基本介紹
- 中文名：OFDMA
- 外文名：Orthogonal Frequency Division Multiple Access
- 別名：正交頻分多址接入
- 本質：OFDM技術的演進
- 通信技術：IEEE 802.16
- 支持平台：WiMax,LTE
發展由來,技術簡介,基本原理,技術分類,子信道OFDMA,跳頻OFDMA,可擴展性,使用缺點,技術演進,與CDMA的不同,不同涵義,
發展由來
通用陸地無線接入（UTRAN）演進的目標是構建出高速率、低時延、分組最佳化的無線接入系統。演進的UTRA致力於建立一個上行速率達到50 Mbps、下行速率達到100 Mbps、頻譜利用率為3G R6的3～4倍的高速率系統。為達到上述目標，多址方案的選擇應該考慮在複雜度合理的情況下，提供更高的數據速率和頻譜利用率。在上行鏈路中，由於終端功率和處理能力的限制，多址方案的設計更具挑戰性，除了性能和複雜度，還需要考慮峰值平均功率比（PAPR）對功率效率的影響。
在3GPP LTE的標準化過程中，諾基亞、北電等公司提交了若干多址方案，如多載波（MC)-WCDMA，MC-TD-SCDMA，正交頻分多址接入（OFDMA），交織頻分復用（IFDMA）和基於傅立葉變換擴展的正交頻分復用（DFT-S OFDM）。OFDMA已成為下行鏈路的主流多址方案，並且是上行鏈路的熱門候選方案，其中，北電公司的方案支持頻分雙工（FDD)方式，信息產業部電信傳輸研究所的方案支持時分雙工（TDD）方式。
由於正交頻分復用（OFDM) 能夠很好地對抗無線傳輸環境中的頻率選擇性衰落，可以獲得很高的頻譜利用率，OFDM非常適用於無線寬頻信道下的高速傳輸。通過給不同的用戶分配子載波，OFDMA提供了天然的多址方式。由於用戶間信道衰落的獨立性，可以利用聯合子載波分配帶來的多用戶分集增益提高性能，達到服務質量（QoS）要求。然而，為了降低成本，在用戶設備（UE）端通常使用低成本的功率放大器，OFDM中較高的PAPR將降低UE的功率利用率，降低上行鏈路的覆蓋能力。由於單載波頻分復用（SC-FDMA）具有的較低的PAPR，它被提議成為候選的多址方案。
目前，OFDMA已被廣泛研究，並已成為3GPP LTE的下行鏈路的主流多址方案。然而，在上行鏈路的研究中，儘管SC-FDMA成為主流的多址方式，但OFDM和SC-FDMA之間的比較大多從PAPR的角度進行，而沒有考慮兩者的鏈路性能，更沒有充分地考慮PAPR和性能的折衷。
OFDMA技術與OFDM技術相比，用戶可以選擇條件較好的子載波進行數據傳輸，而不像OFDM技術那樣，一個用戶在整個頻帶內傳送，從而保證了子載波都被對應信道條件較優的用戶使用，獲得了頻率上的分集增益。在OFDMA中，一組用戶可以同時接入到某一子載波。
目前使用OFDMA的無線通信技術有：IEEE 802.16。
技術簡介
正交頻分多址- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access）是無線通訊系統的標準，是一種多址技術。WiMax,LTE,都支持OFDMA。
OFDMA 多址接入系統將傳輸頻寬劃分成正交的互不重疊的一系列子載波集，將不同的子載波集分配給不同的用戶實現多址。OFDMA系統可動態地把可用頻寬資源分配給需要的用戶，很容易實現系統資源的最佳化利用。由於不同用戶占用互不重疊的子載波集，在理想同步情況下，系統無多戶間干擾，即無多址干擾（MAI）。右圖給出出了OFDMA系統的原理示意圖。其中，灰色、白色以及深灰色時頻柵格代表不同的子載波集，它們在頻帶上是互不重疊的，並分別分配給不同用戶。OFDMA方案可以看作將總資源（時間、頻寬）在頻率上進行分割，實現多用戶接入。
正交頻分多址
正交頻分多址基本原理
多徑效應是目前無線系統面臨的挑戰之一。多徑來自發射器和接收器間的反射，反射在不同時刻到達接收器。分離各反射的時間間隔被稱為延遲擴展。當延遲擴展與傳送的符號時間（Symbol Time）大致相等時，這種干擾有可能引發問題。典型的延遲擴展時長几微秒，與CDMA符號時間接近。OFDMA的符號時間大致在100微秒，因而多徑現象的影響不太嚴重。為緩解多徑效應，在每一符號後插入一個約10微秒、稱為循環前綴的警戒邊帶。
為得到更高數據速率，OFDM系統必須比CDMA系統更有效地利用頻寬。每單位赫茲的位數稱為頻譜效率。採用高階調製是實現更高效率的方法之一。階數是指每一子載波傳送的位數。例如，在正交振幅調製（QAM）中，每載頻傳送2位。在16 QAM和64 QAM中，每個子載波分別傳送4和6位。在4G系統，因預期會採用64 QAM，所以其頻譜效率很高。OFDMA針對多用戶通信進行了最佳化，尤其是蜂窩電話和其它移動設備。
OFDMA原理
OFDMA原理它是針對蜂窩電話長期演進（LTE）的最合適調製方案。在這種演變的過程中， OFDMA的名稱變為高速正交頻分復用分組接入（HSOPA）。OFDMA的變數由WiMAX論壇選為調製方案，後來又根據IEEE針對IEEE 802.16-2004（固話）和802.12e（移動）WiMAX的標準進行了標準化。
與CDMA（碼分多址接入）寬頻CDMA及通用移動通信系統（UMTS）這類3G調製方案相比，它的好處在於具有更高的頻譜效率和更好的抗衰落性能。對於低數據率用戶，它只需要更低的發射功耗，具有恆定而不是隨時間變化的更短延遲，以及避免衝突的更簡潔方法。
OFDMA會把副載波的子集分配給各個用戶。以關於信道狀態的反饋為基礎，系統能執行自適套用戶到副載波的分配。只要這些副載波分配被迅速地執行，與OFDM相比，快速衰退、窄帶同頻干擾性能都得到了改進。反過來，這又改進了系統的頻譜效率。
OFDMA將整個頻帶分割成許多子載波，將頻率選擇性衰落信道轉化為若干平坦衰落子信道，從而能夠有效地抵抗無線移動環境中的頻率選擇性衰落。由於子載波重疊占用頻譜，OFDM能夠提供較高的頻譜利用率和較高的信息傳輸速率。通過給不同的用戶分配不同的子載波，OFDMA提供了天然的多址方式，並且由於占用不同的子載波，用戶間滿足相互正交，沒有小區內干擾（如圖1所示）。同時，OFDMA可支持兩種子載波分配模式：分散式和集中式。在子載波分散式分配的模式中，可以利用不同子載波的頻率選擇性衰落的獨立性而獲得分集增益。
此外，因為OFDMA已成為下行鏈路的主流方案，上行鏈路如也採用OFDMA，LTE的上下行鏈路將具有最大的一致性，可以簡化終端的設計。
一個分配了M個子載波的用戶的傳輸信號可表示為：D =[d 0，d 1……d M-1]T，其中，T代表矩陣轉置，di是調製信號。
經過快速傅立葉反變換（IFFT）調製後，信號向量S =F N* T N,M D，其中TN，M代表子載波分配的映射矩陣，其元素是表達子載波的分散式或者集中式分配。F*N是N點IFFT矩陣，*代表共軛轉置，並且FN=[f 1T，f 2T……f NT]T
經過衰落信道和快速傅立葉變換（FFT）信號處理後，頻域的接收信號可以作如下表達：R=HTN，M D+n，其中H=diag(Hk），Hk是第k個子載波上的頻域回響；n是高斯噪聲向量；R=[r(0），r ⑴ ……r (N-1）]T，r (k）是第k個子載波上的接收信號。
由於OFDM的時域信號是若干平行隨機信號之和，因而容易導致高PAPR。基站端的功率限制相對較弱，並且可以採用較為昂貴的功率放大器，所以在下行鏈路中，高PAPR不會帶來太大的問題。然而，在上行鏈路中，由於用戶終端的功率放大器要求低成本，並且電池的容量有限，因而高PAPR會將降低UE的功率利用率，減小上行的有效覆蓋。為避免OFDM的上述缺點，必須降低PAPR。
降低OFDM的PAPR的技術有很多，比如選擇性映射、削波和濾波等等。文獻[6]中證明了通過削波和濾波，可以將PAPR降低到6 dB以下時，同時對OFDM的性能影響很小，而且帶來的複雜度增加也是可以接受的。因此，本文將主要研究不同多址方案的鏈路級性能的比較。在OFDM中，採用快速傅立葉變換（FFT）將可用頻寬分成數學上正交的許多小頻寬。而頻帶的重構是由快速傅立葉反變換（IFFT）完成的。FFT和IFFT都是定義得很完善的算法，當大小為2的整數倍時，可被非常高效地實現。OFDM系統的典型FFT大小是512、1024和2048，而較小的 128和256也是可能的。可支持5、10和20 MHz頻寬。該技術的一個優異特性是易於改用其它頻寬。即便整個可用頻寬改變了，較小的頻寬單元也可維持不變。例如：10MHz可分成1,024個小頻帶；而5MHz可分成512個小頻帶。這些典型大小為10 kHz的小頻帶被稱為子載波。
OFDMA原理
OFDMA原理技術分類
OFDMA又分為子信道（Subchannel）OFDMA和跳頻OFDMA。
子信道OFDMA
子信道OFDMA將整個OFDM系統的頻寬分成若干子信道，每個子信道包括若干子載波，分配給一個用戶（也可以一個用戶占用多個子信道）。 OFDM子載波可以按兩種方式組合成子信道：集中式和分散式，如下圖所示。
集中式和分散式- 集中式將若干連續子載波分配給一個子信道（用戶），這種方式下系統可以通過頻域調度（Scheduling）選擇較優的子信道（用戶）進行傳輸，從而獲得多用戶分集增益。另外，集中方式也可以降低信道估計的難度。但這種方式獲得的頻率分集增益較小，用戶平均性能略差。
- 分散式系統將分配給一個子信道的子載波分散到整個頻寬，各子載波交替排列，從而獲得頻率分集增益。但這種方式下信道估計較為複雜，也無法採用頻域調度，抗頻偏能力也較差。
設計中應根據實際情況在上述兩種方式中靈活進行選擇。
- 當信道估計準確性較高如終端低速移動時，可以採用集中式分配，獲得多用戶分集增益。
- 當信道估計準確性不高如終端快速移動時，可以採用分散式分配，獲得單用戶頻率分集增益。
跳頻OFDMA
子信道OFDMA對子信道（用戶）的子載波分配相對固定，即某個用戶在相當長的時長內使用指定的子載波組（這個時長由頻域調度的周期而定）。
這種OFDMA系統足以實現小區內的多址，但實現小區間多址卻有一定的問題。因為如果各小區根據本小區的信道變化情況進行調度，各小區使用的子載波資源難免衝突，隨之導致小區間干擾。如果要避免這樣的干擾，則需要在相鄰小區間進行協調（聯合調度），但這種協調可能需要網路層的信令交換的支持，對網路結構的影響較大。
一種很好的選擇就是採用跳頻OFDMA。
在跳頻OFDMA系統中，分配給一個用戶的子載波資源快速變化，每個時隙，此用戶在所有子載波中抽取若干子載波使用，同一時隙中，各用戶選用不同的子載波組，如下圖所示。
用戶子載波與基於頻域調度的子信道化不同，這種子載波的選擇通常不依賴信道條件而定，而是隨機抽取。在下一個時隙，無論信道是否發生變化，各用戶都跳到另一組子載波傳送，但用戶使用的子載波仍不衝突。跳頻的周期可能比子信道OFDMA的調度周期短的多，最短可為OFDM符號長度。這樣，在小區內部，各用戶仍然正交，並可利用頻域分集增益。在小區之間不需進行協調，使用的子載波可能衝突，但快速跳頻機制可以將這些干擾在時域和頻域分散開來，即可將干擾白化為噪聲，大大降低干擾的危害。在負載不是很重的系統中，跳頻OFDMA可以簡單而有效地抑制小區間干擾。
可擴展性
因為信道容量在不同國家會有所不同，802.16標準支持所有從1.25MHz到20MHz的不同信道容量。然而，通過改變以信道容量為基礎的FFT大小，或者由頻寬提供的更好信號質量，可以確定子信道的間隔。
sOFDMA擴展版本包含128 FFT、512 FFT和1024 FFT，它可以信道和頻寬為基礎改變它的FFT大小，因而就變成可擴展的。換句話說，正在通過手機漫遊的用戶，根據像信道大小這樣的因素，用戶可能接收到通過128 FFT或512 FFT處理的信號。
OFDM採用了先進的多天線信號處理技術。多輸入多輸出（MIMO）和波束成形（通常指AAS）是兩種最常用的技術。
在MIMO中，系統接收來自不同發射天線的信號會有很大差異。在室內或建築密集的都市，由於發射器和接收器之間存在許多反射和多徑，因而這種情況很普遍。在這種情況下，每個天線可以相同頻率傳送另一個不同信號，而在接收器端通過信號處理還可恢復該信號。理解這種特性的一個簡單方法是考慮一個標準的、有N個方程和N個未知量的方程組，可藉助熟知的矩陣求逆技術來求解該方程組。以這種方式重複利用頻率被稱為Re-use1，同一頻率在同一時間被用於不同信號。而波束成形則是一種發射技術，它試圖在接收器內為多個發射器形成一個一致架構。這種技術可在接收器端得到很高的信噪比（SNR），另外，它還可提供更寬頻寬或以相同發射功率實現更遠距離。波束成形不是利用天線間的不同空氣接觸反射原理，而是對信號進行修改以使其統一。因此，波束成形對頻率的重複利用與MIMO所用的方式不同。將頻率分成不同的頻段用於不同蜂窩單元被稱為Re-use 3。
OFDMA幀分配
OFDMA幀分配在一些套用中，可能結合MIMO和波束成形技術，尤其是在4天線系統中。一個理想的系統應根據其特性進行切換以便在不同模式運作。不變子信道間隔的主要爭議在於，如果子信道間隔不是恆定的，一個正在移動的物體的都卜勒頻移會影響信號質量。有關可擴展性的更多信息可在IEEE 802.16 WirelessMAN中可擴展OFDMA物理層一節中獲得。
使用缺點
儘管OFDMA在其實現過程中進展良好，但是它也有一些缺陷，這些缺陷有如下幾方面：
⒈ OFDMA電子部分，包括FFT和前向糾錯(FEC）是複雜的。與結合了數據包調度的OFDM相比，它也有功率不足的弱點。
⒊ 處理來自鄰近單元的同信道干擾時，OFDM要比CDMA更複雜。
技術演進
OFDMA是OFDM技術的演進。在利用OFDM對信道進行子載波化後，在部分子載波上載入傳輸數據的傳輸技術。用戶可以選擇信道條件較好的子通道（subchannel）進行數據傳輸，一組用戶可以同時接入到某一信道。
與CDMA的不同
OFDMA技術與OFDM技術相比，用戶可以選擇條件較好的子信道進行數據傳輸，而不像OFDM技術在整個頻帶內傳送，從而保證了各個子載波都被對應信道條件較優的用戶使用，獲得了頻率上的分集增益。在OFDMA中，一組用戶可以同時接入到某一信道。OFDMA與CDMA不同處在於使用2048個子載波（subcarrier）來承載資料，其中的1680個用來傳送資料，與CDMA單一載波所承載單一資料比起來，傳送資料速度更快。OFDMA另一優點對抗多路徑的效應。
目前是用OFDMA的無線通信技術有：IEEE 802.16。
當前面臨的主要問題有：峰均功率比（PAPR）問題等。
不同涵義
OFDM Optical Frequency Division Multiplexing 光頻分復用
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex 正交頻分復用
OFDMA Optical FDMA 光頻分多址
OFDMA 正交頻分多址接入
