OFDMA

在子載波上載入傳輸數據的技術

正交頻分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA):OFDMA是OFDM技術的演進,將OFDM和FDMA技術結合。在利用OFDM對通道進行父載波化后,在部分子載波上載入傳輸數據的傳輸技術。

OFDM是一種調製方式;OFDMA是一種多址接入技術,用戶通過OFDMA共享頻帶資源,接入系統。

OFDMA又分為子通道(Subchannel)OFDMA和跳頻OFDMA。

發展由來


通用陸地無線接入(UTRAN)演進的目標是構建出高速率、低時延、分組優化的無線接入系統。演進的UTRA致力於建立一個上行速率達到50 Mbps、下行速率達到100 Mbps、頻譜利用率為3G R6的3~4倍的高速率系統。為達到上述目標,多址方案的選擇應該考慮在複雜度合理的情況下,提供更高的數據速率和頻譜利用率。在上行鏈路中,由於終端功率和處理能力的限制,多址方案的設計更具挑戰性,除了性能和複雜度,還需要考慮峰值平均功率比(PAPR)對功率效率的影響。
在3GPP LTE的標準化過程中,諾基亞北電等公司提交了若干多址方案,如多載波(MC)-WCDMA,MC-TD-SCDMA,正交頻分多址接入(OFDMA),交織頻分復用(IFDMA)和基於傅立葉變換擴展的正交頻分復用(DFT-S OFDM)。OFDMA已成為下行鏈路的主流多址方案,並且是上行鏈路的熱門候選方案,其中,北電公司的方案支持頻分雙工(FDD)方式,信息產業部電信傳輸研究所的方案支持時分雙工(TDD)方式。
由於正交頻分復用(OFDM) 能夠很好地對抗無線傳輸環境中的頻率選擇性衰落,可以獲得很高的頻譜利用率,OFDM非常適用於無線寬頻通道下的高速傳輸。通過給不同的用戶分配子載波,OFDMA提供了天然的多址方式。由於用戶間通道衰落的獨立性,可以利用聯合子載波分配帶來的多用戶分集增益提高性能,達到服務質量(QoS)要求。然而,為了降低成本,在用戶設備(UE)端通常使用低成本的功率放大器,OFDM中較高的PAPR將降低UE的功率利用率,降低上行鏈路的覆蓋能力。由於單載波頻分復用(SC-FDMA)具有的較低的PAPR,它被提議成為候選的多址方案。
目前,OFDMA已被廣泛研究,並已成為3GPP LTE的下行鏈路的主流多址方案。然而,在上行鏈路的研究中,儘管SC-FDMA成為主流的多址方式,但OFDM和SC-FDMA之間的比較大多從PAPR的角度進行,而沒有考慮兩者的鏈路性能,更沒有充分地考慮PAPR和性能的折衷。
OFDMA技術與OFDM技術相比,用戶可以選擇條件較好的子載波進行數據傳輸,而不像OFDM技術那樣,一個用戶在整個頻帶內發送,從而保證了子載波都被對應通道條件較優的用戶使用,獲得了頻率上的分集增益。在OFDMA中,一組用戶可以同時接入到某一子載波。
目前使用OFDMA的無線通信技術有:IEEE 802.16。

技術簡介


正交頻分多址- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)是無線通訊系統的標準,是一種多址技術。WiMax,LTE,都支持OFDMA。
正交頻分多址
正交頻分多址
OFDMA 多址接入系統將傳輸帶寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集,將不同的子載波集分配給不 同的用戶實現多址。OFDMA系統可動態地把可用帶寬資源分配給需要的用戶,很容易實現系統資源的優化利用。由於不同用戶佔用互不重疊的子載波集,在理想同步情況下,系統無多戶間干擾,即無多址干擾(MAI)。右圖給出出了OFDMA系統的原理示意圖。其中,灰色、白色以及深灰色時頻柵格代表不同的子載波集,它們在頻帶上是互不重疊的,並分別分配給不同用戶。OFDMA方案可以看作將總資源(時間、帶寬)在頻率上進行分割,實現多用戶接入。

基本原理


多徑效應是目前無線系統面臨的挑戰之一。多徑來自發射器和接收器間的反射,反射在不同時刻到達接收器。分離各反射的時間間隔被稱為延遲擴展。當延遲擴展與發送的符號時間(Symbol Time)大致相等時,這種干擾有可能引發問題。典型的延遲擴展時長幾微秒,與CDMA符號時間接近。OFDMA的符號時間大致在100微秒,因而多徑現象的影響不太嚴重。為緩解多徑效應,在每一符號后插入一個約10微秒、稱為循環前綴的警戒邊帶。
OFDMA原理
OFDMA原理
為得到更高數據速率,OFDM系統必須比CDMA系統更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位數稱為頻譜效率。採用高階調製是實現更高效率的方法之一。階數是指每一子載波發送的位數。例如,在正交振幅調製(QAM)中,每載頻發送2位。在16 QAM和64 QAM中,每個子載波分別發送4和6位。在4G系統,因預期會採用64 QAM,所以其頻譜效率很高。 OFDMA針對多用戶通信進行了優化,尤其是蜂窩電話和其它移動設備。
它是針對蜂窩電話長期演進(LTE)的最合適調製方案。在這種演變的過程中, OFDMA的名稱變為高速正交頻分復用分組接入(HSOPA)。OFDMA的變數由WiMAX論壇選為調製方案,後來又根據IEEE針對IEEE 802.16-2004(固話)和802.12e(移動)WiMAX的標準進行了標準化。
與CDMA(碼分多址接入)寬頻CDMA及通用移動通信系統(UMTS)這類3G調製方案相比,它的好處在於具有更高的頻譜效率和更好的抗衰落性能。對於低數據率用戶,它只需要更低的發射功耗,具有恆定而不是隨時間變化的更短延遲,以及避免衝突的更簡潔方法。
OFDMA會把副載波的子集分配給各個用戶。以關於通道狀態的反饋為基礎,系統能執行自適應用戶到副載波的分配。只要這些副載波分配被迅速地執行,與OFDM相比,快速衰退、窄帶同頻干擾性能都得到了改進。反過來,這又改進了系統的頻譜效率。
OFDMA將整個頻帶分割成許多子載波,將頻率選擇性衰落通道轉化為若干平坦衰落子通道,從而能夠有效地抵抗無線移動環境中的頻率選擇性衰落。由於子載波重疊佔用頻譜,OFDM能夠提供較高的頻譜利用率和較高的信息傳輸速率。通過給不同的用戶分配不同的子載波,OFDMA提供了天然的多址方式,並且由於佔用不同的子載波,用戶間滿足相互正交,沒有小區內干擾(如圖1所示)。同時,OFDMA可支持兩種子載波分配模式:分散式和集中式。在子載波分散式分配的模式中,可以利用不同子載波的頻率選擇性衰落的獨立性而獲得分集增益。
此外,因為OFDMA已成為下行鏈路的主流方案,上行鏈路如也採用OFDMA,LTE的上下行鏈路將具有最大的一致性,可以簡化終端的設計。
一個分配了M個子載波的用戶的傳輸信號可表示為:D =[d 0,d 1……d M-1]T,其中,T代表矩陣轉置,di是調製信號。
經過快速傅立葉反變換(IFFT)調製后,信號向量S =F N* T N,M D,其中TN,M代表子載波分配的映射矩陣,其元素是表達子載波的分散式或者集中式分配。F*N是N點IFFT矩陣,*代表共軛轉置,並且FN=[f 1T,f 2T……f NT]T
經過衰落通道和快速傅立葉變換(FFT)信號處理后,頻域的接收信號可以作如下表達:R=HTN,M D+n,其中H=diag(Hk),Hk是第k個子載波上的頻域響應;n是高斯雜訊向量;R=[r(0),r ⑴ ……r (N-1)]T,r (k)是第k個子載波上的接收信號。
由於OFDM的時域信號是若干平行隨機信號之和,因而容易導致高PAPR。基站端的功率限制相對較弱,並且可以採用較為昂貴的功率放大器,所以在下行鏈路中,高PAPR不會帶來太大的問題。然而,在上行鏈路中,由於用戶終端的功率放大器要求低成本,並且電池的容量有限,因而高PAPR會將降低UE的功率利用率,減小上行的有效覆蓋。為避免OFDM的上述缺點,必須降低PAPR。
OFDMA原理
OFDMA原理
降低OFDM的PAPR的技術有很多,比如選擇性映射、削波和濾波等等。文獻[6]中證明了通過削波和濾波,可以將PAPR降低到6 dB以下時,同時對OFDM的性能影響很小,而且帶來的複雜度增加也是可以接受的。因此,本文將主要研究不同多址方案的鏈路級性能的比較。在OFDM中,採用快速傅立葉變換(FFT)將可用帶寬分成數學上正交的許多小帶寬。而頻帶的重構是由快速傅立葉反變換(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定義得很完善的演演算法,當大小為2的整數倍時,可被非常高效地實現。OFDM系統的典型FFT大小是512、1024和2048,而較小的 128和256也是可能的。可支持5、10和20 MHz帶寬。該技術的一個優異特性是易於改用其它帶寬。即便整個可用帶寬改變了,較小的帶寬單元也可維持不變。例如:10MHz可分成1,024個小頻帶;而5MHz可分成512個小頻帶。這些典型大小為10 kHz的小頻帶被稱為子載波。

技術分類


OFDMA又分為子通道(Subchannel)OFDMA和跳頻OFDMA。

子通道OFDMA

子通道OFDMA將整個OFDM系統的帶寬分成若干子通道,每個子通道包括若干子載波,分配給一個用戶(也可以一個用戶佔用多個子通道)。 OFDM子載波可以按兩種方式組合成子通道:集中式和分散式,如下圖所示。
集中式和分散式
集中式和分散式
• 集中式將若干連續子載波分配給一個子通道(用戶),這種方式下系統可以通過頻域調度(Scheduling)選擇較優的子通道(用戶)進行傳輸,從而獲得多用戶分集增益。另外,集中方式也可以降低通道估計的難度。但這種方式獲得的頻率分集增益較小,用戶平均性能略差。
• 分散式系統將分配給一個子通道的子載波分散到整個帶寬,各子載波交替排列,從而獲得頻率分集增益。但這種方式下通道估計較為複雜,也無法採用頻域調度,抗頻偏能力也較差。
設計中應根據實際情況在上述兩種方式中靈活進行選擇。
• 當通道估計準確性較高如終端低速移動時,可以採用集中式分配,獲得多用戶分集增益。
• 當通道估計準確性不高如終端快速移動時,可以採用分散式分配,獲得單用戶頻率分集增益。

跳頻OFDMA

子通道OFDMA對子通道(用戶)的子載波分配相對固定,即某個用戶在相當長的時長內使用指定的子載波組(這個時長由頻域調度的周期而定)。
這種OFDMA系統足以實現小區內的多址,但實現小區間多址卻有一定的問題。因為如果各小區根據本小區的通道變化情況進行調度,各小區使用的子載波資源難免衝突,隨之導致小區間干擾。如果要避免這樣的干擾,則需要在相鄰小區間進行協調(聯合調度),但這種協調可能需要網路層的信令交換的支持,對網路結構的影響較大。
一種很好的選擇就是採用跳頻OFDMA。
在跳頻OFDMA系統中,分配給一個用戶的子載波資源快速變化,每個時隙,此用戶在所有子載波中抽取若干子載波使用,同一時隙中,各用戶選用不同的子載波組,如下圖所示。
與基於頻域調度的子通道化不同,這種子載波的選擇通常不依賴通道條件而定,而是隨機抽取。在下一個時隙,無論通道是否發生變化,各用戶都跳到另一組子載波發送,但用戶使用的子載波仍不衝突。跳頻的周期可能比子通道OFDMA的調度周期短的多,最短可為OFDM符號長度。這樣,在小區內部,各用戶仍然正交,並可利用頻域分集增益。在小區之間不需進行協調,使用的子載波可能衝突,但快速跳頻機制可以將這些干擾在時域和頻域分散開來,即可將干擾白化為雜訊,大大降低干擾的危害。在負載不是很重的系統中,跳頻OFDMA可以簡單而有效地抑制小區間干擾。

可擴展性


因為通道容量在不同國家會有所不同,802.16標準支持所有從1.25MHz到20MHz的不同通道容量。然而,通過改變以通道容量為基礎的FFT大小,或者由帶寬提供的更好信號質量,可以確定子通道的間隔。
sOFDMA擴展版本包含128 FFT、512 FFT和1024 FFT,它可以通道和帶寬為基礎改變它的FFT大小,因而就變成可擴展的。換句話說,正在通過手機漫遊的用戶,根據像通道大小這樣的因素,用戶可能接收到通過128 FFT或512 FFT處理的信號。
OFDM採用了先進的多天線信號處理技術。多輸入多輸出(MIMO)和波束成形(通常指AAS)是兩種最常用的技術。
OFDMA幀分配
OFDMA幀分配
在MIMO中,系統接收來自不同發射天線的信號會有很大差異。在室內或建築密集的都市,由於發射器和接收器之間存在許多反射和多徑,因而這種情況很普遍。在這種情況下,每個天線可以相同頻率發送另一個不同信號,而在接收器端通過信號處理還可恢復該信號。理解這種特性的一個簡單方法是考慮一個標準的、有N個方程和N個未知量的方程組,可藉助熟知的矩陣求逆技術來求解該方程組。以這種方式重複利用頻率被稱為Re-use1,同一頻率在同一時間被用於不同信號。而波束成形則是一種發射技術,它試圖在接收器內為多個發射器形成一個一致架構。這種技術可在接收器端得到很高的信噪比(SNR),另外,它還可提供更寬頻寬或以相同發射功率實現更遠距離。波束成形不是利用天線間的不同空氣接觸反射原理,而是對信號進行修改以使其統一。因此,波束成形對頻率的重複利用與MIMO所用的方式不同。將頻率分成不同的頻段用於不同蜂窩單元被稱為Re-use 3。
在一些應用中,可能結合MIMO和波束成形技術,尤其是在4天線系統中。一個理想的系統應根據其特性進行切換以便在不同模式運作。不變子通道間隔的主要爭議在於,如果子通道間隔不是恆定的,一個正在移動的物體的多普勒頻移會影響信號質量。有關可擴展性的更多信息可在IEEE 802.16 WirelessMAN中可擴展OFDMA物理層一節中獲得。

使用缺點


儘管OFDMA在其實現過程中進展良好,但是它也有一些缺陷,這些缺陷有如下幾方面:
⒈ OFDMA電子部分,包括FFT和前向糾錯(FEC)是複雜的。與結合了數據包調度的OFDM相比,它也有功率不足的弱點。
⒉ 如果被分配到每個用戶的副載波很少,或者如果相同的載波被用於每個OFDM符號中,頻率選擇性衰落和分集增益的優勢可能至少有部分損失。
⒊ 處理來自鄰近單元的同通道干擾時,OFDM要比CDMA更複雜。

技術演進


OFDMA是OFDM技術的演進。在利用OFDM對通道進行子載波化后,在部分子載波上載入傳輸數據的傳輸技術。用戶可以選擇通道條件較好的子通道(subchannel)進行數據傳輸,一組用戶可以同時接入到某一通道。

與CDMA的不同


OFDMA技術與OFDM技術相比,用戶可以選擇條件較好的子通道進行數據傳輸,而不像OFDM技術在整個頻帶內發送,從而保證了各個子載波都被對應通道條件較優的用戶使用,獲得了頻率上的分集增益。在OFDMA中,一組用戶可以同時接入到某一通道。OFDMA與CDMA不同處在於使用2048個子載波(subcarrier)來承載資料,其中的1680個用來傳送資料,與CDMA單一載波所承載單一資料比起來,傳送資料速度更快。OFDMA另一優點對抗多路徑的效應。
目前是用OFDMA的無線通信技術有:IEEE 802.16。
當前面臨的主要問題有:峰均功率比(PAPR)問題等。

不同涵義


OFDM Optical Frequency Division Multiplexing 光頻分復用
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex 正交頻分復用
OFDMA Optical FDMA 光頻分多址
OFDMA 正交頻分多址接入