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正交频分多址接入(OFDMA)综述

    正交频分多址接入(OFDMA)是OFDM(正交频分复用)调制的一种形式,它针对多用户通信进行了优化,尤其是蜂窝电话和其它移动设备。 它是针对蜂窝电话长期演进(LTE)的最合适调制方案。在这种演变的过程中, OFDMA的名称变为高速正交频分复用分组接入(HSOPA)。OFDMA的变量由WiMAX论坛选为调制方案,后来又根据IEEE针对IEEE 802.16-2004(固话)和802.12e(移动)WiMAX的标准进行了标准化。 与CDMA(码分多真址接入)宽带CDMA及通用移动通信系统(UMTS)这类3G调制方案相比,它的好处在于具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能。对于低数据率用户,它只需要更低的发射功耗,具有恒定而不是随时间变化的更短延迟,以及避免冲突的更简洁方法。 OFDMA会把副载波的子集分配给各个用户。以关于信道状态的反馈为基础,系统能执行自适应用户到副载波的分配。只要这些副载波分配被迅速地执行,与OFDM相比,快速衰退、窄带同频干扰性能都得到了改进。反过来,这又改进了系统的频谱效率。 两点设想 OFDMA显然与其它的调制方案既有不同点,又有相似之处。例如,它能被当作一种替代方案,把OFDM与时分多址连接方式(TDMA)或时域统计多路复用技术的结合起来。不采用“脉控”高功率载波,低数据率用户就能连续地以低发射功率进行传输,并且这会产生恒定且更短的延迟时间。 另一方面,OFDMA也可以被看作是频域和时域多路接入的结合。从这个角度看,频谱被分割成时频空间,并且时隙会沿着OFDM符号引导部分以及OFDM副载波引导部分进行分配。 OFDMA演进 通过一个短故事来理解OFDMA和其它几种技术之间的关系是最好的方法。IEEE 802.11 WLAN系列的标准是对室内网络考虑的。当模拟蜂窝技术表现出了它的市场潜力及它在技术上的不足时,工程师就开始设计能把Wi-Fi功能扩展到户外网络的专有的MAC和PHY系统。 事实上,宽带接入中的大部分活动发生在ISO第1层(PHY层)和2层(媒体访问控制或MAC层)。 当宽带无线MAN(城域网)的标准化工作开始后,它为研究其它调制方案打开了大门,并且OFDM和OFDMA的价值也变得显而易见了。WiMAX论坛对这些方案的*估和向标准机构提出的建议发挥了帮助作用。 这最终演进成IEEE 802.16标准。IEEE 802.16-2004提供固定带宽无线的标准,而IEEE 802.16e则提供移动带宽无线标准。这两种标准都支持多个PHY模式,但其选项都不支持包括WCDMA或UMTS这种3G调制方案在内的现有方案。 与OFDM和OFDMA一起,可扩展的OFDMA方案也被包括在这一标准当中。 可扩展的802.16物理层(sOFDMA)凭借针对固话和便携式/移动使用模式的固定副载波间隔,为范围从1.25 MHz到20 MHz的信道带宽提供了最佳的性能。 根据信道带宽,利用可变的快速傅氏变换算法(FFT),这一架构以可扩展的子通道化结构为基础。除了可变的FFT大小外,这一规范也支持像多输入多输出(MIMO)天线分集这样的功能。 802.16方案在表1中有注解。 表1:802.16方案 针对大多数实际目的,因为它们是如此的相似,sOFDMA和OFDMA是可以是互换的。作为一种关键技术,这两种方案都支持子通道化。子通道化涉及把多个信道??成许多子信道—理论???成数千个子信道有关。子通道的特征是具有所有4种变化: OFDM; OFDMA;sOFDMA;Flash OFDMA。这是一个由 Flarion公司创建的变量,去年Flarion被高通兼并,这清楚地表明CDMA变量不会成为4G调制方案。 OFDMA网络的用户在整个带宽内被分配了大量子信道。与基站接近的用户,通过像64QAM(正交幅度调制)这样的高调制方案,分配了更多数量的信道,从而能提供最大的数据流量。随着用户向更远处移动,大量的子信道被动态地重新向下分配,但是被分派到每个信道的功率却增加了。单元的容量仍保持相同的容量,并且尽管每个用户都拥有鲁棒的连接,但在边缘地区,仍存在较低流量的折中。 有更大的可扩展性 因为信道容量在不同国家会有所不同,802.16标准支持所有从1.25MHz到20MHz的不同信道容量。然而,通过改变以信道容量为基础的FFT大小,或者由带宽提供的更好信号质量,可以确定子信道的间隔。 不变子信道间隔的主要争议在于,如果子信道间隔不是恒定的,一个正在移动的物体的多普勒频移会影响信号质量。有关可扩展性的更多信息可在IEEE 802.16 WirelessMAN中可扩展OFDMA物理层一节中获得。 sOFDMA扩展版本包含128 FFT、512 FFT和1024 FFT,它可以信道和带宽为基础改变它的FFT大小,因而就变成可扩展的。换句话说,正在通过手机漫游的用户,根据像信道大小这样的因素,用户可能接收到通过128 FFT或512 FFT处理的信号。 OFDMA的缺点 尽管OFDMA在其实现过程中进展良好,但也要谨记它也有一些缺陷,这些缺陷有如下几方面: 1. OFDMA电子部分,包括FFT和前向纠错(FEC)是复杂的。与结合了数据包调度的OFDM相比,它也有功率不足的弱点。 2. 如果被分配到每个用户的副载波很少,或者如果相同的载波被用于每个OFDM符号中,频率选择性衰落和分集增益的优势可能至少有部分损失。 3. 处理来自邻近单元的同信道干扰时,OFDM要比CDMA更复杂。 结论 作为一种户外无线网络的调制方案,OFDMA只会变得更为普及。通过掌握它的理论、工作过程和实现方案,设计工程师将开发更有可能获得市场成功的更为鲁棒的产品。