OFDMA

又名：正交频分多址接入

分类：光通讯

属性：技术

最后修改时间： 2015年11月23日

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正交频分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA):OFDMA是OFDM技术的演进，将OFDM和FDMA技术结合。在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。 OFDM是一种调制方式；OFDMA是一种多址接入技术，用户通过OFDMA共享频带资源，接入系统。

正交频分多址 Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA):OFDMA是OFDM技术的演进，将OFDM和FDMA技术结合。在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。

OFDM是一种调制方式；OFDMA是一种多址接入技术，用户通过OFDMA共享频带资源，接入系统。

OFDMA又分为子信道（Subchannel）OFDMA和跳频OFDMA。

中文名: OFDMA
外文名: Orthogonal Frequency Division Multiple Access
别名: 正交频分多址接入

本质: OFDM技术的演进
通信技术: IEEE 802.16
支持平台: WiMax,LTE

发展由来

通用陆地无线接入（UTRAN）演进的目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统。演进的UTRA致力于建立一个上行速率达到50 Mbps、下行速率达到100 Mbps、频谱利用率为3G R6的3～4倍的高速率系统。为达到上述目标，多址方案的选择应该考虑在复杂度合理的情况下，提供更高的数据速率和频谱利用率。在上行链路中，由于终端功率和处理能力的限制，多址方案的设计更具挑战性，除了性能和复杂度，还需要考虑峰值平均功率比（PAPR）对功率效率的影响。

在3GPP LTE的标准化过程中，诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案，如多载波（MC)-WCDMA，MC-TD-SCDMA，正交频分多址接入（OFDMA），交织频分复用（IFDMA）和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用（DFT-S OFDM）。OFDMA已成为下行链路的主流多址方案，并且是上行链路的热门候选方案，其中，北电公司的方案支持频分双工（FDD)方式，信息产业部电信传输研究所的方案支持时分双工（TDD）方式。

由于正交频分复用（OFDM) 能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰落，可以获得很高的频谱利用率，OFDM非常适用于无线宽带信道下的高速传输。通过给不同的用户分配子载波，OFDMA提供了天然的多址方式。由于用户间信道衰落的独立性，可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能，达到服务质量（QoS）要求。然而，为了降低成本，在用户设备（UE）端通常使用低成本的功率放大器，OFDM中较高的PAPR将降低UE的功率利用率，降低上行链路的覆盖能力。由于单载波频分复用（SC-FDMA）具有的较低的PAPR，它被提议成为候选的多址方案。

目前，OFDMA已被广泛研究，并已成为3GPP LTE的下行链路的主流多址方案。然而，在上行链路的研究中，尽管SC-FDMA成为主流的多址方式，但OFDM和SC-FDMA之间的比较大多从PAPR的角度进行，而没有考虑两者的链路性能，更没有充分地考虑PAPR和性能的折衷。

OFDMA技术与OFDM技术相比，用户可以选择条件较好的子载波进行数据传输，而不像OFDM技术那样，一个用户在整个频带内发送，从而保证了子载波都被对应信道条件较优的用户使用，获得了频率上的分集增益。在OFDMA中，一组用户可以同时接入到某一子载波。

目前使用OFDMA的无线通信技术有：IEEE 802.16。

技术简介编辑

正交频分多址- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access）是无线通讯系统的标准，是一种多址技术。WiMax,LTE,都支持OFDMA。

OFDMA 多址接入系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不

正交频分多址

同的用户实现多址。OFDMA系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用。由于不同用户占用互不重叠的子载波集，在理想同步情况下，系统无多户间干扰，即无多址干扰（MAI）。右图给出出了OFDMA系统的原理示意图。其中，灰色、白色以及深灰色时频栅格代表不同的子载波集，它们在频带上是互不重叠的，并分别分配给不同用户。OFDMA方案可以看作将总资源（时间、带宽）在频率上进行分割，实现多用户接入。

基本原理编辑

多径效应是目前无线系统面临的挑战之一。多径来自发射器和接收器间的反射，反射在不同时刻到达接收器。分离各反射的时间间隔被称为延迟扩展。当延迟扩展与发送的符号时间（Symbol Time）大致相等时，这种干扰有可能引发问题。典型的延迟扩展时长几微秒，与CDMA符号时间接近。OFDMA的符号时间大致在100微秒，因而多径现象的影响不太严重。为缓解多径效应，在每一符号后插入一个约10微秒、称为循环前缀的警戒边带。

为得到更高数据速率，OFDM系统必须比CDMA系统更有效地利用频宽。每单位赫兹的位数称为频谱效率。采用高阶调制是实现更高效率的方法之一。调制是指每一子载波发送的位数。例如，在正交振幅调制（QAM）中，每载频发送2位。在16 QAM和64 QAM中，每个子载波分别发送4和6位。在4G系统，因预期会采用64 QAM，所以其频谱效率很高。

OFDMA原理

OFDMA针对多用户通信进行了优化，尤其是蜂窝电话和其它移动设备。

它是针对蜂窝电话长期演进（LTE）的最合适调制方案。在这种演变的过程中， OFDMA的名称变为高速正交频分复用分组接入（HSOPA）。OFDMA的变量由WiMAX论坛选为调制方案，后来又根据IEEE针对IEEE 802.16-2004（固话）和802.12e（移动）WiMAX的标准进行了标准化。

与CDMA（码分多址接入）宽带CDMA及通用移动通信系统（UMTS）这类3G调制方案相比，它的好处在于具有更高的频谱效率和更好的抗衰落性能。对于低数据率用户，它只需要更低的发射功耗，具有恒定而不是随时间变化的更短延迟，以及避免冲突的更简洁方法。

OFDMA会把副载波的子集分配给各个用户。以关于信道状态的反馈为基础，系统能执行自适应用户到副载波的分配。只要这些副载波分配被迅速地执行，与OFDM相比，快速衰退、窄带同频干扰性能都得到了改进。反过来，这又改进了系统的频谱效率。

OFDMA将整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱，OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA提供了天然的多址方式，并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，没有小区内干扰（如图1所示）。同时，OFDMA可支持两种子载波分配模式：分布式和集中式。在子载波分布式分配的模式中，可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性而获得分集增益。

此外，因为OFDMA已成为下行链路的主流方案，上行链路如也采用OFDMA，LTE的上下行链路将具有最大的一致性，可以简化终端的设计。

一个分配了M个子载波的用户的传输信号可表示为：D =[d 0，d 1……d M-1]T，其中，T代表矩阵转置，di是调制信号。

经过快速傅立叶反变换（IFFT）调制后，信号向量S =F N* T N,M D，其中TN，M代表子载波分配的映射矩阵，其元素是表达子载波的分布式或者集中式分配。F*N是N点IFFT矩阵，*代表共轭转置，并且FN=[f 1T，f 2T……f NT]T，192x31

经过衰落信道和快速傅立叶变换（FFT）信号处理后，频域的接收信号可以作如下表达：R=HTN，M D+n，其中H=diag(Hk），Hk是第k个子载波上的频域响应；n是高斯噪声向量；R=[r(0），r ⑴ ……r (N-1）]T，r (k）是第k个子载波上的接收信号。

由于OFDM的时域信号是若干平行随机信号之和，因而容易导致高PAPR。基站端的功率限制相对较弱，并且可以采用较为昂贵的功率放大器，所以在下行链路中，高PAPR不会带来太大的问题。然而，在上行链路中，由于用户终端的功率放大器要求低成本，并且电池的容量有限，因而高PAPR会将降低UE的功率利用率，减小上行的有效覆盖。为避免OFDM的上述缺点，必须降低PAPR。

降低OFDM的PAPR的技术有很多，比如选择性映射、削波和滤波等等。文献[6]中证明了通过削波和滤波，可以将PAPR降低到6 dB以下时，同时对OFDM的性能影响很小，而且带来的复杂度增加也是可以接受的。因此，本文将主要研究不同多址方案的链路级性能的比较。

OFDMA原理

在OFDM中，采用快速傅立叶变换（FFT）将可用带宽分成数学上正交的许多小带宽。而频带的重构是由快速傅立叶反变换（IFFT）完成的。FFT和IFFT都是定义得很完善的算法，当大小为2的整数倍时，可被非常高效地实现。OFDM系统的典型FFT大小是512、1024和2048，而较小的 128和256也是可能的。可支持5、10和20 MHz带宽。该技术的一个优异特性是易于改用其它带宽。即便整个可用带宽改变了，较小的带宽单元也可维持不变。例如：10MHz可分成1,024个小频带；而5MHz可分成512个小频带。这些典型大小为10 kHz的小频带被称为子载波。

技术分类编辑

OFDMA又分为子信道（Subchannel）OFDMA和跳频OFDMA。

子信道OFDMA

子信道OFDMA将整个OFDM系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户（也可以一个用户占用多个子信道）。 OFDM子载波可以按两种方式组合成子信道：集中式和分布式，如下图所示。

集中式和分布式

集中式将若干连续子载波分配给一个子信道（用户），这种方式下系统可以通过频域调度（Scheduling）选择较优的子信道（用户）进行传输，从而获得多用户分集增益。另外，集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。
分布式系统将分配给一个子信道的子载波分散到整个带宽，各子载波交替排列，从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。

设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。

当信道估计准确性较高如终端低速移动时，可以采用集中式分配，获得多用户分集增益。
当信道估计准确性不高如终端快速移动时，可以采用分布式分配，获得单用户频率分集增益。

跳频OFDMA

子信道OFDMA对子信道（用户）的子载波分配相对固定，即某个用户在相当长的时长内使用指定的子载波组（这个时长由频域调度的周期而定）。

这种OFDMA系统足以实现小区内的多址，但实现小区间多址却有一定的问题。因为如果各小区根据本小区的信道变化情况进行调度，各小区使用的子载波资源难免冲突，随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰，则需要在相邻小区间进行协调（联合调度），但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持，对网络结构的影响较大。

一种很好的选择就是采用跳频OFDMA。

在跳频OFDMA系统中，分配给一个用户的子载波资源快速变化，每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，各用户选用不同的子载波组，如下图所示。

用户子载波

与基于频域调度的子信道化不同，这种子载波的选择通常不依赖信道条件而定，而是随机抽取。在下一个时隙，无论信道是否发生变化，各用户都跳到另一组子载波发送，但用户使用的子载波仍不冲突。跳频的周期可能比子信道OFDMA的调度周期短的多，最短可为OFDM符号长度。这样，在小区内部，各用户仍然正交，并可利用频域分集增益。在小区之间不需进行协调，使用的子载波可能冲突，但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来，即可将干扰白化为噪声，大大降低干扰的危害。在负载不是很重的系统中，跳频OFDMA可以简单而有效地抑制小区间干扰。

可扩展性编辑

因为信道容量在不同国家会有所不同，802.16标准支持所有从1.25MHz到20MHz的不同信道容量。然而，通过改变以信道容量为基础的FFT大小，或者由带宽提供的更好信号质量，可以确定子信道的间隔。

sOFDMA扩展版本包含128 FFT、512 FFT和1024 FFT，它可以信道和带宽为基础改变它的FFT大小，因而就变成可扩展的。换句话说，正在通过手机漫游的用户，根据像信道大小这样的因素，用户可能接收到通过128 FFT或512 FFT处理的信号。

OFDM采用了先进的多天线信号处理技术。多输入多输出（MIMO）和波束成形（通常指AAS）是两种最常用的技术。

在MIMO中，系统接收来自不同发射天线的信号会有很大差异。在室内或建筑密集的都市，由于发射器和接收器之间存在许多反射和多径，因而这种情况很普遍。在这种情况下，每个天线可以相同频率发送另一个不同信号，而在接收器端通过信号处理还可恢复该信号。理解这种特性的一个简单方法是考虑一个标准的、有N个方程和N个未知量的方程组，可借助熟知的矩阵求逆技术来求解该方程组。以这种方式重复利用频率被称为Re-use1，同一频率在同一时间被用于不同信号。

OFDMA帧分配

而波束成形则是一种发射技术，它试图在接收器内为多个发射器形成一个一致架构。这种技术可在接收器端得到很高的信噪比（SNR），另外，它还可提供更宽带宽或以相同发射功率实现更远距离。波束成形不是利用天线间的不同空气接触反射原理，而是对信号进行修改以使其统一。因此，波束成形对频率的重复利用与MIMO所用的方式不同。将频率分成不同的频段用于不同蜂窝单元被称为Re-use 3。

在一些应用中，可能结合MIMO和波束成形技术，尤其是在4天线系统中。一个理想的系统应根据其特性进行切换以便在不同模式运作。不变子信道间隔的主要争议在于，如果子信道间隔不是恒定的，一个正在移动的物体的多普勒频移会影响信号质量。有关可扩展性的更多信息可在IEEE 802.16 WirelessMAN中可扩展OFDMA物理层一节中获得。

使用缺点编辑

尽管OFDMA在其实现过程中进展良好，但是它也有一些缺陷，这些缺陷有如下几方面：

⒈ OFDMA电子部分，包括FFT和前向纠错(FEC）是复杂的。与结合了数据包调度的OFDM相比，它也有功率不足的弱点。

⒉ 如果被分配到每个用户的副载波很少，或者如果相同的载波被用于每个OFDM符号中，频率选择性衰落和分集增益的优势可能至少有部分损失。

⒊ 处理来自邻近单元的同信道干扰时，OFDM要比CDMA更复杂。

技术演进编辑

OFDMA是OFDM技术的演进。在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。用户可以选择信道条件较好的子通道（subchannel）进行数据传输，一组用户可以同时接入到某一信道。

与CDMA的不同编辑

OFDMA技术与OFDM技术相比，用户可以选择条件较好的子信道进行数据传输，而不像OFDM技术在整个频带内发送，从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用，获得了频率上的分集增益。在OFDMA中，一组用户可以同时接入到某一信道。OFDMA与CDMA不同处在于使用2048个子载波（subcarrier）来承载资料，其中的1680个用来传送资料，与CDMA单一载波所承载单一资料比起来，传送资料速度更快。OFDMA另一优点对抗多路径的效应。

目前是用OFDMA的无线通信技术有：IEEE 802.16。

当前面临的主要问题有：峰均功率比（PAPR）问题等。