正交频分复用技术在无线局域网中的应用

    作者：空军第一航空学院 冯祥 梁伟洋

    摘要：以正交频分复用(0FDM)为代表的多载波传输技术可以大大提高系统容量，因而受到人们的广泛关注并得到广泛的应用。介绍了OFDM的原理及其在无线局域网中的应用情况，总结了0FDM的特点。

    并针对无线信道的特点介绍了一种可靠的自适应传输方案。

    关键词：OFDM；无线局域网；自适应传输；通信

    l  引言

    近年来，正交频分复用(0FDM)技术因其可有效对抗多径干扰(IsI)和提高系统容量而受到人们的极大关注，已在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、无线局域网(WLAN)中得到应用，是第四代移动通信系统的有力竞争者。OFDM是多载波传输方案的实现方式之一，在许多文献中OFDM也被称为离散多音(DMT)调制。它通过串并变换将高速数据流分配到多个子载波上，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地提高系统容量和对抗因无线信道的时间弥散引起的ISI。通过引入循环前缀(CP)有效地消除了因多径造成的信道间干扰(ICI)，从而保持子载波间的正交性。另外，它可以利用快速傅立叶变换算法实现调制和解调，为其应用提供了可能。

    2  OFDM的特点

    图1示出0FDM的基带模型。OFDM技术的主要优点是：可以有效对抗多径传播造成的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多；在变化相对较慢的信道上，0FDM系统可以根据每个子载波的信噪比优化分配每个子载波上传送的信息比特，从而大大提高系统传输信息的容量：OFDM系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强。因为OFDM信号的解调是在1个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声的影响得以分散；频谱利用率高，OFDM信号由N个信号叠加而成，每个信号的频谱均为Sinc函数，且与相邻的信号频谱有1／2的重叠，故其频谱利用率：

    ηOFDM=N/(N+1)log2M

    其中，M为星座点数。与MOAM调制方式(ηMQAM=0.5xlog2M）相比，频谱利用率提高近l倍。

    与传统的单载波传输系统相比，OFDM的主要缺点是：对于载波频率偏移和定时误差的敏感程度比单载波系统高；OFDM系统中的信号存在较高的峰值平均功率比(PAPR）使得它对放大器的线性要求很高；为了实现相干解调，必须进行信道估计。针对这些缺点，OFDM的3项关键技术即频偏估计、降低峰平比和信道估计算法成为目前的3个研究热点。

    3  OFDM在无线局域网中的应用

    IEEE802．11a是0FDM应用于WLAN的标准。IEEE802．11a工作在5GHz频段。利用OFDM作为物理层技术，可提供6Mb／s到54Mb／s的数据速率。为了恢复处于不同衰落环境的子载波上的信号，它在不同的子载波上采用不同码率的编码方式，主要有1／2、2／3、3／4三种码率。其中1／2编码器采用约束长度为7的卷积编码，生成多项式为(133，171)，其他二种码率通过对1／2编码器进行凿孔获得。表1给出IEEE802．11a支持的8种模式，为了对比。表中还给出了HIPERLAN／2支持的7种模式。

    可以看出，IEEE802．11a中使用4种调制映射方式(BPSK、QPSK、16QAM和64QAM)。每个OFDM符号有64个子载波，其中48个传输数据，保护间隔为800ns，有效OFDM符号长度为3．2μs，总带宽为20MHz。其定时同步、载波频偏估计和信道估计都是由2个前置训练符号完成的，训练符号由二部分组成：10个短训练符号和2个长训练符号，总的训练时间长度为161xs。在选择短训练符号和长训练符号时，考虑到系统的PAPR问题，通过合理的选择训练符号。使得PAPR可以在3dB左右。

    4  自适应传输策略

    为了进一步提高系统性能，针对无线信道的特点，很多文献对自适应OFDM技术进行了研究。包括自适应调制、编码和交织等。通过研究发现，在时间色散信道传输OFDM信号的误比特率决定于信道的频率响应，错误比特主要集中在衰落严重的子载波上，而对那些信道质量较好的子信道，误比特率很低。因此，可以根据每个子信道的情况，动态分配子载波的传输方式，对于信道质量好的子信道，采用阶数较高的调制方式和码率较高的编码方式，以提高系统的传输效率；对于信道质量较差的子信道，采用低阶调制和低码率的编码方式．从而保证系统传输的可靠性。这就是基于子载波的自适应传输技术SbSA(Subcarrierrier-by-SubcarrierAdapta-tion)。显然，为了实现自适应传输，必须包括以下3项关键技术：接收机根据导频信号估计信道质量；发射机根据信道情况选择合适的传输方式；采用信令传输或盲检测技术告诉接收机所采用的传输参数。为了使发射机选择正确的传输方式，必须使发射机收到正确的信道信息。上行链路传送的信道信息因无线信道的衰落或干扰而发生错误，就会造成发射机对信道的错误预测．从而导致选择不合适的传输方式，使系统性能下降。针对这一问题，本文介绍一种较为可靠的机制(见图2)，可以在反向链路传输发生错误的情况下，仍能选择较合适的传输方式．从而保证系统的性能。本文仍然假定信道是慢衰落信道，接收机接收的导频位置的信道状态信息(CSI)首先被量化．然后再对量化后的CSI进行循环冗余校验编码(CRC)和BPSK调制。最后将CRC后的CSI信息传给发射机，发射机如果检测到收到的CSI没有错误．就根据当前的信道状态从备择模式中选择传输模式，如果有错误，仍使用前一时刻的调制编码方式。

    5  结束语

    从理论上说．OFDM与单载波传输具有相同的信道容量．但是当存在严重符号间干扰或者在多径信道中采用OFDM传输可获得较好的性能。近来受到国内外广泛关注的研究领域是OFDM在下一代蜂窝无线通信系统中的应用，OFDM与多天线技术(MIMO)及空时编码(STC)技术的结合可以大大提高蜂窝通信系统的性能。

    到目前为止．OFDM技术已经在众多的高速数据传输领域得到成功的应用．如欧洲的数字音频和视频广播(DAB／DVB)、欧洲和北美的高速无线局域网系统f如HIPERLAN／2、IEEE802．11a1，以及高比特率数字用户线(xDSL)。当前，人们正在考虑在基于IEEE802．16标准的无线城域网、基于IEEE802．15标准的个人信息网(PAN)及下一代无线蜂窝移动通信系统中使用OFDM技术。可以预见．OFDM在未来的实际通信系统中将有广泛的应用．OFDM已经被公认为下一代蜂窝通信系统的核心技术。

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