WiMAX物理層技術(shù)特征及其OFDM和OFDMA技術(shù)的應(yīng)用

以IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無(wú)線技術(shù)已經(jīng)成為WiMAX技術(shù)的主流，接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為很多人生活的一部分。為了滿足人們對(duì)傳輸速率日益增長(zhǎng)和高速移動(dòng)性的要求，IEEE在相繼推出了802.16a、802.16d、802.16e后，IEEE即將提出下一代的先進(jìn)空口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——802.16m。2006年12月IEEE啟動(dòng)了IEEE 802.16m標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，很多全球著名廠家將參與其中。

WiMAX物理層的技術(shù)特點(diǎn)[1]：

(1)在物理層采用正交頻分復(fù)用，實(shí)現(xiàn)高效的頻譜利用率。

(2)雙工方式：支持時(shí)分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)，同時(shí)也支持半雙工頻分雙工(HFDD)。FDD需要成對(duì)的頻率，TDD則不需要，而且可以實(shí)現(xiàn)靈活的上下行帶寬動(dòng)態(tài)分配。半雙工頻分雙工方式降低了終端收發(fā)器的要求，從而降低了對(duì)終端收發(fā)器的要求。

(3)可支持移動(dòng)和固定的情況，移動(dòng)速度最高可達(dá)120 km/h。

(4)帶寬劃分靈活，系統(tǒng)的帶寬范圍為1.25 MHz～20 MHz。WiMAX規(guī)定了幾個(gè)系列的帶寬：1.25 MHz的倍數(shù)系列、1.75 MHz的倍數(shù)系列。其中1.25 MHz倍數(shù)系列包括：1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz等，1.75 MHz倍數(shù)系列包括：1.75 MHz、3.5 MHz、7 MHz、14 MHz等。

(5)使用先進(jìn)的多天線技術(shù)提高系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。

(6)采用混合自動(dòng)重傳(HARQ)技術(shù)?；旌献詣?dòng)重傳操作中融合了前向糾錯(cuò)(FEC)的功能，使得每一次分組包的發(fā)送操作都能夠?yàn)樽罱K的正確解碼做出貢獻(xiàn)。主要分為兩類：追趕合并和遞增冗余。

(7)采用自適應(yīng)調(diào)制編解碼(AMC)技術(shù)。AMC根據(jù)接收信號(hào)的質(zhì)量，隨時(shí)調(diào)整分組包的調(diào)制、編碼方式、編碼速率，使得系統(tǒng)在能夠達(dá)到足夠的可靠性的基礎(chǔ)上，使用盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

(8)采用功率控制技術(shù)，目標(biāo)是最大化頻譜效率，而同時(shí)滿足其他系統(tǒng)指標(biāo)。

(9)采用先進(jìn)的信道編碼技術(shù)增加通信質(zhì)量，擴(kuò)大覆蓋范圍。

從先進(jìn)國(guó)際移動(dòng)通信和下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求來(lái)看，未來(lái)移動(dòng)通信的傳輸速率要求達(dá)到百兆比特位每秒甚至吉比特位每秒，目前的IEEE 802.16e中最高的物理層速率是75 Mb/s，為了能夠在保證通信質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到很高的數(shù)據(jù)速率，在未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中，必須對(duì)物理層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行有效的演進(jìn)。

1 OFDM和OFDMA技術(shù)

在802.16d/16e中均引進(jìn)了正交頻分復(fù)用(OFDM)和正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)技術(shù)，在未來(lái)的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDM和OFDMA仍然是主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。正交時(shí)分復(fù)用(OTDM)則是在最近倍受大家關(guān)注的另外一種復(fù)用技術(shù)，有可能成為未來(lái)的物理層復(fù)用技術(shù)之一。

1.1正交頻分復(fù)用

OFDM[2]的主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)通過(guò)接收端采用相關(guān)技術(shù)分開，可以在一定條件下減少子信道間干擾(ICI)。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道可看作平衰落信道，從而消除了符號(hào)間干擾(ISI)。由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。

OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

頻譜利用率很高。

抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。

采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率。

通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。

基于離散傅立葉變換(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用快速傅里葉變換(FFT)和逆快速傅里葉變換(IFFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，易用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)現(xiàn)。

除上述優(yōu)點(diǎn)以外，OFDM也有3個(gè)較明顯的缺點(diǎn)：

對(duì)頻偏和相位噪聲敏感。

峰均功率比(PAPR)大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。

自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。

OFDM作為保證高頻譜效率的調(diào)制方案已被一些規(guī)范及系統(tǒng)采用。OFDM將成為新一代無(wú)線通信系統(tǒng)中下行鏈路的最優(yōu)調(diào)制方案之一，也會(huì)和傳統(tǒng)多址技術(shù)結(jié)合成為新一代無(wú)線通信系統(tǒng)多址技術(shù)的備選方案。

1.2正交頻分復(fù)用多址

在OFDMA系統(tǒng)中，用戶僅僅使用所有的子載波中的一部分，如果同一個(gè)幀內(nèi)的用戶的定時(shí)偏差和頻率偏差足夠小，則系統(tǒng)內(nèi)就不會(huì)存在小區(qū)內(nèi)的干擾，比碼分系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

由于OFDMA可以把跳頻技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，因此可以構(gòu)成一種更為靈活的多址方案，此外由于OFDMA可以靈活地適應(yīng)帶寬要求，可以與動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)結(jié)合使用來(lái)支持高速的數(shù)據(jù)傳輸。

在未來(lái)的物理層技術(shù)演進(jìn)中，OFDMA仍然會(huì)作為一種非常重要的關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)保留。