曹岳
毕业于北京理工大学电子工程系通信工程专业。
现任北京瑞澜联合通信技术有限公司培训和技术支持中心经理。
导读：
正交频分复用(OFDM)在过去几年中已经成功地运用于许多数字通信应用，并被采纳为无线局域网的标准。本文详细阐述了W-OFDM技术的系统结构、技术优势，探讨W-OFDM克服OFDM技术的不足，做到了提高带宽和噪声容限，并简要介绍了W-OFDM的商用情况。
一、 OFDM面临的问题
1、 OFDM比单载波系统对载波频率偏移和抽样时钟失配更敏感。
2、 峰均比问题。在OFDM处理过程中，由于正交编码的特性，导致信号的峰均比很高，换句话说，信号具有很大的动态范围。这就意味着只有高度线性的射频放大器才能使用。
3、 频率偏移问题。OFDM依赖于重叠的子载波的正交性，而这种正交性可以通过在子载波间隔的1/100范围内进行频率控制。频率补偿错误意味着子载波不再是正交的，从而导致了载波间的干涉，使性能变差，这种情况被称之为OFDM中的FFT泄漏。频率飘移的问题也很严重，它在移动媒介中会引起多普勒扩展。图1说明了FFT泄漏的情况：
图1. FFT泄漏
由于上述原因，OFDM对频率偏移和相位噪声很敏感，它要求昂贵的、高精度的无线电器件。大量的载波靠近频率间隔，因此频率精度越来越严格。
二、 W-OFDM的出现解决了上述OFDM的诸多问题
我们在此提出的W-OFDM技术，它对诸如频率偏移、抽样时钟偏移、相位噪声和放大器非线性等OFDM固有的问题不那么敏感。通过使用一个强有力的均衡方案和前向纠错方案的结合，W-OFDM还能容忍较强的多径干扰和快速选择性衰落。
三、 W-OFDM技术介绍
1) 什么是W-OFDM
W-OFDM是宽带正交频分复用（Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplexing）的缩写。目前，W-OFDM已经正式通过IEEE组织的认证，成为IEEE802.16a标准 (无线城域网的国际通用标准) 物理层调制技术。
W-OFDM通过循环前缀克服了多径干扰的问题；在反向信道上可以通过简单地除以频率响应来克服多径影响；它还使用了扩展的前向纠错编码(如Reed-Solomon码)以便在多个频率上扩展符号，把信号转换成为直接序列扩展频谱信号。直序扩频技术即使是在完全没有载频的情况下也能恢复出信号。W-OFDM的效率和噪声容限结合了窄带系统和扩展频谱的优点，又避免了二者的缺点(扩频系统通过“牺牲”带宽来补偿噪声和多径的影响，而窄带技术对于多径干扰十分敏感)。
为了克服信号幅度的高峰均比和由多径效应引起的衰落问题，W-OFDM结合了信号随机化和信道估计技术。发射端的信号随机化具有白化W-OFDM信号和减小对射频功率放大器的线性要求。因此，大大提高了OFDM技术的实用性和经济性。通过在W-OFDM数据的每一帧中插入一些已知数据，计算出传输信道的“估计”(这个“估计”就是理论中的“传输函数”)，并利用这个“估计”来纠正选频衰落的影响。
由于峰均比的降低，W-OFDM能够减小对邻近链路的干扰，使得独立的信道可以采取点对点和点对多点的方式来组网。
2) W-OFDM系统结构
图2表示出了W-OFDM的处理框图。其中以太网接口是用户数据来源(比特流)。
图2. W-OFDM处理框图
* 编码器
编码器对用户数据比特流进行处理以使解码器能够纠正在传输过程中出现的比特错误。进入编码器的比特被划分成块，编码器使用Reed-Solomon前向纠错算法，增加冗余，从而使消息块加长。数据以32Mbps的速率送入Reed-Solomon编码器，它使用200个输入字节，编出 216个字节的输出码字。
* 调制器
调制器将编码后的比特块转换为复数向量，它是频域中的W-OFDM符号。比特块被映射到调制星座图上，产生一个代表已调载波的复数值。代表直流的载波没有被调制以消除其与直流电平的混迭和载波的馈送。一些被称为导频载波的载波被预知值调制以允许解调器调整其幅度和相位。当选择性衰落使得一个导频载波受到衰减时，多个导频载波的存在将能够提高信噪比(SNR)和对付多径传播。
运用的最典型的调制器是QAM(正交幅度调制)和QPSK(正交相移键控)。
在进行IFFT操作之前，可以插入导频符号。导频符号可以在数据之前或者分布在数据符号之间发送。在数据传输系统中，使用下图所示的任何一种方案，或两种方案组合使用，都是很有好处的。
* 信号白化器
信号白化器减小了必须通过射频放大器和模/数转换器的信号峰均比；它还能够提供一种安全级。W-OFDM符号(复数值向量)乘以一个发射机和接收机都已知的复值向量R。R中所有的值都具有一致的幅度和选择后的相位，这样，所得到的发射信号的平均功率电平变化要比没有此措施的发射信号的平均功率电平变化要小。有许多不同的向量可以用作R，并且，每个W-OFDM符号可以依次使用不同的R；因此，这一阶段可以作为一个安全级而不增加额外开销。
* 训练序列
六个训练序列符号被加入了数据流中。前五个符号用于信道转移函数的估计；其倒数被应用于每个W-OFDM帧以补偿信道的影响，这与均衡非常类似。信道估计被应用于提高Reed-Solomon解码器的纠错能力。
* IFFT/FFT(快速傅立叶逆变换/快速傅立叶变换)
IFFT处理模块将W-OFDM符号从频域变换到时域。它还对W-OFDM符号做好发射前的准备。向量被缩放以便获得最大的信噪比。
IFFT是一种创建N个载波的有效方法，其中的每一个载波都为它的相位和幅度所调制。N点IFFT的典型输入基本上是以X+iY的表示形式。IFFT会产生一个载波频率，其幅度和相位分别为X和Y所决定。也就是说，所发送的符号决定着载波的幅度和相位。表示信息符号的复数输入到IFFT缓冲区，接着进行IFFT运算，产生一组时域抽样值，然后将它们发送出去。
如图3所示，在接收机处，向量被周期延拓以减少符号间干扰的影响。
图3. 用来发射的IFFT
图3说明了用IFFT来产生W-OFDM信号的方法。 当第一个脉冲发射以后，下一个符号输入到FFT缓冲区，我们注意到，随后的脉冲与第一个脉冲连在一起的时候，会产生不连续(如图3所示)，这个不连续会产生高频成分，我们将通过对数据加窗来减轻频谱间的干扰，W-OFDM系统中子载波的数量可以由FFT的尺寸所决定。
由于信号经过媒介时是多径传播的，结果信号在不同的时刻到达接收端。如图4所示：
图4. 多径传输
多径传播会产生延迟扩展，从而导致了符号间干扰。一种简单的克服符号间干扰的方法是增加符号周期，这可以通过增加载波的数量以便使得信道的扭曲变得无关紧要。但是，这种方法执行的困难之处在于载波的稳定性、多普勒频移、FFT尺寸及延迟。另一种减少符号间干扰的方法是创建一个循环的扩展警卫间隔，即循环前缀。W-OFDM就是采用循环前缀的方式克服多径传播带来的符号间干扰的，如下图所示。
图5.W-OFDM通过加入一个循环前缀解决多径迟延引起的码间干扰问题
当系统采用循环前缀时，整个的符号周期是Ttotal=Tg+Tu，其中Tg是警卫间隔，Tu是有用的符号周期，警卫频带如图6所示：
图6. 警卫频带
因为警卫间隔的插入通常会减少数据吞吐率，Tg通常少于T/4。图7说明了警卫间隔的增加如何有助于减少符号间干扰，它显示了两个相同的信号经过不同的路径、在不同的时间段内到达接收端，然后在接收端的天线上连接合成一个信号。在时间间隔Tu内，信息符号只对它自身产生干扰，其结果只是信息符号的量化及旋转；在警卫时间间隔Tg 内，我们容易看出随之而来的信号对两个信息符号都有影响，产生了符号间的干扰。在接收端，警卫间隔不被考虑，因此符号间的干扰并没有影响到接收器的性能。需要注意的是，警卫间隔应该比延迟扩展大。
图7. 循环前缀(警卫频带)的好处
FFT模块将W-OFDM符号从时域变换到了频域。
* 同步
为了获得同步，使用了一个直接序列(DS)扩展频谱信号。它是由32位差分相位偏移键控(DPSK)符号通过周期为11的伪随机序列扩展得到的。直接序列扩频信号也用于自动增益控制；W-OFDM接收机从同步消息中恢复出增益与误差频率信息。自动增益控制(AGC)算法在每个包的开端测量接收功率电平，并调整接收机增益使得在保证信号不会因为被限幅而失真的同时获得最大信噪比。
图8.W-OFDM无线分组包结构及流图
* 信道估计
传输中引起的幅度和相位失真，可以通过比较原先的训练序列和接收到的W-OFDM训练序列得到。这一比较包括了频域中的相除(也就是训练序列通过FFT模块)。这一频域的信道估计，C，与已知的、预先已白化的向量R混合(相乘)，用于下面的均衡器。另外，当向量C低于一个给定的门限值时载波将被指示给解码器。这一信息称作擦除，后面在Reed-Solomon解码器中将会用到。解码器仅仅需要恢复出发送数据的值，这使得解码器纠正更多的错误成为可能。
* 均衡器
均衡器消除信道失真和预白化作用。W-OFDM向量将被乘以预先计算好的信道估计。
* 解调器
W-OFDM符号被转换回比特块。调制器将导频载波设定到已知的电平上，并将它用于确定校正已调载波相位和幅度的因子。每个载波根据调制星座图被转换回比特。
* 解码器
解码器检测并纠正错误的比特，产生出原始比特块。解码器根据Reed-Solomon算法，利用擦除的特性，忽略掉那些低信噪比的载波(低于信道估计的向量C门限值的那些载波)上的比特。
四、 W-OFDM的商业应用
我们一直努力研发W-OFDM产品，并在全球推广W-OFDM技术。从1999年至今，相继推出三代W-OFDM产品，I.WiLL、BWS和Libra (Libra3000和Libra5800)。
由于W-OFDM已经正式通过IEEE组织的认证，成为IEEE802.16a标准的物理层调制技术。因此，我们的W-OFDM系列产品成为了最接近国际标准的无线城域网产品。现在，我们的W-OFDM产品已经遍及30多个国家，组建了多个W-OFDM网络，例如，中国的中电华通和中广卫、喀麦隆的CamTel、芬兰的Vantaan Energia、尼日利亚的Swift Network等。如下示意图所示，可以满足用户的多种业务需求。
我们近期推出了Libra 5800系列产品。该产品工作在5.725~5.850GHz，采用W-OFDM+16QAM/QPSK/BPSK调制方式，包括点对点和点对多点两大类型。该产品功能强大、性能优越，可以很好的满足运营商、网络服务提供商等广大用户的组网需求。该产品具有以下特征：
1) 采用256 FFT OFDM (W-OFDM)。
256 FFT OFDM(W-OFDM)是IEEE 802.16a和ETSI HiperMAN标准采用的调制方式。我们是唯一采用 256 FFT OFDM(W-OFDM)的，而其他厂家大都只是采用了64 FFT OFDM方式。由上文的论述，大家已经知道，子载波数目越多，抗选择性衰落和多径干扰的能力就越强，链路质量就越稳定。下图是我们为网通3.5GHz设备选型架设的非视距NLOS演示链路。
2) 载波占用带宽仅为10MHz，包含保护带宽也仅为12.5MHz
占用频带虽窄，峰值无线数据速率却高达32Mbps，最大有效数据速率则高达24Mbps。众所周知，频点越多，组网越灵活。国家无委规定的5.725~5.850GHz频段仅有125MHz，在此频带内，我们就拥有10条独立信道，可以很好的满足运营商、ISP等用户的组网需求。其他厂家设备载波占用带宽大都是20 MHz。
3) 无线传输速率稳定，没有数据回退现象。
4) 全室外防水单元设计，采用高质量集成天线(也可以根据需要选择分体天线)，安装简便。
* 点对点设备RD和点对多点用户端设备CPE采用23dBi集成天线，波束宽度为9度。
* 点对多点基站设备AP采用分体天线，WCU可以提供多种天线供广大用户选择。
5) 安全性能高
采用以下多级安全措施，以确保用户信息传输安全可靠。
* 采用W-OFDM调制方式。常规的无线设备无法截获信号，无法破解信息。
* 采用专有的射频协议。常规的OFDM无线设备无法截获信号，无法破解信息。
* 多个中心频率可选。频率不同，信号不会被截获。
* 可以禁止设备被访问。通过调整设备调试菜单，可以在射频端口和100/10Base-T以太网口禁止设备被访问，如FTP、Ping、telnet和SNMP等。
* 具有IP地址过滤功能。启用此功能时，可以只允许特定地址段内的IP包通过，而丢掉其他所有的IP包。
* 站点ID号。CPE的ID号码必须存在于AP的数据库(轮询列表)中，否则该CPE不能与AP通信。
* 相位矢量随机性(Phase Vector Randomization)。在AP和CPE之间的通信信道中加入干扰射频载荷，只有我们的设备才能解扰，将用户数据信号恢复出来。
* 支持VLAN透传，支持802.1q协议。
* 菜单密码。密码分为“只读用户密码”和“超级用户密码”两类，用来防止未经许可人员随意修改设备参数设置。如果连续三次密码输入错误，系统将会发出告警信息。
6) 采用时分双工(TDD)模式，使带宽分配更灵活。
7) 采用室外型5类线，无需昂贵坚硬的射频电缆。
五、 总结
在本文中，我们阐述了用于高速无线数据通信的W-OFDM收发信机系统结构。通过利用信道估计和利用前向纠错的均衡技术，W-OFDM系统在-75dBm的接收信号强度下能达到约10-6的误比特率。为了改善信号峰均比较高的问题，W-OFDM对信号进行预白化处理。减小了的峰均功率比将导致较高的平均发射功率，进而会提高整个系统的性能。
互联网已经成为推进互动的、多媒体应用的媒介，这些应用需要日益增加的更大的带宽容量。数据通信的下一个无线解决方案将能够随时、随地向任何人提供宽带服务。随着高带宽与日益增加的信号密度的结合，W-OFDM将开启新的应用市场。
----《中国通信》
