WiMAX (IEEE802.16e) - OFDMA 正交分頻多工存取技術 (II) OFDM技術概述

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發表時間: 2006-01-25 17:43
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由無線通訊的規範演進歷來看, 由2G的TDM到3G的CDMA, 乃至於最近WLAN的OFDM技術
各自都存在著天生的問題, 以CDMA來說就存在著多路徑(multi-path)的硬體接收問題,
而OFDM技術雖然天生就因為循環前置(Cyclic Prifix, CP)信號 具有對抗多路徑的好處,
但相對的也存在著某些主要的缺陷, 如PAPR等. 4G, 新的通訊規範看準了這些問題,
在世界各大廠有心經營下, 把各家學派收斂出兩個主要規範, 下行(down link , DL)
採用MC-CDMA(說穿了就是OFDM的變形), 上行(up link, UL)採用SC-FDMA, 使用單一載波傳送,
可避免因為各個移動中的使用者所發送的訊號抵達基地台的時間點不一致的問題.
上述規範, 各有各的支持者, 各有各有優缺點, 我想, 消費者是最後決定是否存在的主因.
OFDMA, 或稱 正交分頻多工存取技術, 早在二十世紀中就有人提出, 但一直到FFT(快速傅利葉轉換)
的發明, 使得原本不易實現的傅利葉轉換簡化了, 造就了它的實用性, 因此, 才會在近五年來快速地興起.
不但WLAN, DVB, DAB, WiMAX等技術接二連三地看上以OFDM為主的技術,
連3GPP這個以WCDMA為主要技術指標的組織, 也正在進行LTE(long term evolution)會議,
訂定以OFDMA為下一個無線通訊系統的標準, 因為OFDM系統的好處可以傳送大量多媒體資料,
這是其它系統不容易達到的.
OFDM技術, 跟傳統CDMA最大的不同點, 就在於利用為數眾多的子載波來承載資料,
與單一載波所承載單一資料比起來, 自然可達成快速傳送資料的目的. 以WiMAX而言, 利用
2048個子載波, 其中的1680個用來傳送資料, 每個子載波上置入一個經由映射後的符元.
相較之下, CDMA技術使用單一載波來傳送資料, 再加上展頻(spreading)所要額外
花費的代價, 相較之下, CDMA不容易達到數Mbps以上的data rate.
此外, OFDM另一個好處是在對抗多路徑的效應上比起CDMA而言, 要容易多了,
CDMA必須在接收端設計多套相同的硬體將每條路徑儲存起來,
並且將估計的結果合併以得到通道估計的結果.
不論使用哪一種傳輸技術, 都要用到通道編碼, 也就是將所要傳送的資料(壓縮後的語音, 影像等)
先經過糾錯編碼, 再將這些編碼後的0101位元, 依照不同的映射(mapping)對應成一個數值(這數值大多為complex)
再將這具有實部與虛部的值做處理, 例如OFDM技術, 則是將這些數值計算其FFT, 將訊號由頻域轉成時域,
接著, 再加上前置符元(CP), 即組成一個完整的OFDM symbol, 之後, 可能會經過up sampling 及SRRC做訊號的shaping,
再通過數位類比轉換後, 即完成類比基頻訊號, 若要經由天線發射出去, 則須要加入載頻(carrier frequency),
有的設計會將基頻先經由中頻再上至載頻.
在接收端, 會先有一個偵測訊號存在與否的機制, 一旦比對後, 判斷出有訊號進入, 則開始其訊號同步的處理程序,
因為傳送端與接收端的頻率振盪器並不同步, 也就是說, 時脈(clock)會有相位領先或落後的問題, 因此,
必須要做同步, 再加上每個通道路徑所受到的衰減狀況不同, 因此, 要將通道效應估算出來, 在補償後,
還原(demapping)回原來的0101數值(或者帶有小數的數值), 再經過通道解碼, 即可解回原來的數位訊息,
當然也會有解錯的時候.
以WLAN為例, 先將要傳送的訊號經過 randomizer, convolutional encoder, interleaver, modulation,
IFFT, CP add, up sampling, SRRC, D/A, IF, RF 即可傳送出去, 再反順序做接收處理即可(當然要先同步).
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