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正交頻分復(fù)用技術(shù)在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用

云知道

作者：空軍第一航空學(xué)院 馮祥 梁偉洋
摘要：以正交頻分復(fù)用(0FDM)為代表的多載波傳輸技術(shù)可以大大提高系統(tǒng)容量，因而受到人們的廣泛關(guān)注并得到廣泛的應(yīng)用 。介紹了OFDM的原理及其在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用情況，總結(jié)了0FDM的特點(diǎn) 。
并針對(duì)無(wú)線信道的特點(diǎn)介紹了一種可靠的自適應(yīng)傳輸方案 。
要害詞：OFDM；無(wú)線局域網(wǎng)；自適應(yīng)傳輸；通信
l; 引言
近年來(lái)，正交頻分復(fù)用(0FDM)技術(shù)因其可有效對(duì)抗多徑干擾(IsI)和提高系統(tǒng)容量而受到人們的極大關(guān)注，已在數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)中得到應(yīng)用，是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者 。OFDM是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，在許多文獻(xiàn)中OFDM也被稱(chēng)為離散多音(DMT)調(diào)制 。它通過(guò)串并變換將高速數(shù)據(jù)流分配到多個(gè)子載波上，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而可以有效地提高系統(tǒng)容量和對(duì)抗因無(wú)線信道的時(shí)間彌散引起的ISI 。通過(guò)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(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，為其應(yīng)用提供了可能 。
2; OFDM的特點(diǎn)
圖1示出0FDM的基帶模型 。OFDM技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以有效對(duì)抗多徑傳播造成的符號(hào)間干擾，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比采用均衡器的單載波系統(tǒng)小很多；在變化相對(duì)較慢的信道上，0FDM系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)子載波的信噪比優(yōu)化分配每個(gè)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(qiáng) 。因?yàn)镺FDM信號(hào)的解調(diào)是在1個(gè)很長(zhǎng)的符號(hào)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(hào)由N個(gè)信號(hào)疊加而成，每個(gè)信號(hào)的頻譜均為Sinc函數(shù)，且與相鄰的信號(hào)頻譜有1／2的重疊，故其頻譜利用率：
【正交頻分復(fù)用技術(shù)在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用】 ηOFDM=N/(N 1)log2M
其中，M為星座點(diǎn)數(shù) 。與MOAM調(diào)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(diǎn)是：對(duì)于載波頻率偏移和定時(shí)誤差的敏感程度比單載波系統(tǒng)高；OFDM系統(tǒng)中的信號(hào)存在較高的峰值平均功率比(PAPR）使得它對(duì)放大器的線性要求很高；為了實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，必須進(jìn)行信道估計(jì) 。針對(duì)這些缺點(diǎn)，OFDM的3項(xiàng)要害技術(shù)即頻偏估計(jì)、降低峰平比和信道估計(jì)算法成為目前的3個(gè)研究熱點(diǎn) 。
3; OFDM在無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用
IEEE802．11a是0FDM應(yīng)用于WLAN的標(biāo)準(zhǔn) 。IEEE802．11a工作在5GHz頻段 。利用OFDM作為物理層技術(shù)，可提供6Mb／s到54Mb／s的數(shù)據(jù)速率 。為了恢復(fù)處于不同衰落環(huán)境的子載波上的信號(hào)，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(zhǎng)度為7的卷積編碼，生成多項(xiàng)式為(133，171)，其他二種碼率通過(guò)對(duì)1／2編碼器進(jìn)行鑿孔獲得 。表1給出IEEE802．11a支持的8種模式，為了對(duì)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(diào)制映射方式(BPSK、QPSK、16QAM和64QAM) 。每個(gè)OFDM符號(hào)有64個(gè)子載波，其中48個(gè)傳輸數(shù)據(jù)，保護(hù)間隔為800ns，有效OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為3．2μs，總帶寬為20MHz 。其定時(shí)同步、載波頻偏估計(jì)和信道估計(jì)都是由2個(gè)前置練習(xí)符號(hào)完成的，練習(xí)符號(hào)由二部分組成：10個(gè)短練習(xí)符號(hào)和2個(gè)長(zhǎng)練習(xí)符號(hào)，總的練習(xí)時(shí)間長(zhǎng)度為161xs 。在選擇短練習(xí)符號(hào)和長(zhǎng)練習(xí)符號(hào)時(shí)，考慮到系統(tǒng)的PAPR問(wèn)題，通過(guò)合理的選擇練習(xí)符號(hào) 。使得PAPR可以在3dB左右 。
4; 自適應(yīng)傳輸策略
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，針對(duì)無(wú)線信道的特點(diǎn)，很多文獻(xiàn)對(duì)自適應(yīng)OFDM技術(shù)進(jìn)行了研究 。包括自適應(yīng)調(diào)制、編碼和交織等 。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間色散信道傳輸OFDM信號(hào)的誤比特率決定于信道的頻率響應(yīng)，錯(cuò)誤比特主要集中在衰落嚴(yán)重的子載波上，而對(duì)那些信道質(zhì)量較好的子信道，誤比特率很低 。因此，可以根據(jù)每個(gè)子信道的情況，動(dòng)態(tài)分配子載波的傳輸方式，對(duì)于信道質(zhì)量好的子信道，采用階數(shù)較高的調(diào)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(duì)于信道質(zhì)量較差的子信道，采用低階調(diào)制和低碼率的編碼方式．從而保證系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。這就是基于子載波的自適應(yīng)傳輸技術(shù)SbSA(Subcarrierrier-by-SubcarrierAdapta-tion) 。顯然，為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸，必須包括以下3項(xiàng)要害技術(shù)：接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)信道質(zhì)量；發(fā)射機(jī)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(cè)技術(shù)告訴接收機(jī)所采用的傳輸參數(shù) 。為了使發(fā)射機(jī)選擇正確的傳輸方式，必須使發(fā)射機(jī)收到正確的信道信息 。上行鏈路傳送的信道信息因無(wú)線信道的衰落或干擾而發(fā)生錯(cuò)誤，就會(huì)造成發(fā)射機(jī)對(duì)信道的錯(cuò)誤猜測(cè)．從而導(dǎo)致選擇不合適的傳輸方式，使系統(tǒng)性能下降 。針對(duì)這一問(wèn)題，本文介紹一種較為可靠的機(jī)制(見(jiàn)圖2)，可以在反向鏈路傳輸發(fā)生錯(cuò)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(jī)接收的導(dǎo)頻位置的信道狀態(tài)信息(CSI)首先被量化．然后再對(duì)量化后的CSI進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼(CRC)和BPSK調(diào)制 。最后將CRC后的CSI信息傳給發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)假如檢測(cè)到收到的CSI沒(méi)有錯(cuò)誤．就根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)從備擇模式中選擇傳輸模式，假如有錯(cuò)誤，仍使用前一時(shí)刻的調(diào)制編碼方式 。

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