几种常见无线方式的对比
2G
2G(second generation)表示第二代移动通讯技术。代表为GSM。以数字语音传输技术为核心。
不过手机短信SMS ﹙Short message service﹚在2G的某些规格中能够被执行。
2G在美国通常被称为PCS﹙Personal Communications Service﹚。
2G技术基本可被切为两种,一种是基于TDMA所发展出来的以为代表,另一种则是CDMA规格,复用﹙Multiplexing﹚形式的一种。
主要的第二代手机通讯技术规格标准有:
GSM:基于TDMA所发展、源于欧洲、目前已全球化。
IDEN:基于TDMA所发展、美国独有的系统。被美国电信系统商Nextell使用。
IS-136﹙也叫做D-AMPS﹚:基于TDMA所发展,是美国最简单的TDMA系统,用于美洲。
IS-95﹙也叫做cdmaOne﹚:基于CDMA所发展、是美国最简单的CDMA系统、用于美洲和亚洲一些国家。
PDC﹙Personal Digital Cellular﹚:基于TDMA所发展,仅在日本普及。
2G和3G的区别
3G是英文3rdGeneration的缩写,指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G),第三代手机一般地讲,是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务,无线网络必须能够支持不同的数据传输速度,也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆比特/每秒)、384kbps(千比特/每秒)以及144kbps(千比特/每秒)的传输速度。
COFDM
COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing),即编码正交频分复用的简称,是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。
编码(C)是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式,以适应不同重要性数据的保护要求;正交频分(OFD)指使用大量的载波(副载波),它们有相等的频率间隔,都是一个基本震荡频率的整数倍;复用(M)指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上,形成一个频道。
上个世纪中期,人们提出了频带混叠的多载波通信方案,选择相互之间正交的载波频率作子载波,也就是我们所说的COFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想,COFDM既能充分利用信道带宽,也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。COFDM是一种特殊的多载波通信方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流,每个码流都用一个子载波发送。COFDM不用带通滤波器来分隔子载波,而是通过快速傅立叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。
COFDM技术属于多载波调制(Multi-Carrier Modulation,MCM)技术。有些文献上将OFDM和MCM混用,实际上不够严密。MCM与COFDM常用于无线信道,它们的区别在于:COFDM技术特指将信道划分成正交的子信道,频道利用率高;而MCM,可以是更多种信道划分方法。
COFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。COFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。COFDM技术使用了自适应调制,根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。COFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候,发射功率不变,可以增强调制方式(如64QAM),或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。
COFDM技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
无线网桥
无线网桥是为使用无线(微波)进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。 从作用上来理解无线网桥,它可以用于连接两个或多个独立的网络段,
这些独立的网络段通常位于不同的建筑内,相距几百米到几十公里。所以说它可以广泛应用在不同建筑物间的互联。同时,根据协议不同,无线网桥又可以分为2.4GHz频段的802.11b或802.11G以及采用5.8GHz频段的802.11a无线网桥。无线网桥有三种工作方式,点对点,点对多点,中继连接。特别适用于城市中的远距离通讯.它有2种接入方式,IP接口接入,IP+E1双接口接入。
在无高大障碍(山峰或建筑)的条件下,一对速组网和野外作业的临时组网。其作用距离取决于环境和天线,现7km的点对点微波互连。一对27dbi的定向天线可以实现10km的点对点微波互连。12dbi的定向天线可以实现2km的点对点微波互连;一对只实现到链路层功能的无线网桥是透明网桥,而具有路由等网络层功能、在网络24dbi的定向天线可以实层实现异种网络互联的设备叫无线路由器,也可作为第三层网桥使用。
无线网桥通常是用于室外,主要用于连接两个网络,使用无线网桥不可能只使用一个,必需两个以上,而AP可以单独使用。无线网桥功率大,传输距离远(最大可达约50km),抗干扰能力强等,不自带天线,一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。
现在市面上已经出现了802.11n的无线网桥,传输速率可达到300Mbps以上。不过由于各种因素的影响,实际速率远远低于商家标榜的数值。但相对于11g的速率的确提高了很多,这也使得我们要求高带宽,高传输速率成为可能。随着技术的不断发展,相信有更多的新产品会随着新技术的出现而衍生出来。
5.8G无线网桥/数字语音无线数字微波监控设备
5.8G室外数字无线网桥/无线微波设备(10-15公里无线传输)
CDMA与OFDM之技术比较
OFDM控制信道插入方式
频谱利用率、支持高速率多媒体服务、系统容量、抗多径信道干扰等因素是目前大多数固定宽带无线接入设备商在选择CDMA(码分多址)或OFDM(正交频分复用)作为点到多点(PMP)的关键技术时的主要出发点。而这两种技术在这些方面都各有所长,因此设备商需要根据实际情况权衡利弊,进行综合分析,从而做出最佳选择。
OFDM系统硬件结构
CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术。OFDM技术属于多载波调制技术,它的基本思想是将信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各个子载波并行传输。OFDM和CDMA技术各有利弊。CDMA具有众所周知的优点,而采用多种新技术的OFDM也表现出了良好的网络结构可扩展性、更高的频谱利用率、更灵活的调制方式和抗多径干扰能力。下面主要从调制技术、峰均功率比、抗窄带干扰能力等角度分析这两种技术在性能上的具体差异。
OFDM频谱效率比较
——调制技术。一般来说,无线系统中频谱效率可以通过采用16QAM(正交幅度调制)、64QAM乃至更高阶的调制方式得到提高,而且一个好的通信系统应该在频谱效率和误码率之间获得最佳平衡。
在CDMA系统中,下行链路可支持多种调制,但每条链路的符号调制方式必须相同,而上行链路却不支持多种调制,这就使得CDMA系统丧失了一定的灵活性。并且,在这种非正交的链路中,采用高阶调制方式的用户必将会对采用低阶调制的用户产生很大的噪声干扰。
在OFDM系统中,每条链路都可以独立调制,因而该系统不论在上行还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性,例如,在信道好的条件下终端可以采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率,而在信道条件变差时可以选择QPSK(四相移相键控)调制等低阶调制来确保信噪比。这样,系统就可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。此外,虽然信道间干扰限制了某条特定链路的调制方式,但这一点可以通过网络频率规划和无线资源管理等手段来解决。
OFDM频率偏差错误
——峰均功率比(PAPR)。这也是设备商们应该考虑的一个重要因素。因为PAPR过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高,这就意味着要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸,进而增加基站和用户设备的成本。
CDMA系统的PAPR一般在5~11dB,并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。目前已有很多技术可以降低CDMA的PAPR。
在OFDM系统中,由于信号包络的不恒定性,使得该系统对非线性很敏感。如果没有改善非线性敏感性的措施,OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统和手机等。目前有很多技术可以降低OFDM的PAPR。
——抗窄带干扰能力。CDMA的最大优势就表现在其抗窄带干扰能力方面。因为干扰只影响整个扩频信号的一小部分;而OFDM中窄带干扰也只影响其频段的一小部分,而且系统可以不使用受到干扰的部分频段,或者采用前向纠错和使用较低阶调制等手段来解决。
较高的峰值平均功率比
——抗多径干扰能力。在无线信道中,多径传播效应造成接收信号相互重叠,产生信号波形间的相互干扰,使接收端判断错误。这会严重地影响信号传输的质量。
为了抵消这种信号自干扰,CDMA接收机采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源,RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等,试验证明,如果路径数超过7或8条,这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低,RAKE的接收性能下降就会很快。
OFDM技术与RAKE接收的思路不同,它是将待发送的信息码元通过串并变换,降低速率,从而增大码元周期,以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀(CP)作为保护间隔,大大减少甚至消除了码间干扰,并且保证了各信道间的正交性,从而大大减少了信道间干扰。当然,这样做也付出了带宽的代价,并带来了能量损失:CP越长,能量损失就越大。
——功率控制技术。在CDMA系统中,功率控制技术是解决远近效应的重要方法,而且功率控制的有效性决定了网络的容量。相对来说功率控制不是OFDM系统的基本需求。OFDM系统引入功率控制的目的是最小化信道间干扰。
OFDM的小区间干扰
——网络规划。由于CDMA本身的技术特性,CDMA系统的频率规划问题不很突出,但却面临着码的设计规划问题。OFDM系统网络规划的最基本目的是减少信道间的干扰。由于这种规划是基于频率分配的,设计者只要预留些频段就可以解决小区分裂的问题。
——均衡技术。均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的ISI。在CDMA系统中,信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。由于扩频码自身良好的自相关性,使得在无线信道传输中的时延扩展可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过一个码片的长度,就可被RAKE接收端视为非相关的噪声,而不再需要均衡。
对OFDM系统,在一般的衰落环境下,均衡不是改善系统性能的有效方法,因为均衡的实质是补偿多径信道特性。而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性,因此该系统一般不必再作均衡
OFDM产生的过程
?? 时分多路频分多路OFDM
时分多路-- 频分多路-- OFDM下面分析FDM系统相邻载波相互干扰大小的影响因素。
两种子载波排列方式
.. 一个时域中单独的宽度为Δt的矩形脉冲对应连续频谱:
.. 频谱不是离散谱线,而是一个连续的sin(x)/x抽样函数曲线。
Δt的变化使得对应频域的Δf也变化:
?? 如果Δt趋向于0,对应的Δf趋向于无穷大;
?? 这对应迪拉克脉冲,其频谱为一条直线,包含所有频率分量。
如果Δt趋向于无穷大,对应的Δf趋向于0;这对应时域中一条直
线,其频谱为零频处的一条谱线,表示DC分量。
二者之间存在以下的关系: Δf=1/ Δt
一个间隔为Tp,宽度为Δt的矩形脉冲序列也对应着频域的sin(x)/x形函数,但此时只有离散谱线,谱线间隔为fp=1/Tp,谱线幅度随sin(x)/x抽样函数包络变化。
周期矩形脉冲信号的频谱
跳频OFDMA
不同τ值时周期矩形信号的频谱 (a) τ=T/5; (b) τ=T/10
不同T值时周期矩形信号的频谱 (a) T=5τ; (b) T=10 τ
矩形脉冲与正交性之间有什么关系?
?? 载波信号都是正弦函数信号。
?? 一个频率为fs=1/Ts的正弦波信号对应频谱为频域中位于频率fs和-fs的两条离散谱线。
这些正弦信号载波是通过幅度和频率变化来携带信息的(幅移键控和频移键控)。
OFDM:
这些正弦载波不是连续从负无穷延伸到正无穷,而是在
特定的Δt之后幅度和相位发生变化。
?? 因此已调载波信号由时域中一个被矩形窗截断的正弦信
号段组成,称为burst packets 。
?? 加矩形窗的Burst Packets:
OFDM存在很多技术优点见如下,在3G、4G中被运用,作为通信方面其有很多优势:
DFT-S-OFDM
(1) 在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号,而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势,正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎,例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用,在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。
(2) OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化,由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以OFDM能动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信;
(3) 该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信;
(4) OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。
(5) OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中,单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败,但是在多载波系统中,仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。
(6) 可以有效地对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时,只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响,其他的子载波未受损害,因此系统总的误码率性能要好得多。
(7) 通过各个子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集,如果衰落不是特别严重,就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码,则可以使系统性能得到提高。
(8) OFDM技术抗窄带干扰性很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。
(9) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法;
(10) 信道利用率很高,这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要;当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。 (baud 即 波特;1 Baud = log2M (bit/s) ,其中M是信号的编码级数。)
5.2、存在不足
虽然OFDM有上述优点,但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势:
(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个非常致命的缺点,整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格,任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性,引起ICI,同样,相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散,从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题,相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR,而不会引起互相之间的干扰。
(2)峰均比过大
OFDM信号由多个子载波信号组成,这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比,OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和,这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。对某些数据,这些小信号可能同相,而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大,将会增加A/D和D/A的复杂性,而且会降低射频功率放大器的效率。同时,在发射端,放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值,这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。
(3)所需线性范围宽
由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大,对非线性放大更为敏感,故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。
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