OFDM几种多址接入技术的分析
发布时间：2010-9-19 15:25
发布者：techshare
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通信技术的研究目标是实现各种业务信号高效率、高速率的可靠通信。OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术因将整个信道带宽划分成若干个子信道，每一子信道用子载波调制时，允许相邻子载波之间有很大程度的重叠，频谱利用率高； OFDM技术通过串并转换过程将高速传输的数据变为较低速率的传输，从而使传输信道具有平衰落特性，可有效地克服信道频率选择性的影响，减少ISI对系统性能的影响；OFDM实现调制与解调不同于传统的调制方式，而是通过FFT的正、逆变换实现的，系统实现的复杂度不高。 在无线通信系统中，多址方式允许多个移动用户同时共享有限的频谱资源。频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)是无线通信系统中共享有效带宽的三种主要接入技术。OFDM和多址技术的结合能够允许多个用户同时共享有限的无线频谱，从而获得较高的系统容量。在这些多址技术中，CDMA以其诸多的优点，并可提供比FDMA和TDMA更高的系统容量，成为第三代移动通信系统标准中采用的多址接入方式，因此CDMA和OFDM结合的方案成为当前研究的热点问题之一。多载波CDMA不仅可以满足多用户共享频率资源，而且同时可以减少码间干扰，提高系统性能。 OFDM-FDMA OFDM-FDMA多址接入方案将传输带宽划分成正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用带宽资源可灵活的在不同移动终端之间共享，从而避免了不同用户间的多址干扰，如图1，图2所示。每个用户经历不同无线信道的干扰，可以通过只将具有高信躁比的子载波分配给每个用户来实现。这是一种以频率来区分用户的多址接入方式。 设系统共有M个用户，每个用户使用N个子载波，则系统中共有M×N个子载波。对于第m(m=1，2，…，M)个用户来说，该用户的输入数据先进行信道编码，速率匹配，交织，然后将交织  后的比特流进行符号映射，生产的复数符号调制到N个子载波上。理论上来说，任意N个子载波没有分配给其他M-1个用户，就可以将这N个子载波分配给该用户。但是考虑到子载波之间的相关性，我们通常选用一种等间隔的子载波分配方案。我们首先选取N个间隔最大(间隔为M) 的子载波，并将它们分配给用户一；然后将这N个等间隔的子载波在频域中移位1个子载波，将它们分配给用户二……将这N个等间隔的子载波在频域中移位m(m =1，2，…，M-1)个子载波，移位后形成的新的子载波集分配给第m+1个用户。这样分配给这M个用户的子载波集中，子载波之间具有最大的不相关性，可以抑制多址干扰，而且信令的开销最小。在系统的时间同步和载波同步都十分理想的情况下，接收到的信号可以没有ISI(Inter-SymbolInterference符号间干扰)和ICI(Inter-CarrierInterference载波间干扰)。 OFDM-TDMA OFDM-TDMA多址接入方案在一段时间内将全部带宽资源分配给一个用户，即在一个TDMA帧的几个时隙内，所有子载波为某个用户独占。这是一种以时间来区分用户的多址接入方式。在TDMA帧结构中，一个TDMA无线帧由若干个子帧构成，而一个子帧又由若干个时隙组成，OFDM符号在时隙中传输。在OFDM-TDMA传输系统中，采用TDD模式，可以根据业务的需要灵活的调整上行和下行链路间的转换点，这样使双向业务成为了可能。对于非对称的无线多媒体通信，这是一种实现具有灵活资源管理的高速数据传输的方案之一。当用户的上行链路数据大于下行链路数据时，可以调整子帧中的转换点，使用户可以使用的时隙数增多，分配给该用户的OFDM符号数相应增加，满足用户高数据速率的需要；当用户的上行链路数据较少，请求低的数据速率时，调整子帧中的转换点，减少用户使用的时隙数，分配给该用户的OFDM符号数相应减少。正是由于这种分配给用户的OFDM符号数可变，使OFDM-TDMA方案可支持具有不同数据速率的多种业务。 不同多址接入算法的复杂度高度依赖于每个系统采用的自适应方式。对于OFDM-TDMA系统而言，由于低信躁比的子载波被滤除或是使用了自适应调制P编码技术，这样就需要传送额外的信息，这样虽然可以改善性能，但是也增加了信令开销。 OFDM-CDMA 码分多址技术(CDMA，CodeDiversionMultipleAccess)是3G的主流技术。窄带信号通过与扩频信号相乘而扩展成宽带信号，使用的扩频信号可以是伪随机码序列。用户共享相同的频谱资源，而不会产生明显的干扰，提高了频谱效率。扩频技术不但可以将某一特定的扩频信号从其它信号中恢复出来，而且还能有效对抗窄带干扰和多径干扰。 OFDM适合高速数据传送，它把数据流分成若干个子数据流，再把这些子数据流分别调制到若干个相互正交的子载波上。子载波上较低的数据速率实际上意味着每个子载波信道具有平衰落特性，可有效地克服信道频率选择性地影响，从而减少由于ISI所带来的系统性能损失。子载波的正交性使得信道干扰的影响被减小为每个子载波上乘一个复传输因子，这样信号的均衡就变的非常简单。但是，如果子载波处于深衰落时，如果不采用纠错编码，会产生很高的误码率。 OFDM技术和CDMA技术各有利弊，因此二者的结合可以取长补短，达到更好的通信传输效果，必然在下一代无线移动通信系统中扮演越来越重要的角色。自从1985年Cimini提出基于OFDM的蜂窝移动系统以来，出现了诸多OFDM技术与CDMA技术的结合方案，N.Yee，J- P.Linnartz，G.Fettweis提出了MC-CDMA系统；K.Fazel，L.Papke等人提出了MC-DS-CDMA系统； L.Vandendorpe提出了MT-CDMA系统。 MC–CDMA MC-CDMA(MulticarrierCDMA)系统是一种在频域扩频的方式。所谓频域扩频，即原始数据流的每个符号与扩频码各个码片相对应的各小部分相乘后沿不同的子载波进行传输，也就是说，若扩频码的长度为N，那么对应的这N个子载波传输的是相同的信息数据。一般来说，不可能所有的子载波都同时处于深衰落中，因此MC-CDMA可以达到频率分集的效果，如图3所示。 在多载波系统中，原始输入的数据速率很高，假设扩频码的长度为G，用户输入的数据序列首先串并变换成NPG路，bk(n)表示第k路的信息比特(k =1，2，…，N/G)。每路的输入进入对应的复制器复制为G路相同的数据，然后这G路相同的数据与长度为G的扩频码相乘完成频域扩频。之后再将扩频后的数据调制到不同的子载波上发送出去。每路的子载波数为G个，共有NPG路，所以子载波总数为N个。这N路数据进行IFFT变换和并串变换，插入保护间隔 (保护间隔要大于信道最大时延扩展)后形成发射信号，经过形成滤波器后由射频单元发射出去。 在MC-CDMA系统中，一般采用沃什(WH，HadamardWalsh)码来作为其频域扩频码，这种码具有很好的互相关性，码组内所有的码序列是相互正交的。不过也有用其它码的，比如可以用傅立叶编码矩阵作为扩频码矩阵，发射的扩频与IFFT两者相互抵消，产生了一个进行分组处理的纯单载波系统。在接收端，接收信号先要去保护间隔，串并变换(变成NPG路)，FFT变换，之后还应进行信道估计得到信道信息。对于第k路接收信号rk(t)，k= 1，2，…，N/G，进入对应的复制器复制为G路相同的数据，然后这G路相同的数据与长度为G的增益因子w(G)相乘完成信道均衡和信号解扩，再经过滤波器后合并输出，最后经过并串变换得到原始信息数据。在MC-CDMA系统中，接收信号相当于在频域进行合并，这样频率分集性能就很好。有4种最基本的合并技术：恢复正交性合并(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技术，MC-CDMA也是一种干扰受限系统，特别是在多用户的情况下，扩频码引入的多址干扰对误码率的影响远大于高斯噪声的影响，所以在遭受到严重的多址干扰的时候，同样要考虑多用户检测技术。常用的多用户检测技术有：最大似然检测技术(MLMUD)、迭代检测算法和基于解相关与MMSE的自适应干扰估计和消除(DICMMSEIC)。 MC-DS–CDMA MC-DS-CDMA(MulticarrierDirectSequenceCDMA)系统是一种在时域扩频的方式。用户数据首先经过串并变换成 N路并行输出，然后并行的每路数据由相同的短扩频码扩频，最后这N路数据再进行OFDM调制。扩频后的信号带宽被限制在一个子带中，一般应选取较短的扩频序列。MC-DS-CDMA有助于建立同步信道，因此适用于上行通信链路，如图4所示。  在发射端，用户数据经过串并变换变成N路并行的数据，然后并行的每路数据与相同的短扩频码序列ck相乘完成时域扩频，之后再将扩频后的数据调制到不同的子载波上发送出去。这N路数据进行IFFT变换和并串变换，插入保护间隔后形成发射信号，经过形成滤波器后由射频单元发射出去。 在接收端，接收信号先要去保护间隔，串并变换，FFT变换，然后通过信道估计得到信道信息并对接收到的数据进行均衡。这时每路数据与已知的相同短扩频码序列ck相乘完成信号解扩，再经过滤波器后输出，最后经过并串变换得到原始信息数据。由于每路数据只分配到单个子信道上发射，MC-DS-CDMA不能获得频率分集增益，故接收端使用常规的相干接收机即可。 MT-CDMA MT-CDMA(MultitoneCDMA)系统也是一种在时域扩频的方式。在该方法中，各子载波在进行扩频操作之前具有满足正交性条件的最小频率间隔，也就是说各路子数据流在未扩频前调制到不同的子载波所得到的已调子载波彼此正交，但是经过扩频后它们的频谱不再满足正交条件。它与MC-DS- CDMA的发射机方法基本类似。不同之处在于，扩频序列的码片持续期与子载波的频率间隔不再满足互为倒数的关系，如图5所示。  接收机处理方法也不同，MT-CDMA的扩频码长度远大于常规的DS-CDMA(DirectSequenceCD-MA)，这样它具有更大的扩频处理增益，能够容纳更多的用户。但是，由于子载波的频谱重叠程度非常高，从而不可避免的存在较严重的子载波间干扰。当大的扩频处理增益所带来的多址干扰和自干扰的减小不能抵消子载波间干扰时，系统性能将急剧变坏。 系统参数指标比较 参数比较如表1所示。  结束语 OFDM技术与多种多址技术的结合， 特别是与CDMA技术的结合，能够避免窄带衰落，提高频谱利用率和抗多径衰落的能力。在高码率的情况下， OFDM-CDMA系统比单纯的OFDM系统性能要好。然而，接收端的均衡和解扩导致了噪声放大，此时可以采用更复杂的检测方法，如迭代解扩和译码， OFDM-CDMA系统的性能可以得到更好的改善。OFDM-CDMA系统的主要缺点是它要求相干检测，所以信道估计和均衡是不可少的。鉴于此，多载波 CDMA系统的多用户检测问题和多载波CDMA系统的信道估计和均衡问题将是未来研究的重点。 |
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