黎海涛 张靖
摘要 本文首先介绍了正交频分复用技术（OFDM）的原理、技术优点，它在无线局域网中的应用特点。然后分析了在宽带无线接入技术中，三种基于OFDM的高速无线传输技术：VOFDM、WOFDM和flash-OFDM的性能特点，最后展望了OFDM在未来移动通信系统中的应用。
关键词 OFDM 无线LAN 宽带无线接入
1 引言
正交频分复用（OFDM）技术的应用始于20世纪60年代，主要用在军事通信中，但因其结构复杂限制了进一步推广。70年代，人们提出采用离散傅氏变换实现多载波调制，使OFDM技术开始走向实用化。随着数字信号处理技术和高速器件的发展，OFDM在ADSL、VDSL、DVB、DAB和HDTV等系统中得到成功应用。进入90年代以来，对OFDM技术的研究深入到无线信道的宽带传输。
无线信道的一个重要特点是多径传播，它使接收信号相互重叠，产生符号间干扰(ISI)。当传输速率较高时，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若信号带宽超过信道相干带宽时，信道时间弥散特性将对接收信号产生频率选择性衰落。为解决这个问题，人们提出了多载波调制（MCM）技术。它把高速率数据流分成多个低传输比特速率的数据流，用并行数据流去调制多个载波。多载波调制的方式有多音道（Multitone）、OFDM、MC-CDMA等。传统的并行多载波系统把整个带宽分割后被送到子信道中，频带没有重叠，其频谱利用率很低。
OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽小于信道带宽，故虽整个信道是非平坦的频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间干扰。OFDM适用于多径环境和频率选择性衰落信道中的高速数据传输。由于OFDM具有抗多径能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注。人们不但认为在宽带无线接入领域采用OFDM是发展的趋势，而且它将成为未来移动通信系统的关键技术。
2 OFDM在无线LAN中的应用
在新一代WLAN技术标准，美国的IEEE 802.11a和欧洲ETSI的HiperLAN/2中，均采用了OFDM技术。IEEE 802.11a工作在5GHz 频带，采用OFDM调制技术，速率可达54Mbit/s。HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD 方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbit/s，实际应用最低也能保持在20Mbit/s左右。
可以看出，基带信息比特流经过编码、调制、串并变换分成N个支路，即把数据流分别送到N个子信道上，对各子信道数据分别进行正交调制后，经射频放大再发送。为彻底消除ISI，在符号间插入保护时间，OFDM中一般是插入循环前缀（CP），CP长度大于信道最大时延。接收端删除CP，用FFT对各个子信道信息流解调，转换为串行数据流后，再解调译码恢复信号。除了CP外，还需要发送训练序列对信道进行估计，系统同步、功率控制等前导序列，典型的OFDM WLAN物理突发结构如图2所示。工作在5GHz频段的无线LAN系统通过使用不同的调制和编码技术支持可变速率。目前，采用BPSK、QPSK、16QAM、64QAM可支持6~54Mbit/s的传输速率。
3 宽带无线接入中的OFDM
OFDM是适用于无线环境下的高速传输技术，除了无线局域网标准（IEEE 802.11a、HiperLAN/2等）外，还在宽带无线接入（BWA）中得到应用，所谓宽带（Broadband）是指速率高于10Mbit/s 的传输系统，宽带无线接入系统是针对微波及毫米波段中新的空中接口标准，它具有速率高、抗干扰性强等特点，能支持无线多媒体通信，适用于商务大楼、热点地区及家庭用户的宽带接入。IEEE 802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，它已经开发了一个2~11GHz BWA的标准IEEE802.16a，物理层采用了OFDM技术。 该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。
在BWA领域，一些公司开发的技术虽然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些专利技术，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM (VOFDM)，Wi- LAN公司的 Wideband OFDM (WOFDM) ，Flarion公司的 flash-OFDM。VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM则由Wi-LAN公司提出，构成了OFDM的两大阵营：宽带无线Internet论坛（BWIF）和OFDM论坛，它们力图使自己的OFDM模式成为标准。由Wi-LAN公司倡导的OFDM论坛，有50多个成员，一些公司，如Breezecom, start-up BeamReach Networks 和 Nokia参加，OFDM论坛主要是协调提交到IEEE的OFDM提案。在Cisco倡导下，IEEE 工业标准技术组织IEEE-ISTO成立了宽带Internet论坛(BWIF)，提供低成本宽带无线接入技术，号召采用基于VOFDM的标准作为解决方案。
（1） VOFDM
VOFDM技术通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集，提高了信号质量，是联合OFDM和空时处理而得到的一种新技术。它利用了时间、频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。
VOFDM实现主要包括以下功能模块：①OFDM，可编程控制的系统数据率和时延扩展容限；②信道估计，采用突发模式的训练序列；③同步，鲁棒的系统定时和频率恢复；④空域处理，用作干扰删除和发送、接收分集；⑤编码， 采用级连的卷积码和Reed-Solomon码。
把OFDM和智能天线相结合的技术除了VOFDM外，还有美国Iospan公司开发的MIMO OFDM技术。Iospan的技术基于Stanford大学A. Paulraj教授领导的研究小组在多输入多输出（MIMO），即空时信号处理方面的研究工作。MIMO是该项技术的核心，它能大大提高频谱利用率和业务覆盖范围，系统具有可伸缩性和能保证QoS。Iospan的无线接入技术能在非视距（NLOS）传播环境下很好工作。业界广泛的共识是在下一代BWA系统中使用多天线技术，多天线技术能在有地形障碍，如树、建筑物等条件下，提供可靠的高速宽带业务。
（2） WOFDM
Wi-LAN公司发明的宽带OFDM是IEEE 802.11a的基础，同时它也提出了IEEE802.16标准。WOFDM通过扩频和前向纠错码，如R-S码降低了恶劣信道的影响，它把信道估计与Reed-Solomon算法配合使用，使纠错能力增加一倍。系统在接收信号强度为-75dBm时误比特率（BER）能达到10-6。为降低信号的峰值—平均电平比，WOFDM采用了随机相位的信号白化技术，通过对每个WOFDM符号乘以一个收发端已知的复向量，该向量具有单位幅度和相位。与无此操作的WOFDM符号相比，使发射信号变化变小，所以信号“白化”降低了信号动态范围，使系统对射频功率放大器线性度要求降低。利用直接序列扩频(DSSS)技术解决了载波信号恢复中的时钟同步问题，DSSS是一种连续的包络调制机制，它提供了一种不用预先设定自动增益控制和自动频率控制而能获取同步信号的方法，是一种非常简单且稳定的解决方案。WOFDM频谱利用率高，用16QAM调制的商用WOFDM系统目前可到3.2bit/s/Hz的频谱利用率。
WOFDM最初推出的ASIC芯片数据速率为32Mbit/s，调制方式为16QAM。如果把速率升至45Mbit/s，只需改变DSP中的软件，选择64QAM的调制方式即可，无需改变硬件。WOFDM目前已用作点对点、点对多点的无线接入解决方案。
（3） flash-OFDM
flash-OFDM是1998年由Bell实验室发明，后由朗讯科技下设的Flarion公司推出商用化产品。相对VOFDM、WOFDM而言，它的特点是能在移动环境下工作，是一种移动宽带接入Internet解决方案。
flash-OFDM采用FDD双工方式，工作频段从220MHz～3.5GHz之间。上下行链路是数百个子信道组成的宽带载波（扩频的OFDM），传输数据时给每个用户分配子信道。每个子信道采用了自适应调制和先进的编码技术，其频谱利用率比CDMA 2000系统高3倍。flash-OFDM利用快速跳频技术把信号扩频，具有频率分集能力，减小了同一小区内的用户间干扰，它同时具有OFDM和跳频扩频技术的优点。除了跳频外，为解决小区间干扰，采用了功率控制，用户只发射能有效通信的功率。空中接口采用分组业务，支持全IP通信。 Flash-OFDM的MAC层不但增强了空中接口的性能，而且支持全IP网络接口。它的功能包括把IP包分割/重组成数百个比特的OFDM块；采用ARQ大大降低话音的时延；提供丰富的IP QoS应用接口等。
网络层提供MAC层和骨干网的接口，它的功能包括IP会话管理；管理多种工作模式，如flash-OFDM/802.11，flash-OFDM/Bluetooth双模；基站、移动台和用户的授权、认证；与AAA系统的接口；路由管理；数据加密等。
移动层功能包括IP地址分配、切换管理、基站间通信等。系统对移动性支持的关键是当用户从一个BS移动到另一个BS时，能跟随用户，同时保持数据连接和IP地址。它的移动管理能力解决方案基于移动IP和漫游时支持切换，切换过程能保证没有分组丢弃。
从全IP的观点看，flash-OFDM代表了理想的空中链路，支持移动性和基于QoS的业务。物理层和MAC层为移动宽带数据特殊设计，基站控制信道的分配，以一定的优先级传送不同业务，如基于IP的话音、视频会议等。空中链路使用户数据率和频谱利用率高。它是基于IP的分布式网络，支持实时的交互式业务和端到端的IP连接，能满足业务提供商和运营商的需要, 易于部署和网络演进。
4 结束语
为满足未来无线多媒体通信需求，人们在加紧实现3G系统商业化的同时，开始了后3G(Beyond 3G)的研究。从技术方面看，3G主要以CDMA为核心技术，而未来移动通信系统技术则以OFDM最受瞩目。在宽带接入系统中，OFDM是一项基本技术。由于该系统良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的无线接入技术。许多大学、著名公司已充分认识到OFDM技术的应用前景。纷纷开展了对无线OFDM的研究工作，除了解决OFDM的同步、峰平比高等传统难题外，还包括OFDM与空时码、联合发送、联合检测、智能天线、动态分组分配等相结合的研究工作。目前一些研究结果表明，它们能提高无线OFDM系统的性能，将形成未来OFDM系统的核心技术。对这些方面的研究是当前一个非常活跃的研究领域，有许多课题需要我们做进一步的深入研究。
摘自《电信科学》
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