淺析OFDM 技術在應急通信系統中的應用

1 概述

近年來, 無論是自然災害的救援工作、公共衛生事件的防疫工作還是安全事件的秩序維護工作都對公共事件的相關部門處理緊急響應事件提出了越來越高的要求。相應部門無論是在預警方案和組織管理協調的軟件方面, 還是相應通信設備和管理指揮系統的硬件配備方面, 都面臨著全新的考驗。因此,建設一套高效適用的應急通信系統, 為公眾提供更及時的救助服務, 已成為當前一個重要而迫切的課題。作為第四代移動通信技術的核心技術OFDM技術, 其多載波的傳輸距離和圖像信號的流暢性均要優越于單載波技術, 適用于強調無線語音和無線視頻的實時性通信應急通信系統。

2 OFDM 技術及特點

OFDM技術即正交頻分復用技術, 它的提出已有40年的歷史, 與已經普遍應用的FDM 技術十分相似, OFDM 技術把高速的數據流通過串/并變換分配到速率相對較低的若干個頻率子信道中進行傳輸, 其第一個實際應用是軍用的無線高頻通信鏈路。

與傳統技術相比, OFDM 技術具有以下一些優點：

1)通過對高速率數據流進行串/并轉換, 使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加, 從而有效地減少由于無線信道的時間彌散所帶來的符號間的干擾, 進而減少了接收機內均衡器的復雜度, 有時甚至可以不采用均衡器, 而僅僅通過插入循環前綴的方法消除符號間干擾的不利影響。

2) OFDM 中由于各個子載波間存在正交性, 允許子信道的頻譜相互重疊, 因此, OFDM 系統可以最大限度地利用頻譜資源。OFDM 技術與傳統的FDM 技術帶寬利用率比較如圖1 所示。從圖1中可以看出, 傳統的FDM技術需要在兩個信道之間存在較大的頻率間隔來防止干擾, 這就降低了全部的頻譜利用率, 而應用OFDM技術的子載波正交復用技術大大減少了保護帶寬, 提高了頻譜利用率。

圖1 FDM 與OFDM 帶寬利用率的比較

3)各個子信道的正交調制和解調可以分別通過采用離散傅里葉反變換和離散傅里葉變換來實現, 而且當子載波數很多時, 還可以通過采用快速傅里葉反變換和快速傅里葉變換來實現。

4) OFDM 系統物理層支持非對稱的高速率數據傳輸, 通過使用不同數據的子信道可以實現上下行鏈路中不同的傳輸速率。

5) OFDM 技術易于和多種接入方式相結合使用。

但是OFDM 系統由于存在多個正交的子載波,而且輸出信號是多個子信道信號的疊加, 因此與傳統技術相比, 也存在一些缺點：

1)易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋, 這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。無線信道的時變性在傳輸過程中造成的無線信號頻譜偏移, 或發射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差, 都會使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞, 導致子載波之間干擾。

2)存在較高的峰值平均功率比。多載波系統的輸出是多個子信道信號的疊加, 因此如果多個信號的相位一致, 所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率, 導致較大的峰值平均功率比。這就對發射機內放大器的線性度得出了很高的要求, 因此可能帶來信號畸變, 使信號的頻譜發生變化, 從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞, 產生干擾, 使系統的性能惡化。

3 OFDM 技術在應急通信系統中的應用

McW iLL(多載波無線信息本地環路)寬帶無線接入系統是我國自主研發的第一代寬帶無線接入系統。M cW iLL采用的是國際最先進的碼擴正交頻分多址、智能天線、空間零陷、聯合檢測等無線通信技術。采用McW iLL系統在應急通信中, 只要一只簡單的CPE 或者PCMCIA 卡, 無需進行現場安裝、調試, 就能夠迅速提供高速無線連接, 同時由于其可移動性, 便攜性, 能夠滿足應急通信的更多需要。

McW iLL系統由終端設備CPE、基站系統BTS以及網元管理系統EMS三個部分組成。其中, 終端設備CPE 完成用戶端計算機與無線網絡的連接。