【现代无线通信技术】1.1OFDM/OFDMA技术

正交频分复用(OFDM)是一种通过大量正交子载波同时传输多个数字信号的技术。基于快速傅里叶变换算法产生和检测信号，数据传输可以在大量的载波上执行，这些载波在精确的频率上隔开。频率(或音调)彼此正交。因此，可以减少子载波之间的间距，从而获得高的频谱效率。OFDM传输还能抵抗干扰和多径失真引起的码间干扰(ISI)。

OFDM传输器的示意图如下。

s[n]是需进行传输的二进制数据流，经过串行到并行转换后，数据被分成N个流，每个流然后被编码到x1，…. xn，根据子信道条件可能有不同的调制方法(如PSK和QAM)。在每一组符号上计算逆FFT，给出一组复杂的时域样本。然后这些样本以标准方式进行正交混合以通带:首先使用数模转换器(DAC)将实分量和虚分量转换到模拟域;然后使用模拟信号分别在载波频率fc上调制余弦波和正弦波，这些信号求和得到发射信号s(t)。

OFDM接收机的示意图如下。

接收机接收到信号r(t)，这是s(t)通过无线电信道传输，被噪声污染。然后r(t)利用载波频率的余弦波和正弦波向下正交混合到基带。然后使用模数转换器(ADC)对基带信号进行采样和数字化，然后使用前向FFT将其转换回频域。这将返回N个并行流，每个流都使用适当的符号检测器转换为二进制流。然后，这些流被重新组合成一个串行流，这是在发送端对原始二进制流的估计。

对于数学描述，低通等效OFDM信号表示为

其中Xk为数据流的已调制数据符号，T为OFDM符号时间。

众所周知，正弦信号是线性和定常系统的特征函数。因此，假设信道是线性的、定常的，那么一个持续时间无限的正弦就是一个特征函数。然而，在实践中，这是无法实现的，因为真实信号总是有时限的。因此，为了模仿无限的行为，在符号的末尾加上前缀，使得通道的线性卷积看起来像一个循环卷积，从而在循环前缀之后的符号部分保留了这个属性。

正交频分多址(OFDMA)是一种基于OFDM实现的多址方案。在OFDMA中，不同的用户被分配了不同的子载波，因此多个用户可以同时传输他们的数据。在OFDMA中，可以通过为具有不同QoS（Quality of Service，服务质量）要求的用户分配不同数量的子载波来实现QoS。在OFDMA中，不同的用户可以占用不同的时频槽，从而充分利用分集。OFDM可以与CDMA方案结合(即多载波码分多址(MC-CDMA)或OFDM-CDMA)。在这种情况下，不同的代码被分配给不同的用户进行并发传输。

OFDMA的动态频谱管理可以根据网络控制架构分为两类:

1、集中控制

频谱管理中心(SMC)监视和控制系统中所有用户的发射频谱。用户和SMC之间必须有相当多的协调和沟通。这大大增加了控制信令开销，但与分布式控制相比，带来了更好的性能。集中控制可以进一步分类如下[1,2]:

LEVEL 1 将用户的数据速率和传输功率上报给中央控制器，并产生相应的控制信号来控制速率和传输功率。

LEVEL 2 通过中央控制器监控噪声谱和接收信号谱，控制发射功率。

LEVEL 3 在监测信号和噪声频谱的同时，完成传输功率的实时控制协调。

2、分布式控制

用户有能力感知信道状况，并相应地调整他们的传输频谱。从信号和协调的角度来看，这可能是有效的，但它有收敛到一个次优点的缺点。它也被称为0级[2]，[1]，其中不涉及动态频谱管理(DSM)，控制是完全分布式的。

SMC对用户的控制程度决定了整个系统的计算复杂度。集中式控制是有效的，但在用户和基站之间的控制消息传递中消耗了大量带宽。另一方面，分布式算法增加了用户接收端的复杂度。OFDMA的资源分配大致可分为三个范畴:

子载波分配：具有用户所看到的最佳信道增益的子载波被分配给特定用户。

率分配：根据用户应用程序需求分配数据速率。

功率控制：在不干扰其他用户的情况下，为用户分配最优的传输功率。

——《Full-duplex Communications and Networks》

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