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OFDMA加速提升4G网络传输质量

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来源: 作者: 2019-03-13 11:37:25

尽管3G无线设备仍在部署中,但整个无线生态系统却已开始定义和设计4G系统。虽然3G和4G系统并没有严格定义上的差别,但在所能支持的最高数据速率方面,标准组织内似乎正在达成共识。诸如HSPA等3G系统的上行和下行速率分别为5到10Mbps和15到20Mbps。与3G系统相比,4G系统设计的这两个指标高出5到10倍,其上/下行速率分别在50Mbps和100Mbps以上。

目前的3G无线通信通过在物理传输层采用码分多址(CDMA)技术一直在成功地为新应用提供更多带宽。与通过频率或时间分割在同一信道传送多个数据的老方法不同,CDMA利用伴随每条信道代码的建设性干扰特性实现复用,从而在电信运营商所用的整个频谱内传送数据。CDMA在分组切换语音无线领域被证明是有效的;与以前系统相比,扩频技术允许更有效、更灵活地利用带宽。

就4G标准而言,两个主要的3G标准组织——第三代合作伙伴计划(3GPP)和第三代合作伙伴计划第二组(3GPP2)已指出,正交频分多址(OFDMA)是它们选用的物理层传输技术。

OFDM概述

OFDMA以正交频分复用(OFDM)为基础。OFDM技术出现已有段时间了,且已用在ADSL、Wi-Fi(802.11a/g)、DVB-H及其它高速数字传输系统中。因而OFDM在蜂窝无线领域的最初实现是定点接入的WiMAX802.16d也就不足为奇了。该无线技术已被用于提供高速因特接入——既可作为诸如ADSL或有线等其它接入技术的替代,又可在其它接入技术没覆盖的地区提供服务。

在OFDM中,采用快速傅立叶变换(FFT)将可用带宽分成数学上正交的许多小带宽。而频带的重构是由快速傅立叶反变换(IFFT)完成的。FFT和IFFT都是定义得很完善的算法,当大小为2的整数倍时,可被非常高效地实现。OFDM系统的典型FFT大小是512、1024和2048,而较小的128和256也是可能的。可支持5、10和20MHz带宽。该技术的一个优异特性是易于改用其它带宽。即便整个可用带宽改变了,较小的带宽单元也可维持不变。例如:10MHz可分成1,024个小频带;而5MHz可分成512个小频带。这些典型大小为10kHz的小频带被称为子载波。

图1:在OFDM系统中,可用带宽分割成许多子载波

‘多径’效应是目前无线系统面临的挑战之一。多径来自发射器和接收器间的反射,反射在不同时刻到达接收器。分离各反射的时间间隔被称为延迟扩展。当延迟扩展与发送的符号时间(SymbolTime)大致相等时,这种干扰有可能引发问题。典型的延迟扩展时长几微秒,与CDMA符号时间接近。OFDMA的符号时间大致在100微秒,因而多径现象的影响不太严重。为缓解多径效应,在每一符号后插入一个约10微秒、称为循环前缀的警戒边带。

为得到更高数据速率,OFDM系统必须比CDMA系统更有效地利用频宽。每单位赫兹的位数称为频谱效率。采用高阶调制是实现更高效率的方法之一。调制是指每一子载波发送的位数。例如,在正交振幅调制(QAM)中,每载频发送2位。在16QAM和64QAM中,每个子载波分别发送4和6位。在4G系统,因预期会采用64QAM,所以其频谱效率很高。

图2:用于LOS和NLOS环境的WiMAX技术

OFDM的另一个好处是采用了先进的多天线信号处理技术。多输入多输出(MIMO)和波束成形(通常指AAS)是两种最常用的技术。

在MIMO中,系统接收来自不同发射天线的信号会有很大差异。在室内或建筑密集的都市,由于发射器和接收器之间存在许多反射和多径,因而这种情况很普遍。在这种情况下,每个天线可以相同频率发送另一个不同信号,而在接收器端通过信号处理还可恢复该信号。理解这种特性的一个简单方法是考虑一个标准的、有N个方程和N个未知量的方程组,可借助熟知的矩阵求逆技术来求解该方程组。以这种方式重复利用频率被称为Re-use1,同一频率在同一时间被用于不同信号。

而波束成形则是一种发射技术,它试图在接收器内为多个发射器形成一个一致架构。这种技术可在接收器端得到很高的信噪比(SNR),另外,它还可提供更宽带宽或以相同发射功率实现更远距离。波束成形不是利用天线间的不同空气接触反射原理,而是对信号进行修改以使其统一。因此,波束成形对频率的重复利用与MIMO所用的方式不同。将频率分成不同的频段用于不同蜂窝单元被称为Re-use3。

在一些应用中,可能结合MIMO和波束成形技术,尤其是在4天线系统中。一个理想的系统应根据其特性进行切换以便在不同模式运作。

图3:OFDM内的帧分配

OFDMA介绍

OFDMA是为将OFDM技术从定点接入无线系统扩展为具有移动能力的真正蜂窝系统而开发出来的。其底层技术是相同的,更多灵活性是通过系统工作定义实现的。在OFDMA,子载波被组合成称为副信道的更大单元,这些副信道进一步被组合成可分配给无线用户的“突簇(burst)”。每个突簇分配可在帧间及该调制等级内改变,从而允许基站根据目前的系统需求动态调整带宽用法。

另外,由于每位用户只占用一部分带宽,所以根据目前系统需求还可调节每个用户的功率。服务质量(QoS)是另一个特性,可适用于不同用户的特殊应用(如:语音、流视频或因特接入等)。

如上所述,OFDM和OFDMA允许系统容易地适应可用频谱。3GPP(LTE)和WiMAX系统发展的长期目标是支持带宽从1.25到20MHz间的分配。此外,这两种系统都既支持时分又支持频分复用。所有这些灵活性将允许服务供应商根据市场需要在不同地区以不同方式推出不同的4G系统。

在4G无线络的早期发展过程中,系统开发者开始考虑哪种方案最适合WiMAX以及其它基于OFDMA的设备。在许多方面,对早期无线应用的一般考虑同样适用于OFDMA:高计算性能、低功耗、编程灵活性、集成的高速外设、完善的软件平台及全面的开发工具。可满足这些需求的DSP供应商将能提供最适合4G络的方案。例如TI的TMS320TCI6487就是这样一种方案。它整合了3个1GHzC64x+DSP核、带有全部3MB片上存储器以及高速接口。

本文小结

向4G络的转变给无线通信带来新的期待。4G络的更快速度和分组传输将使高质量多媒体无处不在。实现这种高水平服务的关键就是新的无线接口——OFDMA,而使其得以实现的关键则是新一代DSP的高性能。通过将特定频谱分成多个子载波,OFDMA可提供需要相对较低功率的强劲信号,并可高效利用带宽。利用OFDMA,运营商可从更大的灵活性中受益,因为在相同的频谱下,它们可提供更多信道(包括高带宽信道)及更多种服务。目前,这些系统仍处在定义和原型开发阶段,不过,4G技术的关键部分已经就位,向无线通信新纪元的进军即将起步。

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