OFDM 技术在应急通信系统中的应用

当前, 自然灾害、公共卫生事件以及公共安全事件在世界范围内频频发生, 应急通信系统在面对这些突发事件时扮演着越来越重要的角色。本文首先分析了下一代移动通信核心技术OFDM 技术的原理及其特点, 并以McW iLL系统为例, 简要分析了OFDM 技术在McW iLL应急通信系统的应用。最后得出结论OFDM 技术在未来的应急通信系统中将得到广泛应用。

1 概述

近年来, 无论是自然灾害的救援工作、公共卫生事件的防疫工作还是安全事件的秩序维护工作都对公共事件的相关部门处理紧急响应事件提出了越来越高的要求。相应部门无论是在预警方案和组织管理协调的软件方面, 还是相应通信设备和管理指挥系统的硬件配备方面, 都面临着全新的考验。因此,建设一套高效适用的应急通信系统, 为公众提供更及时的救助服务, 已成为当前一个重要而迫切的课题。作为第四代移动通信技术的核心技术OFDM技术, 其多载波的传输距离和图像信号的流畅性均要优越于单载波技术, 适用于强调无线语音和无线视频的实时性通信应急通信系统。

2 OFDM 技术及特点

OFDM技术即正交频分复用技术, 它的提出已有40年的历史, 与已经普遍应用的FDM 技术十分相似, OFDM 技术把高速的数据流通过串/并变换分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输, 其第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。

与传统技术相比, OFDM 技术具有以下一些优点:

1)通过对高速率数据流进行串/并转换, 使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加, 从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的符号间的干扰, 进而减少了接收机内均衡器的复杂度, 有时甚至可以不采用均衡器, 而仅仅通过插入循环前缀的方法消除符号间干扰的不利影响。

2) OFDM 中由于各个子载波间存在正交性, 允许子信道的频谱相互重叠, 因此, OFDM 系统可以最大限度地利用频谱资源。OFDM 技术与传统的FDM 技术带宽利用率比较如图1 所示。从图1中可以看出, 传统的FDM技术需要在两个信道之间存在较大的频率间隔来防止干扰, 这就降低了全部的频谱利用率, 而应用OFDM技术的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽, 提高了频谱利用率。

图1 FDM 与OFDM 带宽利用率的比较。

3)各个子信道的正交调制和解调可以分别通过采用离散傅里叶反变换和离散傅里叶变换来实现, 而且当子载波数很多时, 还可以通过采用快速傅里叶反变换和快速傅里叶变换来实现。

4) OFDM 系统物理层支持非对称的高速率数据传输, 通过使用不同数据的子信道可以实现上下行链路中不同的传输速率。

5) OFDM 技术易于和多种接入方式相结合使用。

但是OFDM 系统由于存在多个正交的子载波,而且输出信号是多个子信道信号的叠加, 因此与传统技术相比, 也存在一些缺点:

1)易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖, 这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。无线信道的时变性在传输过程中造成的无线信号频谱偏移, 或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差, 都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏, 导致子载波之间干扰。

2)存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加, 因此如果多个信号的相位一致, 所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率, 导致较大的峰值平均功率比。这就对发射机内放大器的线性度得出了很高的要求, 因此可能带来信号畸变, 使信号的频谱发生变化, 从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏, 产生干扰, 使系统的性能恶化。

3 OFDM 技术在应急通信系统中的应用

M cW iLL(多载波无线信息本地环路)宽带无线接入系统是我国自主研发的第一代宽带无线接入系统。M cW iLL采用的是国际最先进的码扩正交频分多址、智能天线、空间零陷、联合检测等无线通信技术。采用McW iLL系统在应急通信中, 只要一只简单的CPE 或者PCMCIA 卡, 无需进行现场安装、调试, 就能够迅速提供高速无线连接, 同时由于其可移动性, 便携性, 能够满足应急通信的更多需要。

M cW iLL系统由终端设备CPE、基站系统BTS以及网元管理系统EMS三个部分组成。其中, 终端设备CPE 完成用户端计算机与无线网络的连接。

基站系统完成用户端CPE 与骨干网络的连接, 包括基站传输系统BTS 以及射频系统RFS 两部分。网元管理系统EMS 完成对无线系统中的所有终端设备CPE、基站系统的设备管理、系统监控、权限管理、带宽分配等操作。系统结构如图2所示。

McW iLL 系统的核心技术之一CS- OFDMA 将OFDMA、TDMA 和SCDMA 有机融合为一体。CS -OFDMA 采用了OFDM 调制方式, 具备所有OFDM的技术优势, 除了频率利用率高、信道分配灵活、容易实现外, 还有以下显着优点:

图2 M cW iLL系统结构图。

1)通过对调制符号的串并转换降低单载波上的符号速率可以增强多径干扰的抵抗能力;

2)根据对各个信道的动态分配来选择符号的承载信道可以抗频率选择性衰落;

3) CS - OFDMA 采用了码扩技术, 将一个符号进行码扩后再以一个信道为单位进行多载波调制,这样可以将一个符号的能量分散到整个信道中, 在接收时达到频率分集的效果;

4) CS - OFDMA 采取的多址方式主要由TDMA与OFDMA 组成, 码扩的使用范围仅在每一个信道中, 而信道是给用户的最小单位, 这样用户在发射接收信号时, 相互之间不会干扰, 避开了传统CDMA接入方式的多址干扰问题。

M cW iLL 技术利用并行传输的OFDM 技术和CDMA 技术的有效融合, 是两个技术的折衷方案, 有效地克服了传统CDMA 系统面对无线宽带数据传输时由于扩展频谱而引起的码间干扰的严重问题,其最大优点是对抗频率选择性衰落。在单载波窄带CDMA 系统中, 单个衰落或者干扰能够导致整个通信链路失败, 但是在M cW iLL系统中, 由于使用了多载波, 因此只有很小一部分载波会受到干扰。系统会自动在10 个子载波中选择信号效果最好的4个子载波或者2个子载波进行信号传输, 实现频谱的最佳利用。

4 结束语

应急通信系统强调的是"应急状态"下的通信,快捷的无线语音通信保证指挥命令的迅速传达, 实时的视频通信是指挥者正确判断的必备工具, 二者缺一不可。而"应急状态"通常是场景不固定, 因此更加强调移动性。未来的应急通信技术将朝着语音、数据、图像融合; 专网、共网、公网共存; 宽带、快速、安全、可靠、普遍软件无线电、IP、OFDM 等新技术方向发展。可以预见, OFDM 技术在未来的应急通信系统中将得到广泛应用, 而未来的应急通信系统也将朝着更实时、更流畅的语音和视频方向发展。