OFDM在混合业务第二代NLOS宽带无线接入中的优势.doc

OFDM在混合业务第二代NLOS宽带无线接入中的优势l 介绍：系统通过与正交频分复用(OFDM)技术可以随时通过广域无线网络提供高速宽带数据服务，基于OFDM技术的系统可以向蜂窝内的所有用户提供高传输量的宽带服务，并且具有根据市场需要向其它更进一步的业务升级的能力，例如在已有的用户中实现无冲突的漫游。OFDM是对抗多径干扰的著名技术，直到不久前才实际用于商用。在DSL调制解调中，它在双路宽带有线数据接入的实现上扮演了一个重要角色。另外它也被用于无线数字视频和数据广播。在局域网上，为了满足更高的容量和传输量的需要，已经有一系列基于OFDM技术的新产品发布出来，其工作频率都是在不需要审批的无线频段上，在5GHZU-NIL频段上基于802.11a标准的OFDM系统已经被Intel认可，并且此系统也已经被逐渐推向市场。一个针对欧洲的类似的系统被包含在了HIPER LAN/2标准中。在2001年11月，IEEE通过了一个为802.11g标准所提出的建议，即在2.45GHZ ISM频段上使用OFDM技术，这样的系统在短距离内提供6M54Mbps的数据速率。在美国，广域宽带无线接入的工作频段在2.52.686GHZ,CP MMDS(ITFS/MMDS)频段，与更高的频段相比，例如U-NIL和LMDS，MMDS则更不容易受天气的影响，并且穿透能力更好。6MHZ信道间隔为高吞吐量的宽带数据传送提供了足够的带宽。OFDM可以为广域网提供与局域网相同的优越性能，第一代使用单载波调制的MMDS系统主要局限于视线（LOS）信道，并且相关的设备费用也较昂贵。第二代基于OFDM的系统克服了视线（LOS）限制，并且有能力提供连续的广域覆盖，其基础设施密度低于PCS蜂窝。接下来的部分对OFDM技术作了简短的介绍，阐述一下它提供宽带无线数据传输的优势，另外与其它调制方式做一下比较。l OFDM总述OFDM是一种频率复用率很高的频分复用技术，由于它们的相位是正交的，所以其载波可以比传统的FDM系统更加接近间隙，所以保护间隔就不需要了。宽带OFDM信号是简单的由多个低速率的子载波组成，快速傅氏变换是一种非常有效的产生正交载波的手段，并且也是OFDM调制和解调的一个关键部分。图-1是一个OFDM调制和解调的基本模型。在一个数据包中的若干个比特定义了在发射端频域载波的相位和振幅。一个傅氏变换将一组频域载波转换成一个相等的时间域信号。在接收端，时域段被周期性的展宽以消除多径效应的影响，这种周期性展宽的OFDM符号也随即进入了信道传输。图-1，基本的OFDM调制/解调模型在接收端，CP被用来进行时间和频率的同步，然后即被丢弃，除去CP之后的时域信号通过傅氏变换又重新转换成了频域载波。OFDM在应用上的主要障碍是在信号处理中傅氏/傅氏反变换中的大量计算。但是由于技术上的改进，这些过程现在可以很容易的在FPGA上实现，极大的减小了开发OFDM系统的风险。OFDM作为宽带数据的调制方式具有很多优势。其一，本身可以有效地对抗ISI，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输；其二，通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器，但通过将多个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。l 简单化或者无均衡当循环前缀大于信道冲激响应时，符号间干扰可以完全被消除。图2展示了ISI是如何影响两个连续OFDM符号的。接收端的信号是传输信号与信道冲激响应的卷积，这样一来，CP中包含了所有的ISI，从接收端出来去掉了CP的信号无ISI，也就是说没有能量从第一个符号进入到第二个符号的主要部分。图-2只要信道的相干时间大于符号周期(一个在实际中很容易遇到的情况)，一个OFDM信道均衡器简化为每个载波一个抽头滤波器。信道响应通过频域的传送导频符号，或者是在已知位置的嵌入导频音来进行测定。在一个简单的执行过程中，当被传送的比特是被不同的加以编码穿过载波的时候均衡器是根本不需要的。在OFDM信号上多径效应的结果是产生了频率选择性衰落，与传统的FDM系统不同，OFDM并不是依靠一个衰落门限来防止译码错误，而是对所有的载波使用前向纠错。经过编码的OFDM信号可以成功的在较低的信噪比下被解调，即使当多个载波有很高的误码率时也能工作的很好。均衡的实质是补偿多径信道特征，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性。每一个OFDM符号包含了同步和解调信息，因此在一般情况下，OFDM系统不必再做均衡。这样就使得用户数据包能够高效的翻译成RF短脉冲串。OFDM NLOS宽带无线接入的基本目标就是为覆盖范围内的所有潜在用户提供类似局域网的性能。覆盖范围必须是可伸缩的，它可以是一个单一的蜂窝在一个小城镇或者是校园，也可以通过蜂窝频率复用遍布一个城市或者是需要多个站点的区域性地区。这个目标似乎显而易见，但是有一点值得说明的是它不必被其它近似的MMDS宽带无线共用。第一代LOS系统，其方式是在高塔或摩天大楼上架设基站，以及需要专业人员安装的用户天线如调制设备，为有限的用户提供很高的传输容量。与之相应的是，通过DSSS系统的自适应信号处理来减小传输容量而获得覆盖范围的增加。第二代OFDM NLOS系统的蜂窝大小是可以改变的，用户可自行安装的调制解调器可以包括一个低成本的定向天线，并且是简单可移动的。蜂窝大小能够与已存在的第二代移动通信/PCS系统相同。OFDM NLOS和PCS的不同之处在于MMDS可用的频率信道数量更少，使用TDD只需要一半的信道数量就可以支持大范围覆盖。这一简单的进步是至关重要的，因为许多MMDS执照持有者仅仅有4个信道来支持一个蜂窝方式的大范围覆盖系统。模拟方式过去常常作为宽带无线接入的频率复用模型的规划手段。图3展示一个使用4个MMDS信道的宽带接入的蜂窝下行链路和上行链路C/(N+I)累积的分配情况。在图3中，其相应的参数包括(I/R)4路径丢失和距离的关系。在实地试验数据的分析基础上得到的Log的取值为7dB，上行和下行链路的干扰是从多个蜂窝层次得来的。基站采用90度的扇区，使用一个13dBi增益的定向天线。从实地试验的结果可以得出MMDS的宽带覆盖面积大于等于1.9GHZ的PC系统。这个模型使用的是90度的天线，地面的条件也比较理想。为不同大小的市场所做的实际覆盖的设计证明这一基本模型是可以使用的，即使蜂窝位置并没有附在严格的矩形晶格上。如果需要，还可以再加两个信道，这样信道总数就达到6个，可以更有效的满足大市场的需要。如果还有更多的信道可用，这些信道可以被用来增加负荷较重的扇区的容量。图3C(N+I)分布指出上行和下行链路支持10dB C(N+I)达到整个蜂窝区域的94%，基于实地试验的结果，10 dB是一个支持类似局域网性能的理论值，并且是在NLOS多径条件下，使用QPSK OFDM方式的情况下得出的。在实际安装过程中，通过调整CPE的位置和方向可以对整个覆盖区域内的所有用户提供服务。服务区域和服务百分比甚至能够高于户外安装的调制解调器，由于OFDM系统具有NLOS能力，所以户外安装比LOS系统或多个天线的系统都要容易。在NLOS OFDM实地试验中已经证明系统具有很好的移动性，其主要的作用在于可以支持低发射功率和非定向的用户单元。l 可量测性OFDM系统具有相当大的灵活性，以适应通信链路中调制的复杂性。这是因为如图1所示的结构是独立于用来产生频域音的调制方式。在信号良好的区域，更高级别的调制能够被用于在每个符号内发送更多的比特。自适应调制能够增强系统的经济性，其方法是通过允许更多的用户以加大蜂窝的负荷。它也可以被用来对有更高带宽的用户提供更高的传输量。基于图3所示的C(N+I)的分布方式，覆盖范围内的大部分地区可以支持一个较高传输量的模式。分析显示，在良好的条件下用16QAM调制的OFDM的要求大约为6dB，比QPSK OFDM模式的基线多C(N+I)。16QAM OFDM支持双QPSK OFDM的传输量。在NLOS多径条件下，对于16QAM甚至要求一些额外的门限。分析说明下行和上行链路在大多数覆盖区域内都支持16QAM OFDM。在NLOS多径条件下，为了确定性能阈值，使用16QAM OFDM的实地试验正在进行中。从另一方面讲，在用户端，由于使用低增益的天线和低功率的放大器，将会影响覆盖、传输量和系统的复杂性，一旦OFDM子载波调制已经被简化到BPSK，附加的技术将启用一个覆盖和传输量的经过优化的折衷方案。例如，多接入技术，比如在传输量和上行链路传送功率之间起用一个近似最优的折衷方案，通过在OFDM符号中使用FDMA方式来实现。提供给个别用户的传输量被减少，但是蜂窝内的全部的传输总量维持不变，其方法是通过在个别符号中结合低传输量的发送。折衷方法对其它一些使用的技术必须被仔细考虑，例如，智能天线能够被OFDM使用，但是任何明显的益处，如增加增益，或者是增加抗干扰能力，都势必会增加基站设备的复杂性和成本。在使用智能天线设备之后，由于附加的信号和等待时间实际上可能会减小蜂窝的容量。l 多接入功率OFDM是非常适合作为一个提供类似局域网的多接入数据业务的网络的基础部分。每一个符号都包含接收端解调所需的同步和均衡信息，当与包定向多接入协议结合时，容量受到可提供的传输容量的限制，但是并不受并发用户数量的限制。实际上，如图4所示，网络的运转在大用户数时更有效率。图4在最坏情况下分析，任何上行链路上的碰撞都会导致故障，在实际运行中，当一个碰撞发生时，很多次信号都是能够被解调的，因为单个信号的能量比干扰强，这一遮蔽效应将改进在模拟结果中所示的接入时间。l 与其它技术的比较l 单载波使用单载波调制的宽带数据系统在基带调制上是有相当市场的，它可以通过更高级别的调制（64QAM或者更高）来获得更高的数据传送速率。这样的系统在设计上是非常适合于RF信道资源丰富的情况(在基带系统中典型的有100个信道可供使用，而在ITFS/MMDS系统中总共只有31个信道)，并且这些信道可近似认为是静态的。第一代无线系统(使用单载波调制技术)并没有像在基带系统中一样取得成功。解调时需要很高的SNR，和时域均衡限制了系统只能工作在一个LOS环境中。除此之外，其成本也已经成为服务提供商需要解决的一个很赖手的问题。l 直接序列扩频在无线局网领域，基于DSSS 802.11b标准的系统在无须审批的ISM频段已经获得了商用上的成功。这些系统提供的速率从1Mbps到11Mbps，而使用OFDM的802.11a网络可以提供5倍于802.11b的网络传输速率。为了能够使DSSS在大范围覆盖的情况下仍能提供宽带无线数据传输，大量的工作正在进行中。但是也有专家对这些工作产生了置疑，为了获得和局域网相似的传输速率，是不是必须要使用DSSS技术才能实现？原因在于如果为了增加传输速率，则势必需要减小展宽系数，而展宽系数降低之后，整个系统工作起来就很像单载波调制的LOS系统。相反，如果为了取得很好的覆盖效果，就需要加大展宽系数，而其负面影响是蜂窝的容量和传输速率都会降低。使用码分技术的DSSS系统在多接入情况下，其MHZ用户数比TDMA低36%, 为了保证系统的数据传输速率和容量，系统还