OFDM-FDM與OFDM-TDMA性能比較
發布時間：2010-12-14 12:37
發布者：designer
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1 引言 正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing，OFDM)是一種高效的數據傳輸方式，他通過串／并變換將高速數據流分散到多個正交的子載波上傳輸，一方面使各個子載波的符號速率大幅下降，相應的符號持續時間變大，減少符號間干擾的影響，有較強的抗時延擴展能力；另一方面信號的并行傳輸分散了瑞利衰落引起的突發性錯誤，提高了系統的抗突發錯誤的能力。由于OFDM各子載波相互正交，因此允許子載波頻譜混迭，充分利用有限的頻譜資源，使得其頻帶利用率高于傳統的FDM調制方式。 正是由于OFDM的這些優點，使得他在HDSL，AD-SL，DAB(數字語音廣播)，HDTV(高清晰度數字電視)以及移動通信方面得到了廣泛的應用。在IEEE提出的寬帶無線接入協議802.16a中，也建議采用OFDM調制方式。本文研究了IEEE 802.16a協議中支持的兩種多址方式：OFDM-TDMA，OFDM-FDMA，并對他們的性能進行了比較。 2 OFDM-FDMA和OFDM-TDMA技術簡介 由于一個多用戶系統的性能在很大程度上取決于其所采用的多址技術，所以在OFDM系統中，如何選擇一種高效的多址技術就顯得異常重要。通常的多址方法有3種：時分多址(TDMA)，頻分多址(FDMA)及碼分多址(CDMA)。在OFDM通信系統中，這3種多址方式都可以和OFDM調制相結合，分別稱之為OFDM-TDMA，OFDM-FDMA和OFDM-CDMA。在IEEE 802.16a協議中，物理層是以OFDM調制為基礎的，支持兩種多址方式，即FDMA和TDMA。 OFDM-FDMA方案將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用帶寬資源可靈活地在不同移動終端之間共享，從而避免了不同用戶間的多址干擾。OFDM-FDMA將所有載波的確定子集分配給每個用戶，這種分配表現為一種純粹的數字化的子載波管理，子載波分配不是固定的，而是采用自適應方式。對于有效的多址接入方案，當其進行時間和帶寬資源分配時，應滿足高度適應性。具體體現在，一方面，應考慮頻率選擇性無線信道的特性；另一方面，也要滿足用戶對不同的或可變的數據傳輸速率的需求。OFDM-FD-MA系統中，這種適應性可由恰當選擇與每個用戶相關的子載波來滿足。每個用戶經歷不同的無線信道的情況，可以通過只將具有高信噪比的“好”子載波分配給每個用戶來實現。而且特定用戶的子信道數目可以依據要求的傳輸速率進行變化。 在OFDM-TDMA中，在一段時間內將全部帶寬資源(所有子載波)分配給一個特定的用戶，即在單個的TD-MA幀內，所有子載波在幾個時隙內為某個用戶獨占。這種OFDM-TDMA的時間、帶寬資源分配方式，可看作將全部資源(時間、帶寬)在時間軸上進行分割。 在OFDM-TDMA系統中，假定全部帶寬分配給每個用戶，假如在單個TDMA幀內的一些OFDM符號間隔內，所有子載波被分配給一個用戶。每個TDMA幀的OFDM符號數目可以根據每個用戶的需求進行變化。在OFDM-TDMA系統中，雙向業務可以由TDD方式實現，這種方式在上行和下行鏈路中都使用了子幀結構。OFDM-TDMA方案具有如下特點： (1) OFDM-TDMA方案在特定的OFDM符號內將全部帶寬分配給一個用戶，這種分配方式不可避免地存在帶寬資源浪費、頻帶利用率低、靈活性差的缺點。 (2) OFDM-TDMA的信令開銷在很大程度上取決于是否采用濾除具有較低信噪比子載波的技術和自適應調制／編碼技術。采用上述技術雖然可以改善性能但是也會增加信令開銷。 圖1和圖2分別是OFDM-FDMA和OFDM-TD-MA的時頻示意圖。圖中用小方格的灰度不同來區分不同用戶。每個小方格表示一個OFDM符號中的一個子載波。在OFDM-FDMA系統中，不同用戶的子載波是以交織的方式分配的。在OFDM-TDMA系統中，每個用戶有一定數目的時隙，在該時隙內，所有的子載波都可以為該用戶所使用。假定每個時隙的長度等于OFDM的符號長度。 3 OFDM-TDMA和OFDM-FDMA的性能比較及仿真 這里采用Matlab軟件對OFDM系統進行仿真，為了便于比較，設定OFDM-TDMA和OFDM-FDMA系統的參數一致。按照IEEE 802.16a協議，設定FFT變換的點數為2 048，可用子載波數目為1 702，假定系統有3個用戶。采用蒙特卡羅仿真法，選用16QAM凋制方式，仿真的符號數為100，所加噪聲為白高斯噪聲。圖3是在相同的比特速率情況下，OFDM-TDMA和OFDM-FDMA系統的誤比特率性能比較。在TDMA系統中，為簡單起見，假定一幀有3個時隙，每個時隙的長度等于一個OFDM符號的長度，每個用戶只在一幀中的一個時隙中傳輸數據。從圖中可以看出，OFDM-FDMA系統的性能要優于OFDM-TDMA系統，這是因為TDMA中在一個時隙內只有一個用戶發送數據，由于各個子載波的衰落特性不同，所以有一些衰落嚴重的子載波就不能被使用，這樣那些未被使用的子載波就浪費掉了而不能被其他用戶使用，這就造成了頻率資源的浪費，因此在相同的用戶數據速率條件下他的性能就沒有FDMA的好。圖中為了便于比較，設定TDMA和FDMA的用戶數據速率相同，從而TDMA的誤比特率要高于FDMA系統。這一結果和文獻的結論也是一致的。 4 結 語 本文研究了OFDM-FDMA和OFDM-TDMA這兩種多址技術，并基于IEEE 802.16a協議比較了他們的性能，仿真結果表明OFDM-FDMA系統的誤比特率性能要優于OFDM-TDMA系統。 |
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