802.16b系统物理层基于OFDM接入优越性

  宽带无线接入城域网802.16b系统将工作在未授权的5-6GHz的频段上(今后有可能应用到免授权的2-11GHz频段),使用的信道带宽是10MHz或20MHz(5MHz也是可选的)。
  
  最近,IEEE 802.16b PHY(Physical Layer)研究小组在不同的接入方式(OFDM/OFDMA)下,分别为系统选择了几种不同点数的FFT,现在公认的观点是这种选择还可以改进。物理层基于OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiple)调制,支持TDMA和OFDMA(OFDM ACCESS)。在OFDM中,信息通过并行发送的多个载波加载到(通信)介质。在TDMA中,一个OFDM符号的所有载波都加到一个传送器中传送;而在OFDMA中多载波被分成几个子信道。当OFDMA概念应用到上行链路时,它允许用户使用较小功率的功放,其代价是降低突发数据速率;另一方面,它使用户可以动态地分配到更大的带宽而不超出链路预算。当应用到下行链路中时,OFDMA允许将既定的数据流并行地传送给多个用户;而且,它通过给处于劣势的用户的子信道分配更大部分的下行链路传输功率来改善他们的链路预算。
  
  载波间的频率间隔由FWA(固定无线接入)系统所用信道的多径特性决定。由于信道的传播特性依赖于区域的地形和小区半径,因此为了提高系统性能应增加载波的数量和FFT的点数,或者减小带宽。当以FFT算法实现调制时,通常使用的模式是64256点或者2048点FFT。另一个控制多径缓冲性能的参数开销是时域保护间隔。保护间隔的大小在1/32――1/4的FFT间隔持续时间里是可调的。
  
  本文探讨的是OFDM模式下使用2048点FFT的优越性及其对802.16b系统的益处。
  
  一、支持的FFT和保护间隔的长度
  上行和下行链路都可以使用不同的FFT长度。使用不同的FFT长度可以有效控制多径衰落和信道信号变化速率。长的FFT可以用来避免多径信道中的长时延,短的FFT可以用于传播路径较少的近距系统。多径信道吞吐量的减少由保护间隔大小决定,以下表格就概括了在几种不同信道带宽下不同FFT长度下的保护间隔持续时间(这个时间决定了极端情况下时延扩散的处理,时延扩散大约是极端情况的1/4,这个参数可以达到几个微秒——一般仅考虑2.5微秒以上)。
  
  另一个采用大长度FFT的优点是发射信号可以获得更好的频谱形状。使用2048点FFT损耗将比64点FFT低15dB,这将使得多系统可以更好地共存。
  
  二、功率集中和自适应功率控制
  OFDMA在下行和上行链路都有很多优势。除了符号长度大外,最大的优势是使功率集中成为可能。功率集中通过仅给已分配的子信道发送功率来实现。因此,用户能量只在选定的载波上传输而不是在所有载波上。通过这个技术用户和基站可以控制不同子信道的能量大小。当从用户传送时,相对于在所有信道上都发送的情况,这种功率集中可以在每个载波上获得15dB增益。在一个子信道使用了53个载波时,联合后向自动功率控制可获得最佳的性能。
  
  基站同样可以控制不同子信道中的功率,并且获得多达6dB的增益。这种技术被成为前向功率控制,它被用来调整下行链路中的用户功率。
  
  功率集中有以下几个优势:
  
  (1) 覆盖性能更好
  
  (2) 对大的小区提供更大的自动功率控制范围
  
  (3) 提供优越的重用因子
  
  (4) 信道可用性更高
  
  (5) 可使用更简单、更廉价的功放
  
  (6) 传送的信号获得更佳的信噪比(SNR)
  
  (7) 系统的有效覆盖更广,相同等效全向辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power)下具有更优越的覆盖。
  
  三、抗干扰性能优越
  如使用以下参数来计算系统的半径:
  
  (1)20MHz信道带宽
  
  (2)16QAM调制
  
  (3)一个子信道传输
  
  (4)接收器NF=4dB
  
  (5)功率发射30 dBm
  
  (6)在SS中使用30°天线,基站使用60°天线
  
  (7)简单的传播方式的直射传播LOS(Line-of-sight)和非直射传播NLOS(non-LOS)。
  
  使用参考文献[2]中的信道模式,在郊区获得以下的结果(参考文献[3]),在市区可能会坏一些。
  
  64 OFDM:~2.5Km for LOS, ~300m for NLOS
  
  2k OFDM: ~ 14.5Km for LOS, ~715m for NLOS
  
  可见 OFDMA系统具有极大的优势。
  
  四、共存
  共存问题仅限于讨论OFDMA比已应用的常规技术的优越之处,诸如DFS技术之类的问题由于在FFT中较常见本文不予详述。
  
  1.减少已存在的干扰
  
  在城域网环境中的干扰可归纳为
  
  (1)窄带干扰
  
  (2)部分频带干扰
  
  (3)脉冲干扰
  
  (4)其他在运行系统的干扰和IEEE 802.11a,HiperLAN2共存干扰。
  
  1.1 窄带干扰
  
  窄带干扰可以用下几种方式来抑制:
  
  (1)对符号使用时间成形再进行均衡(用越多点数的FFT,获得的符号波形越佳)。
  
  (2)使用干扰检测和智能电子耦合控制(ECC,Electron Coupling Control),可以去除坏码。在任何情况下,特别是在OFDMA中,与使用小点数的FFT相比,使用大点数的FFT可以有效的抑制对基站的干扰(归功于FFT滤波),并且使更少的载波受到损坏。
  
  1.2 部分频带干扰
  
  坏码检测使用智能ECC来去除坏码,从而能够抑制部分频带干扰。2k 模式的OFDMA可以对宽带干扰或802.11a,HiperLAN2干扰获得15dB的处理增益。
  
  1.3 脉冲干扰
  
  使用时域数据交错可限制短时干扰。子信道时间交错、短分组长度实现了简单的时域交错和更佳的多路统计复用性能。
  
  1.4其他系统的干扰及其和IEEE 802.11a,HiperLAN2共存
  
  当使用大点数的FFT时802.16b PHY和IEEE802.11a、HiperLAN2共存是最佳的。当使用大点数FFT,载波带宽大约有10kHz(而64点FFT需300KHz以上),这个带宽差值使我们获得15dB的处理增益,而且,FFT滤波器至少可以使所有干扰都减少13dB,当两个系统工作在相同的发射功率时考虑所有上述情况,那么TG4可以对IEEE 802.11a、HiperLAN2 信号干扰有28dB的抑制增益;当使用小点数的FFT时,优越性会有所降低。
  
  1.5 其它的抗干扰和系统共存方法
  
  有很多的方法可以使两个系统同时运行而互不干扰:
  
  使用定向天线
  
  使用自适应阵列与无人操纵技术
  
  上述都是基于天线的技术,它们可以去除或抑制干扰。
  
  五、结论
  本文举例试图证明OFDMA改善了802.16b的系统性能。随着802.16宽带无线接入城域网标准的制定,可以预见OFDMA在不久的将来会有非常广阔的应用前景。