目錄
- 1.OFDM的多址接入技術
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- 1.1 跳頻OFDMA(FH-OFDMA)方案
- 1.2 OFDM-FDMA基本原理
- 1.3 OFDM-TDMA基本原理
- 2.多載波CDMA
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- 2.1 多載波CDMA方案
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- 2.1.1 時域擴頻
- 2.1.2 頻域擴頻
- 2.1.3 方案對比
在無線通信系統中，無論前向鍊路還是反向鍊路都需要使用一種技術來區分不同的使用者，即多址技術。多址方式允許多個移動使用者同時共享有限的頻譜資源。 頻分多比(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA) 是無線通信系統中共享有效帶寬的幾種主要接入技術。
OFDM和多址技術的結合能夠允許多個使用者同時共享有限的無線頻譜,進而獲得較高的系統容量。OFDM本身也可作為一種多址接入技術，又稱正交頻分多址接入(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multple Access)技術。在多址技術中，CDMA以其諸多的優點，并可提供比頻分多址和時分多址更高的系統容量，成為第三代移動通信系統标準中采用的多址接入方式，是以CDMA和OFDM結合的方案也成為目前研究的熱點問題之一。OFDM和CDMA結合形成的多載波CDMA方案，不僅可以滿足多使用者共享頻率資源，而且同時可以減少碼間幹擾，提高系統性能。
1.OFDM的多址接入技術
通常由四種多使用者通信系統。
第一種多使用者系統采用多址通信技術，即大量使用者通過一個公用通信信道向相同的接收機發送資訊。最典型的例子就是移動蜂窩通信系統：一個小區内的使用者通過同一個通道向公共基站發送資訊。
第二類多使用者通信系統是一個廣播網絡。通常一個單獨的發射機向多個接收機發送資訊。例如電視廣播系統等。
第三類和第四類系統比較少，分别是存儲轉發網絡和雙向通信系統。
FDMA是一種相當成熟的多址接入技術，已經發展了數十年。它将不同的載波頻率配置設定給每個使用者，保護帶寬的存在使得布桕鄰的調制載波間沒有重疊部分。信号間隔的大小取決于信号帶寬和所使用的晶體振蕩器的穩定性。在接收機端，傳統的FDMA技術針對每個使用者信号使用單獨的解調器。如果考慮一個簡單的FDMA方案，系統有N個使用者，每個使用者配置設定的帶寬為w,在假設相鄰信号頻譜間的保護帶寬可忽略不計的情況下，總的占用帶寬為NW。
如果說FDMA是一種在頻域上區分多個使用者的技術，那麼另一種多址接入方式是在時域區分多個使用者。這種技術将幀間隔的持續時間T劃分成K個互相間沒有重疊的子間隔(即時隙)，稣個時隙持續時間為T{/K,不同使用者的資訊在不同的時隙上進行傳送。這種多址接入方式被稱為時分多址(TDMA，Time-Division Multiple Access),它更廣泛地用于資料和數字語音傳輸中。可見，在FDMA中,使用者的資訊是在不同頻帶、相同時間内進行傳輸的，而TDMA接入方式中，使用者是在相同頻帶但不同時隙進行資訊的發送。
在介紹了FDMA和TDMA的基本原理後，下 面将回顧一下OFDM傳輸技術的特點。寬帶無線信道以多徑傳播引起的頻率選擇性衰落為上要特征。在移動通信應用中，由于移動終端的運動使得無線信道具有時變特性。OFDM傳輸技術能夠以較低的運算複雜度處理頻率選擇性和時交性所帶來的影響。OFDM技術将全部系統帶寬劃分成人量頻譜相以正交的非頻率選擇性的窄帶了信道，并且将附加的保護間隔引入OFDM符号，這種處理可基本避免符号間幹擾iSI（Inter Symbol Interferences)和載波間幹擾(ICI， Inter Carrier Interferences)。 這樣，即使在頻率選擇性信道的輸出端，依然可以維持了載波之間的正交性，因而在接收端，對每個子信道的均衡操作簡化為對每個子信道進行單次複數乘法運算。
對于使用OFDM傳輸技術的多載波系統，将OFDM技術與傳統的多址接入萬案例如FDMA和TDMA相結合可以實作多使用者OFDM系統，這樣派生出兩種多址接入方案:OFDM- FDMA和OFDM-TDMA。 同時，有人提出OFDM本身既可作為調制方案，也可通過在頻域使用擴頻碼作為多址接入技術的一部分， 基于這種思想又産生了正交頻分多址接入 (OFDMA) 。
1.1 跳頻OFDMA(FH-OFDMA)方案
在OFDMA中，可以通過為每個使用者提供部分可用子載波的方法來實作多使用者接入。這樣，OFDMA就相當于傳統的FDMA，但其中不同的是，OFDMA方法不需要像傳統FDMA那樣采用保護頻段去區分不同的使用者。
上圖中給出了固定配置設定子載波的OFDMA方案的時間一頻率方格圖，其中包括7個使用者，每個使用者使用特定的部分子載波，而且各個使用者所用的子載波是不同的。實際上，該執行個體結合使用了OFDMA和TDMA,每個使用者隻利用4個時隙進行傳輸，每個時隙中包括一個或者多個OFDM符号。
OFDMA主要有以下特點：
(1)由于OFDMA系統可以不受小區内幹擾的影響，而對于DS-CDMA和MC-CDMA系統來說，這種幹擾則是主要的幹擾源，是以OFDMA系統可以獲得更大的系統容量。
(2)OFDMA叮以靈活地适應帶寬的要求。OFDMA通過簡單地改變所使用的子載波數量，就以适用于特定的傳輸帶寬。而對于DS-CDMA和MC-CDMA系統，由于使用固定的擴頻序列碼片速率，是以它們要求固定的并且相對較大的傳輸帶寬。
(3)當使用者的傳輸速率提高時，DS-CDMA系統和MC-CDMA系統的擴頻增益有所降低，這樣就會喪失擴頻系統的優勢。而OFDMA如與動态信道配置設定技術結合使用，則可支援高速資料的傳輸。
1.2 OFDM-FDMA基本原理
OFDM-FDMA多址接入方案将傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，通過将不同的子載波集配置設定給不同的使用者，可用帶寬資源可靈活地在不同移動終端之間共享，進而避免了不同使用者間的多址幹擾(MAI, Multiple Access Interferences)。如圖所示，灰色、白色以及深灰色時頻栅格代表不同的子載波集，它們在頻率上是正交的。OFDM-FDMA方案可以看作将總資源(時間、帶寬)在頻率上進行分割，進而實作多使用者接入。這是一 種以頻率來區分使用者的多址接入方式。
OFDM-FDMA方案，是指将所有載波的确定子集配置設定給每個使用者。這種配置設定表現為一種純粹的數字化子載波管理，這種子載波配置設定不是固定的，可以采取自适應方式。對于有效的多址接入方案，當其進行時間和帶寬資源配置設定時應滿足高度适應性。具體展現在，一方面，應考慮頻率選擇性無線信道的特性:另一方面，也要滿足使用者對不同的或可變的資料速率的需求。
1.3 OFDM-TDMA基本原理
OFDM-TDMA中，在一段時間内将全部帶寬資源(所有子載波)配置設定給一-個特定的使用者，即在單個TDMA幀内，所有子載波在幾個時隙内為某個使用者獨占。這種OFDM-TDMA的時間、帶寬資源配置設定方式，可看作将全部資源(時間、帶寬)在時間軸上進行分割。如圖所示，在以時間和頻率為坐标軸的二維平面中，深灰色、白色以及灰色時頻栅格所代表的不同部分，分别被配置設定給3個不同使用者。每個使用者在各自所占用的OFDM符号内擁有全部帶寬資源(全部子載波)，第一個使用者在深灰色所示的5個OFDM符号内占用全部帶寬資源，其他兩使用者分别在淺灰色和灰色所示的5個OFDM符号内占用全部帶寬資源,這是一種以時間區分使用者的多址接入方式。
多址接入方案的性能，可以從靈活性、計算複雜度和信令開銷等諸多方面進行評價。所謂靈活性，足指多址接入方案在進行時間和帶寬資源配置設定時是否具有高度的靈活性。這種靈活性具體展現在，進行時頻配置設定時，一方面應考慮頻率選擇性無線信道的特性:另一方面，也要滿足使用者對不同的或可變的資料速率的要求。
既然OFDM-TDMA方案在一段時間内将全部帶寬資源配置設定給一個特定使用者，考慮無線信道對不同子載波的影響，對不同子載波衰減所作出的響應應包含濾除高度失真的子載波這類操作。
為滿足使用者對不同資料速率的要求,每幀中各個使用者所占用的OFDM符号數可以進行相應的調整。使用者請求高資料速率時，配置設定給該使用者的OFDM符号數相應增加;反之，使用者要求較低的資料速率時，配置設定給該使用者的OFDM符号數相應減少。由于配置設定給使用者的OFDM符号數可變，因而OFDM-TDMA方案支援具有不同資料速率的多種業務。
OFDM-TDMA方案具有如下特點:
●OFDM-TDMA 方案在特定OFDM符号内将全部帶寬配置設定給一個使用者， 這種配置設定方式不可避免地存在帶寬資源浪費，頻帶使用率較低，靈活性差。
●OFDM-TDMA的信令開銷很大程度上取決于是否采用濾除具有較低信噪比了載波的技術和自适應調制編碼技術，采用上.述技術雖然可以改善性能但也會增加信号開銷。
2.多載波CDMA
無線信道時刑彌散會限制無線信道傳輸速率的提高。這是因為在無線環境中，由于存在多徑效應，到達接收機的信号是由一些通過不同路徑到達的信号疊加而成的。這些幅度衰減利時延不同的信号相疊加造成接收信号失真。特别是在高速資料傳輸時，路徑的時延擴充大于傳輸資料周期，信号間的幹擾更加嚴重。另外，資料傳輸速率較高時，信号占有的頻帶變寬，當信号帶寬接近或人于信道相幹帶寬時，信道的時間彌散将對接收信号造成頻率選擇生衰落。是以在複雜多變的無線信道中，需耍設計出性能良好的能夠抗多徑幹擾的無線傳輸技術，對信道具有很強的适應能力。
碼分多址技術(CDMA, Code Diversion Multiple Access)是 一項發展成熟、很有前途的技術。窄帶信号通過與擴頻信号柑乘而擴充為寬帶信号後并進行發射。使用的擴頻信号可以是為随機代碼序列，碼片速率比原資料速率高若幹個數量級。CDMA技術能讓很多的使用者共享相同的頻譜資源，而不會産生明顯的幹擾，是以在多使用者情況下可以提高頻譜效率。通過擴頻技術不但可以将某一特定擴頻信号從其他信号中恢複出來，還能有效的對抗窄帶下擾，因為窄帶幹擾隻影響擴頻信号中的一小部分信号。同時良好的抗多徑幹擾的特性也是無線通信系統廣泛采用CDMA技術的重要原因之一 。
直接序列擴頻碼分多址(DS -CDMA, Direct Sequence Code Diversion Multiple Access)是一種應用廣泛的擴頻多址技術。它采用僞随機序列調制資料符号，隻要選取的碼片周期小于傳播路徑中的最小相對時延，則每條路徑信号就可通過RAKE接收機分離識别，再利用僞随機字列的相關性，按适當的算法将多徑信号合并以恢複原始信号，這樣能有效地對抗頻率選擇性衰落，獲得時間分集的效果。但是，山于擴頻序列設計不理想會引入多址幹擾(MAI)，特别是對于互相關性不為零所産生的多址幹擾，除研究中的多使用者檢測技術外， 日前尚無有效的解決辦法:高速的資料傳送(如車載情況超過2Mbits、 步行時達到10~ 20MbiUs)會增加可識别的路徑數量，使信号分布在每條路徑上的能量減少，這會給信道估計和柑關檢測帶來很大的困難，增加了RAKE接收機的複雜度。
OFDM利用了多徑效應在頻域上的特性，使信道的頻域均衡更易實作，适合高速資料傳送。它是把資料流分解為若幹個子資料流，再把這些子資料流分别調制到若十個互相正交的子載波上。在這種多載波調制信道中，資料傳輸速度相對較低，碼元周期加長，隻要保證時延擴充小于碼元周期，就不會造成碼間幹擾;若幹個子載波把頻域分成多個個互相正交的子信道，隻要了信道的帶寬小于相幹帶寬，使每-一個了信道的頻譜特性都近似平坦，也可以有效對抗頻率選擇性衰落。這種方案可以解決信道的時間彌散性問題。但是，如果子載波處于深衰落時，如不采用糾錯編碼，會産生很高的誤比特率。
将CMDA技術與OFDM技術兩者相結合就能取長補短獲得更好的效果。一類是用給定的擴頻序列對經過串并轉換後的資料流進行擴頻，也就是在對應的每路載波上執行類似DS-CDMA操作，即在時域上資料擴頻。另一類是用給定的擴頻序列對原始資料流擴頻，用擴頻序列中對應的每個碼片将資料調制到不同的子載波，即在頻域上擴充。
2.1 多載波CDMA方案
2.1.1 時域擴頻
時域擴頻主要有兩種形式多載波DS-CDMA和MT-CDMA
MC/DS CDMA這種方案在時域上完成資料信号擴頻。發送資料序列(假定這個序列已經過映射、調制)首先經過串并變換變成Ne路并行輸出，然後并行的每路資料由相間的短擴頻碼擴頻，最後對這Ne路資料進行OFDM調制。擴頻後的相鄰子帶之間有1/2 的重疊，且保持正交關系。由于書頻後的信号帶寬被限制在一個子帶中，内此-般宜 選擇較短的擴頻序列。小于這種方案引入了OFDM信令，有助于建立同步信道，是以它适用于上行通信鍊路。
MT-CDMA發射裝置也利用給定擴頻序列在時域内擴充經串并轉換後的資料流。但是，一般的DS CDMA相比，MT-CDMA采用與載頻數成比例的長擴頻序列，使系統可容納更多的使用者。在這種方案中，每個子載波的頻譜不再滿足正交狀态。
MT-CDMA所需要的帶寬和DS-CDMA所需要的帶寬幾乎是相等的。MT-CDMA接收裝置由若幹個RAKE接收機組成。與MCDS CDMA相比，MT-CDMA的頻講分布不均勻，各個子載波在同一個實體信道中心部分的頻譜達加的成分最多，這将導緻了抗幹擾性能的下降，是以MT-CDMA方案存在載頻T擾。與一般的DS-CDMA方案相比，該系統使用較長的擴頻序列可以減小白幹擾和多址幹擾。
2.1.2 頻域擴頻
MC.CDMA(Mulicarier CDMA)系統采用頻域擴頻的方式。其基本過程是:每個資訊符号由一個特定的擴頻碼片進行擴頻，然後将擴頻以後的每個符号調制到一個子載波上，是以，若擴頻碼的長度為N,那麼對應的這N個子載波傳輸的是相同的資訊資料。下圖是MC CDMA實作的基本原理圖。a{k]長示第i個使用者的輸入資料序列中的一一個調制符号，{Crg.C.I， . C1,x-}是與第i個使用者對應的擴頻碼，{f, f2, … fv_1}是一組正交的了載波集，其頻譜互相重疊。
2.1.3 方案對比
MC-CDMA具有最佳的頻譜分布，抗十擾性能力強，而且發射機的實作較簡單，是以MC-CDMA的總體性能優于MT-CDMA和MC/DS CDMA。MC-CDMA的秘個資料符号的擴頻在頻域内完成，接收機在頻域上能充分聚集信号的能量，進而作由最佳判決:而MC/DS-CDMA在時域上不能完全聚集信号能量，是以，MC-CDMA性能要優于MC/DS-CDMA。此外，MC-CDMA技術采用頻域比擴頻，在頻域内有一定的自由度，每個使用者的處理增益可以随移動通信網絡的要求進行及時修正，同時接收端的解擴合并技術和OFDM的頻域均衡技術結合，實作的複雜度較低。