种新的空中接口标准。这一标准采用了OFDM技术，改进了非视距性，增加了传输距离，降低了运营成本。近期芯片制造巨头英特尔公司宣布将开发支持高速无线通信标准的IEEE 802.16a芯片组，标志着这种新兴的无线接入标准被主要厂商所接受。我们相信802.16a会展现宽带无线通信新的前景。
     
     张永（单位：济南通信公司章丘分公司数据中心 城市:济南章丘 邮编250200）