WiMAX详解－第3部分

这一部分内容主要讲述了WiMAX物理层，包括WiMAX中OFDM的基本原理、时隙和帧结构以及自适应调制和编码。

WiMAX物理层

WiMAX物理层基于正交频分复用构建（OFDM）而成。OFDM是实现高速数据、视频和多媒体通信的理想方案，除了用于WiMAX，还被广泛用于各种商业化的广播系统中，包括DSL、Wi-Fi、数字视频广播-手持式(DVB-H)以及MediaFLO。OFDM是用来在非视距或多路径无线电环境下高速传输数据的一流的高效方案。在这一部分，我们将讨论OFDM的基本原理，并对WiMAX物理层做一个概述。第八章将对WiMAX物理层做更详细的说明。

OFDM基本原理

OFDM是一种多载波调制传输方案；多载波调制的工作原理是：将一个指定的高比特率数据流分成数个并行的低比特率数据流，并在各个单独载波上（常称为副载波或音）对每个数据流进行调制。多载波调制方案通过将符号时间扩大到足够的量，把符号间干扰消除或者最小化，因此信道中诱导产生的延迟时间（延迟扩展是衡量无线信道中延迟的一个很好参数）是符号持续时间中很小的一部分（一般不到10％）。所以，在符号持续时间（和数据率成反比）较短的高数据率系统中，将数据流分割成多个并行数据流可以延长每个数据流的符号持续时间，使得延迟扩展仅在符号持续时间中占据很小的一部分。

OFDM是一种效率极高的多载波调制方案，其中所有副载波在整个符号持续时间内都是彼此垂直的，因此不再需要非重叠型副载波信道，进而消除了载波间干扰。在选择第一个副载波时，必须使之在一个符号周期内有整数个周期，而且要将相邻副载波之间的间隔（副载波带宽）设置成BSC= B/L － 其中B是标称带宽（等于数据率），而L是副载波个数，这样才能确保所有音在这个符号周期内都是互相垂直的。我们可以看到，OFDM信号相当于含L个副载波的数据序列块的逆向离散傅立叶转换(IDFT)。这使得在离散时间中利用IFFT（逆向快速傅立叶转换）和FFT分别执行OFDM发射器和接收器变得非常简单。

为了完全消除ISI，在OFDM符号之间采用了保护间隔。只要让保护间隔大于预计的多路径延迟扩展，ISI就可以被完全消除。但是，添加保护间隔会导致电源浪费，带宽效率也会降低。电源浪费有多大，取决于保护时间在OFDM符号持续时间所占比率有多大。因此，符号时间越长（在某个特定的数据率下，符号时间越长意味着副载波越多），电源损耗和带宽效率的降低就越小。

在OFDM设计中，必须谨慎选择FFT的大小，作为在多路径保护、多普勒频移和

设计成本/复杂性之间的平衡。在一个指定的带宽下，选择一个大的FFT可以缩小副载波间隔，并延长符号时间，针对多路径延迟扩展的保护也就更容易。但是，由于移动应用中的多普勒扩展，副载波间隔缩小也会让系统变得更加容易受到载波间干扰的影响。由于延迟和多普勒扩展在OFDM设计中的影响，需要达到良好的均衡。第四章对OFDM做了更详细准确的描述。

OFDM的优缺点

相比于其它高速传输方案，OFDM有很多优势。

计算复杂性降低：OFDM可以利用FFT/IFFT来轻松实现，而且随着数据率或带宽的增加，处理速度也不需要提高很多。OFDM的计算复杂性可以由带宽B和扩展延迟Tm来展示。这样的复杂性远远低于一个标准的均衡器式系统的复杂性。

在延迟过多的情况下性能平缓退化：即便延迟扩展会超出预设值，OFDM系统性能的衰减也不会过大。设计人员可以利用更好的编码和小的集群来提供回落率 － 这个回落率在延迟扩展的影响下要稳定得多。换句话说，OFDM很适合用于自适应调制和编码，让系统能够充分利用已有的信道条件。相比之下，单载波系统中由于延迟扩展超出预定值而导致的性能骤降就显得尤其严重。

频率分集的利用：OFDM可促进频率域中的编码和副载波交错，在受到突发误差（由遭遇强衰弱的发射频谱造成）影响的情况下保持稳定可靠性。事实上，WiMAX规定了副载波置换，可以让系统充分利用频率分集。

可被用作多路存取方案：OFDM可以被用作一个多路存取方案，将不同音分配给多个用户。这个方案称作OFDMA，被用于移动WiMAX中。它还可以在信道分配时提供良好的粒度。在时变相对较慢的信道中，可以依据该特殊副载波的信噪比，给每个用户分配不同的数据率，从而大大提高性能。

受到窄带干扰时的稳定可靠性：OFDM在受到窄带干扰时能保持相对较高的稳定可靠性，因为这样的干扰只能影响一部分副载波。

适合于相干解调：在OFDM系统中可以相对更容易地试行信道估计，而信道估计又能使OFDM系统适合于功效更高的相干解调方案。

尽管有上述这些优势，OFDM方案也面临着一些挑战。首先，OFDM信号很难实现较高的峰平比（可导致非线性）并消除失真，因而导致功效的降低。第二，OFDM信号非常容易受到相噪音和频率分散的影响，而OFDM设计必须减少这些不足，并拥有拥有精确的频率同步。第四章对于能解决这些问题的现有方案进行了概述。

WiMAX中的OFDM参数

正如前文所述，固定WiMAX和移动WiMAX在OFDM物理层的应用上稍有不同。基于IEEE 802.16-2004标准的固定WiMAX利用的是基于256 FFT的OFDM物理层，而基于IEEE 802.16e-2005标准的移动WiMAX则采用一个基于OFDMA的可升级物理层。在移动WiMAX中，FFT的大小可以在128到2048位之间。

表格2.3展示了OFDM-PHY和OFDMA-PHY的OFDM相关参数。这里展示的参数只是针对有可能被采用的少数几套配置方案，不包含所有可能的数值。

固定WiMAX OFDM-PHY：对于固定WiMAX OFDM-PHY，FFT被固定在256位，其中有192个副载波用来传输数据，8个副载波用作信道估计和同步所需的导频副载波，而其它的则用作保护频带副载波。由于FFT的大小是固定的，副载波间隔会随着信道带宽的不同而有差异。当所用带宽更大时，副载波间隔也会扩大，而符号时间则缩短。符号时间的缩短，意味着必须分配更大一部分的符号时间作为保护时间，来解决延迟扩展的问题。