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多频带OFDM数据速率已提高到110 Mbps

2004-07-30   来源:互联网   点击:
IEEE 802 15 3a任务组正在开发一种替代性无线个人区域网物理层协议,它可以在10米距离内实现110 Mbps的传输速率。该物理层的可选方案之一是多频带正交频分复用(OFDM)超宽带协议。这个多频带OFDM系统把UWB频谱(

IEEE 802.15.3a任务组正在开发一种替代性无线个人区域网物理层协议,它可以在10米距离内实现110 Mbps的传输速率。该物理层的可选方案之一是多频带正交频分复用(OFDM)超宽带协议。这个多频带OFDM系统把UWB频谱(3.1到10.6GHz)分解成多个528MHz的子频带,并使用OFDM调制方式在各个子频带中传递信息。然后OFDM符号在跨越时间和频率的三个相邻子频带上被交叉存取,这样就为支持微微网(piconet)之间的多重访问提供了一种鲁棒链接及最大的覆盖范围。目前,多频带OFDM协议定义数据速率范围从55 Mbps到480 Mbps。

为满足人们对更高数据速率的日益增长的需求,这种技术必须能够将数据速率扩展到1Gbps以上。尽管实现这种扩展所需的增强措施可以改进频谱效率和多频带OFDM系统的整体鲁棒性,但是必须首先解决在实现方面存在的问题。

目前,通过使用一个QPSK星座和一个3/4卷积编码(convolutional-code)率,多频带OFDM系统能够支持的最大数据速率为480 Mbps。通过简单地把星座规模提高到16正交幅度调制(Q-AM),系统所支持的数据速率可以成倍提高,即达到960 Mbps。要达到同样的性能,一个16QAM星座所需要的链接裕度比QPSK符号映射增加约3.9 dB。使用16QAM星座方式不会导致系统复杂性大幅度提高。ALT="图:2×2多频带OFDM系统的性能曲线图。">

在2.9和1.8米的视线范围内,多频带OFDM系统可获得的数据速率分别为480 Mbps和960 Mbps。对于非直线视线,这个范围下降到2.6和1.6米。在相同数据速率下,加性高斯白噪声的范围分别为8.9和5.6米。在这个被称为90%损耗范围的距离内,多频带OFDM系统可实现90%的多路径载波而数据包误差率低于8%。计算这个范围所假定的条件是:采用0-dBi天线、在自由空间传播、带有6.6dB噪声(在天线端)的CMOS实现以及一个2.5dB的实现损耗。

在“一个用于UWB通讯的多频带OFDM系统”(J. Balakrishnan、A. Batra和A. Dabak, IEEE超宽带系统和技术会议论文集,2003年11月)中定义的载波模型被用于确定多载波环境中的范围。仿真内容包括传输剪裁、遮蔽、前端滤波、模数量化、数据包获取、载波估计、载波/时间跟踪以及在发射器和接收器之间正负20ppm晶体失配所产生的影响。

在20世纪90年代晚期,为提高在单调衰减载波环境中的数据速率和鲁棒性,人们提出了在发射器和接收器中使用多重天线的方案。在2×2多入多出(MIMO)扩展的多频带OFDM系统的发送器中,编制的比被交叉存取并分解成两个并行的比特流。在快速傅立叶反变换(IFFT)的输入端各个比特流映射到频率音调(frequency tone)。IFFT输出流被同时传送到两个天线。在接收器端,在获得IFFT输出之前,每个天线接收到的信号被分别进行处理。

在一个强多径环境中,OFDM系统把一个频率选择载波转换成一组并行单调衰减载波。因而,对应于一个给定的子载波k,来自两个流的信号向量y可以数学形式表示。

在下面的公式中,si代表发送符号;hij表示从发射天线i到发射天线j对应于子载波k的通道系数;n是噪声向量。为达到最优性能,每个子载波的符号向量s都要进行联合解调。如果通道矩阵H是满秩的,则这两个数据流是可解调的。与UWB类似的强多径环境通常满足这个条件。为提高性能,可以在通道编码器和IFFT之间引入一个可选的“空间-时间”模块代码。

一个2×2多频带OFDM系统的性能图表明,在速率为960Mbps时覆盖范围可达到7米。另外,一个2×2多频带OFDM系统可以在某一指定覆盖范围内把数据速率提高一倍,不过,这一性能的提高是以增加复杂性为代价的。

例如,2×2系统将需要额外的发射器和接收器链。而且,2×2系统的数字复杂性比1×1系统高一倍。不过,在不久的将来,技术的进步将使得2×2 MIMO系统成为一种可实现的方法。

通道邦定为前面提到的两种技术提供了另一种替代方案,它还提供了另一种在高数据速率扩展和复杂性之间进行交替换位的方式。如果在单独子频带上进行信息处理,多频带OFDM系统可以支持的数据速率受到限制(最高只有6?0 Mbps)。

如果同时使用所有三个频带,则数据速率可以提高两倍。在使用QPSK调制和3/4卷积代码率时,这种方式的数据速率可高达1.44 Gbps。

对于通道邦定系统,如果OFDM符号在各个子载波中的工作周期提高两倍,则每个符号的发射功率将下降4.8dB。因此,在多路径通道环境中的90%损耗范围预计为1.5米。

如果要处理更大的带宽,则需要对接收器的模拟基带进行修正,模数转换器需要运作在更高的速度下,而数字基带的复杂性将提高两倍。然而由于不再需要在子频带之间进行切换,频率合成电路将得以简化。

Jaiganesh Balakrishnan(jai@ti.com)和Anuj Batra (batra@ti.com)是TI公司DSPS研究和开发中心技术专家组成员,Anand Dabak (dabak@ti.com)是TI公司DSPS研究和开发中心技术专家组突出贡献成员兼移动无线分部经理。

作者:Jaiganesh Balakrishnan

Email: jai@ti.com

Anuj Batra

Email: batra@ti.com

DSPS研究和开发中心技术专家组成员

Anand Dabak

Email: dabak@ti.com

DSPS研究和开发中心技术专家组成员兼移动无线分部经理

TI公司


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