正交頻分復用技術在無線局域網中的應用

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；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)和提高系統容量而受到人們的極大關注，已在數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)、無線局域網(WLAN)中得到應用，是第四代移動通信系統的有力競爭者。OFDM是多載波傳輸方案的實現方式之一，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據流分配到多個子載波上，使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加，從而可以有效地提高系統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技術的主要優點是：可以有效對抗多徑傳播造成的符號間干擾，其實現復雜度比采用均衡器的單載波系統小很多；在變化相對較慢的信道上，0FDM系統可以根據每個子載波的信噪比優化分配每個子載波上傳送的信息比特，從而大大提高系統傳輸信息的容量：OFDM系統抗脈沖干擾的能力比單載波系統強。因為OFDM信號的解調是在1個很長的符號周期內積分，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，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。與MOAM調制方式(ηMQAM=0.5xlog2M）相比，頻譜利用率提高近l倍。

與傳統的單載波傳輸系統相比，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高；OFDM系統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的數據速率。為了恢復處于不同衰落環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個傳輸數據，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。通過研究發現，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，可以根據每個子信道的情況，動態分配子載波的傳輸方式，對于信道質量好的子信道，采用階數較高的調制方式和碼率較高的編碼方式，以提高系統的傳輸效率；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．從而保證系統傳輸的可靠性。這就是基于子載波的自適應傳輸技術SbSA(Subcarrierrier-by-Subcarrier Adapta-tion)。顯然，為了實現自適應傳輸，必須包括以下3項關鍵技術：接收機根據導頻信號估計信道質量；發射機根據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。為了使發射機選擇正確的傳輸方式，必須使發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生錯誤，就會造成發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信息(CSI)首先被量化．然后再對量化后的CSI進行循環冗余校驗編碼(CRC)和BPSK調制。最后將CRC后的CSI信息傳給發射機，發射機如果檢測到收到的CSI沒有錯誤．就根據當前的信道狀態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。近來受到國內外廣泛關注的研究領域是OFDM在下一代蜂窩無線通信系統中的應用，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的性能。

到目前為止．OFDM技術已經在眾多的高速數據傳輸領域得到成功的應用．如歐洲的數字音頻和視頻廣播(DAB／DVB)、歐洲和北美的高速無線局域網系統f如HIPERLAN／2、IEEE802．11 a1，以及高比特率數字用戶線(xDSL)。當前，人們正在考慮在基于IEEE802．16標準的無線城域網、基于IEEE802．15標準的個人信息網(PAN)及下一代無線蜂窩移動通信系統中使用OFDM技術。可以預見．OFDM在未來的實際通信系統中將有廣泛的應用．OFDM已經被公認為下一代蜂窩通信系統的核心技術。