OFDMA:正交頻分多址 Orthogonal Frequency Di -百科知識中文網

發展由來

通用陸地無線接入(UTRA)演進的目標是構建出高速率、低時延、分組最佳化的無線接入系統。演進的UTRA致力於建立一個上行速率達到50 MHz、下行速率達到100 MHz、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信道下的高速傳輸。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。由於用戶間信道衰落的獨立性，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，每個用戶可以選擇信道條件較好的子信道進行數據傳輸，而不像OFDM技術在整個頻帶內傳送，從而保證了各個子載波都被對應信道條件較優的用戶使用，獲得了頻率上的多用戶分集增益。在OFDMA中，一組用戶可以同時接入到某一信道。
目前是用OFDMA的無線通信技術有：IEEE 802.16。

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。當延遲擴展與傳送的符號時間(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几微秒，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，在每一符號後插入一個約10微秒、稱為循環前綴的警戒邊帶。

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。調製是指每一子載波傳送的位數。例如，在正交振幅調製(QAM)中，每載頻傳送2位。在16 QAM和64 QAM中，每個子載波分別傳送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最佳化，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(碼分多真址接入)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。以關於信道狀態的反饋為基礎，系統能執行自適套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，將頻率選擇性衰落信道轉化為若干平坦衰落子信道，從而能夠有效地抵抗無線移動環境中的頻率選擇性衰落。由於子載波重疊占用頻譜，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，並且由於占用不同的子載波，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)調製後，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，192x31

經過衰落信道和快速傅立葉變換 (FFT)信號處理後，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個子載波上的頻域回響；n是高斯噪聲向量；R=[r(0)，r (1) ……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。

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)將可用頻寬分成數學上正交的許多小頻寬。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頻寬。該技術的一個優異特性是易於改用其它頻寬。即便整個可用頻寬改變了，較小的頻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。

OFDMA演進

通過一個短故事來理解OFDMA和其它幾種技術之間的關係是最好的方法。IEEE 802.11 WLAN系列的標準是對室區域網路絡考慮的。當模擬蜂窩技術表現出了它的市場潛力及它在技術上的不足時，工程師就開始設計能把Wi-Fi功能擴展到戶外網路的專有的MAC和PHY系統。

事實上，寬頻接入中的大部分活動發生在ISO第1層(PHY層)和2層(媒體訪問控制或MAC層)。

當寬頻無線MAN(城域網)的標準化工作開始後，它為研究其它調製方案打開了大門，並且OFDM和OFDMA的價值也變得顯而易見了。WiMAX論壇對這些方案的評估和向標準機構提出的建議發揮了幫助作用。

這最終演進成IEEE 802.16標準。IEEE 802.16-2004提供固定頻寬無線的標準，而IEEE 802.16e則提供移動頻寬無線標準。這兩種標準都支持多個PHY模式，但其選項都不支持包括WCDMA或UMTS這種3G調製方案在內的現有方案。

與OFDM和OFDMA一起，可擴展的OFDMA方案也被包括在這一標準當中。

可擴展的802.16物理層(SOFDMA)憑藉針對固話和攜帶型/移動使用模式的固定副載波間隔，為範圍從1.25 MHz到20 MHz的信道頻寬提供了最佳的性能。

根據信道頻寬，利用可變的快速傅氏變換算法(FFT)，這一架構以可擴展的子通道化結構為基礎。除了可變的FFT大小外,這一規範也支持像多輸入多輸出(MIMO)天線分集這樣的功能。

針對大多數實際目的，因為它們是如此的相似，sOFDMA和OFDMA是可以是互換的。作為一種關鍵技術，這兩種方案都支持子通道化。子通道化涉及把多個信道分裂成許多子信道—理論上分裂成數千個子信道有關。子通道的特徵是具有所有4種變化： OFDM； OFDMA；sOFDMA；Flash OFDMA。這是一個由 Flarion公司創建的變數，去年Flarion被高通兼併，這清楚地表明CDMA變數不會成為4G調製方案。

OFDMA網路的用戶在整個頻寬內被分配了大量子信道。與基站接近的用戶，通過像64QAM(正交幅度調製)這樣的高調製方案，分配了更多數量的信道，從而能提供最大的數據流量。隨著用戶向更遠處移動，大量的子信道被動態地重新向下分配，但是被分派到每個信道的功率卻增加了。單元的容量仍保持相同的容量，並且儘管每個用戶都擁有魯棒的連線，但在邊緣地區，仍存在較低流量的折中。

可擴展性

因為信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的不同信道容量。然而，通過改變以信道容量為基礎的FFT大小，或者由頻寬提供的更好信號質量，可以確定子信道的間隔。

sOFDMA擴展版本包含128 FFT、512 FFT和1024 FFT，它可以信道和頻寬為基礎改變它的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，根據像信道大小這樣的因素，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。

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傳送另一個不同信號，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。

在一些套用中，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。不變子信道間隔的主要爭議在於，如果子信道間隔不是恆定的，一個正在移動的物體的都卜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。