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贡献者：gsfei2009 浏览：4178次 创建时间：2009-06-25
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正交频分多址
英文全称：Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA)
OFDMA是OFDM技术的演进。在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。
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OFDMA-发展由来
通用陆地无线接入(UTRA)演进的目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统。 演进的UTRA致力于建立一个上行速率达到50 MHz、下行速率达到100 MHz、频谱利用率为3G R6的3～4倍的高速率系统。为达到上述目标，多址方案的选择应该考虑在复杂度合理的情况下，提供更高的数据速率和频谱利用率。在上行链路中，由于终端功率和处理能力的限制，多址方案的设计更具挑战性，除了性能和复杂度，还需要考虑峰值平均功率比(PAPR)对功率效率的影响。
在3GPP LTE的标准化过程中，诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案，如多载波(MC)-WCDMA，MC-TD-SCDMA，正交频分多址接入 (OFDMA)，交织频分复用(IFDMA)和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用(DFT-S OFDM)。OFDMA已成为下行链路的主流多址方案，并且是上行链路的热门候选方案，其中，北电公司的方案支持频分双工(FDD)方式，信息产业部电信传输研究所的方案支持时分双工(TDD)方式。
由于正交频分复用(OFDM) 能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰落，可以获得很高的频谱利用率，OFDM非常适用于无线宽带信道下的高速传输。通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA提供了天然的多址方式。由于用户间信道衰落的独立性，可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能，达到服务质量 (QoS)要求。然而，为了降低成本，在用户设备(UE)端通常使用低成本的功率放大器，OFDM中较高的PAPR将降低UE的功率利用率，降低上行链路的覆盖能力。由于单载波频分复用(SC-FDMA)具有的较低的PAPR，它被提议成为候选的多址方案。
目前，OFDMA已被广泛研究，并已成为3GPP LTE的下行链路的主流多址方案。然而，在上行链路的研究中，尽管SC-FDMA成为主流的多址方式，但OFDM和SC-FDMA之间的比较大多从 PAPR的角度进行，而没有考虑两者的链路性能，更没有充分地考虑PAPR和性能的折衷。
OFDMA技术与OFDM技术相比，每个用户可以选择信道条件较好的子信道进行数据传输，而不像OFDM技术在整个频带内发送，从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用，获得了频率上的多用户分集增益。在OFDMA中，一组用户可以同时接入到某一信道。
目前是用OFDMA的无线通信技术有：IEEE 802.16。
OFDMA-基本原理
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(Symbol Time)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16 QAM和64 QAM中，每个子载波分别发送4和6位。在4G系统，因预期会采用64 QAM，所以其频谱效率很高。
OFDMA原理
OFDMA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。
OFDMA原理2
OFDMA将整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱，OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA提供了天然的多址方式，并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，没有小区内干扰(如图1所示)。同时，OFDMA可支持两种子载波分配模式：分布式和集中式。在子载波分布式分配的模式中，可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性而获得分集增益。
此外，因为OFDMA已成为下行链路的主流方案，上行链路如也采用OFDMA，LTE的上下行链路将具有最大的一致性，可以简化终端的设计。
一个分配了M个子载波的用户的传输信号可表示为：D =[d 0，d 1……d M-1]T，其中，T代表矩阵转置，di是调制信号。
经过快速傅立叶反变换(IFFT)调制后，信号向量S =F N* T N,M D，其中TN，M代表子载波分配的映射矩阵，其元素是表达子载波的分布式或者集中式分配。F*N是N点IFFT矩阵，*代表共轭转置，并且FN=[f 1T，f 2T……f NT]T，192x31
经过衰落信道和快速傅立叶变换 (FFT)信号处理后，频域的接收信号可以作如下表达：R=HTN，M D+n，其中H=diag(Hk)，Hk是第k个子载波上的频域响应；n是高斯噪声向量；R=[r(0)，r (1) ……r (N-1)]T，r (k)是第k个子载波上的接收信号。
由于OFDM的时域信号是若干平行随机信号之和，因而容易导致高PAPR。基站端的功率限制相对较弱，并且可以采用较为昂贵的功率放大器，所以在下行链路中，高PAPR不会带来太大的问题。然而，在上行链路中，由于用户终端的功率放大器要求低成本，并且电池的容量有限，因而高PAPR会将降低UE的功率利用率，减小上行的有效覆盖。为避免OFDM的上述缺点，必须降低PAPR。
降低OFDM的PAPR的技术有很多，比如选择性映射、削波和滤波等等。文献[6]中证明了通过削波和滤波，可以将PAPR降低到6 dB以下时，同时对OFDM的性能影响很小，而且带来的复杂度增加也是可以接受的。因此，本文将主要研究不同多址方案的链路级性能的比较。
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20 MHz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10 kHz的小频带被称为子载波。
OFDMA-OFDMA演进
OFDMA方案
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论坛对这些方案的评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。
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分裂成许多子信道—理论上分裂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。
OFDMA-可扩展性
OFDMA帧分配
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。
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。
OFDM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-use 3。
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。 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。
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