OFDM-FDM与OFDM-TDMA性能比较

1 引言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing，OFDM)是一种高效的数据传输方式，他通过串／并变换将高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，一方面使各个子载波的符号速率大幅下降，相应的符号持续时间变大，减少符号间干扰的影响，有较强的抗时延扩展能力；另一方面信号的并行传输分散了瑞利衰落引起的突发性错误，提高了系统的抗突发错误的能力。由于OFDM各子载波相互正交，因此允许子载波频谱混迭，充分利用有限的频谱资源，使得其频带利用率高于传统的FDM调制方式。

正是由于OFDM的这些优点，使得他在HDSL，AD-SL，DAB(数字语音广播)，HDTV(高清晰度数字电视)以及移动通信方面得到了广泛的应用。在IEEE提出的宽带无线接入协议802.16a中，也建议采用OFDM调制方式。本文研究了IEEE 802.16a协议中支持的两种多址方式：OFDM-TDMA，OFDM-FDMA，并对他们的性能进行了比较。

2 OFDM-FDMA和OFDM-TDMA技术简介

由于一个多用户系统的性能在很大程度上取决于其所采用的多址技术，所以在OFDM系统中，如何选择一种高效的多址技术就显得异常重要。通常的多址方法有3种：时分多址(TDMA)，频分多址(FDMA)及码分多址(CDMA)。在OFDM通信系统中，这3种多址方式都可以和OFDM调制相结合，分别称之为OFDM-TDMA，OFDM-FDMA和OFDM-CDMA。在IEEE 802.16a协议中，物理层是以OFDM调制为基础的，支持两种多址方式，即FDMA和TDMA。

OFDM-FDMA方案将传输带宽划分成正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用带宽资源可灵活地在不同移动终端之间共享，从而避免了不同用户间的多址干扰。OFDM-FDMA将所有载波的确定子集分配给每个用户，这种分配表现为一种纯粹的数字化的子载波管理，子载波分配不是固定的，而是采用自适应方式。对于有效的多址接入方案，当其进行时间和带宽资源分配时，应满足高度适应性。具体体现在，一方面，应考虑频率选择性无线信道的特性；另一方面，也要满足用户对不同的或可变的数据传输速率的需求。OFDM-FD-MA系统中，这种适应性可由恰当选择与每个用户相关的子载波来满足。每个用户经历不同的无线信道的情况，可以通过只将具有高信噪比的“好”子载波分配给每个用户来实现。而且特定用户的子信道数目可以依据要求的传输速率进行变化。

在OFDM-TDMA中，在一段时间内将全部带宽资源(所有子载波)分配给一个特定的用户，即在单个的TD-MA帧内，所有子载波在几个时隙内为某个用户独占。这种OFDM-TDMA的时间、带宽资源分配方式，可看作将全部资源(时间、带宽)在时间轴上进行分割。

在OFDM-TDMA系统中，假定全部带宽分配给每个用户，假如在单个TDMA帧内的一些OFDM符号间隔内，所有子载波被分配给一个用户。每个TDMA帧的OFDM符号数目可以根据每个用户的需求进行变化。在OFDM-TDMA系统中，双向业务可以由TDD方式实现，这种方式在上行和下行链路中都使用了子帧结构。OFDM-TDMA方案具有如下特点：

(1) OFDM-TDMA方案在特定的OFDM符号内将全部带宽分配给一个用户，这种分配方式不可避免地存在带宽资源浪费、频带利用率低、灵活性差的缺点。

(2) OFDM-TDMA的信令开销在很大程度上取决于是否采用滤除具有较低信噪比子载波的技术和自适应调制／编码技术。采用上述技术虽然可以改善性能但是也会增加信令开销。

图1和图2分别是OFDM-FDMA和OFDM-TD-MA的时频示意图。图中用小方格的灰度不同来区分不同用户。每个小方格表示一个OFDM符号中的一个子载波。在OFDM-FDMA系统中，不同用户的子载波是以交织的方式分配的。在OFDM-TDMA系统中，每个用户有一定数目的时隙，在该时隙内，所有的子载波都可以为该用户所使用。假定每个时隙的长度等于OFDM的符号长度。

3 OFDM-TDMA和OFDM-FDMA的性能比较及仿真

这里采用Matlab软件对OFDM系统进行仿真，为了便于比较，设定OFDM-TDMA和OFDM-FDMA系统的参数一致。按照IEEE 802.16a协议，设定FFT变换的点数为2 048，可用子载波数目为1 702，假定系统有3个用户。采用蒙特卡罗仿真法，选用16QAM凋制方式，仿真的符号数为100，所加噪声为白高斯噪声。图3是在相同的比特速率情况下，OFDM-TDMA和OFDM-FDMA系统的误比特率性能比较。在TDMA系统中，为简单起见，假定一帧有3个时隙，每个时隙的长度等于一个OFDM符号的长度，每个用户只在一帧中的一个时隙中传输数据。从图中可以看出，OFDM-FDMA系统的性能要优于OFDM-TDMA系统，这是因为TDMA中在一个时隙内只有一个用户发送数据，由于各个子载波的衰落特性不同，所以有一些衰落严重的子载波就不能被使用，这样那些未被使用的子载波就浪费掉了而不能被其他用户使用，这就造成了频率资源的浪费，因此在相同的用户数据速率条件下他的性能就没有FDMA的好。图中为了便于比较，设定TDMA和FDMA的用户数据速率相同，从而TDMA的误比特率要高于FDMA系统。这一结果和文献[5]的结论也是一致的。

4 结 语

本文研究了OFDM-FDMA和OFDM-TDMA这两种多址技术，并基于IEEE 802.16a协议比较了他们的性能，仿真结果表明OFDM-FDMA系统的误比特率性能要优于OFDM-TDMA系统。