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無線正交分頻多工技術. 第一章 正交分頻多工技術. 1.1 歷史背景與發展現況. OFDM 使用並行資料傳輸和分頻多工的概念在 1960 年代即被提出來 [1,10] 。 在 1960 年代 OFDM 技術被使用在高頻率的軍用系統上 [12-14] 。 在 1971 年， Weinstein 和 Ebert 提出在並行資料傳輸系統中利用 DFT 當做調變和解調變程序，進而降低正交分頻多工技術之硬體複雜度與成本效應。 而在 1980 年代 OFDM 的研究則是趨於在高速度調變解調變技術、數位行動通訊、以及高密度的儲存裝置上。
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無線正交分頻多工技術 第一章 正交分頻多工技術
1.1 歷史背景與發展現況 • OFDM使用並行資料傳輸和分頻多工的概念在1960年代即被提出來[1,10]。 • 在1960年代OFDM技術被使用在高頻率的軍用系統上[12-14]。 • 在1971年，Weinstein和Ebert提出在並行資料傳輸系統中利用DFT當做調變和解調變程序，進而降低正交分頻多工技術之硬體複雜度與成本效應。 • 而在1980年代OFDM的研究則是趨於在高速度調變解調變技術、數位行動通訊、以及高密度的儲存裝置上。 • 在1980年Hirosaki為了抑制因為通道脈衝反應或時間、頻率上的錯誤所造成的符號間干擾(ISI)與載波間干擾(ICI)，提出一套等化演算法[4,15]。
1.1 歷史背景與發展現況 • 同樣在1980年，Hirosaki 也提到了基於DFT的 O-QAM OFDM實現方法[4,16]。 • 以上各項研究成果陸續解決正交分頻多工技術的一些潛在的缺點，使得正交分頻多工技術得以逐步被導入一般的通訊與廣播系統。
1.1 歷史背景與發展現況 • 因此，到了1990年代OFDM漸漸被利用在寬頻數據通訊方面，其例子不勝枚舉，像是在固定線路的網路上就有三種，分別為為高速式數位電信用戶線(HDSL)、超高速式數位用戶迴路(VDSL)以及目前被廣泛使用的非對稱式數位用戶迴路(ADSL)[7]。 • 目前常見的應用還有數位音訊號廣播(DAB)[9,17,18]、數位視訊號廣播(DVB)、高畫質電視（HDTV）陸地廣播[19,20]、IEEE 802.16 寬頻無線存取系統和行動射頻FM通道[26] 。
1.1 歷史背景與發展現況 • 在無線區域網路(Wireless LAN)上目前也有三種標準採納OFDM技術，有歐規的HIPERLAN 2以及美規的IEEE 802.11a和IEEE 802.11g [9,21-25]，以上標準將在第八章正交分頻多工系統應用中詳細介紹。 • 目前正交分頻多工技術已經被採納為歐洲新的數位視頻訊號廣播標準和高畫質電視標準。另外，在無線個人接取網路(Wireless Personal Access Network, WPAN)的應用中，多頻帶正交分頻多工技術超寬頻(Multi-Band OFDM UWB, MB-OFDM UWB)系統也被提議應用在IEEE 802.15.3a標準中。在行動通訊網路的應用上，正交分頻多工技術結合多載波分碼進接多重接取技術(MC-CDMA)也被視為第四代行動通訊(4G)系統規範的準候選系統[27]。
1.1 歷史背景與發展現況 • 正交分頻多工技術(OFDM)被廣泛的應用在現今無線通訊領域，因為它擁有較高的資料傳輸速度與能有效克服頻率選擇性衰減通道的特性。 • 正交分頻多工技術的基本原理就是將原本較高傳輸速度的資料流分成數個較低傳輸速度的資料流並且用數個次載波傳送，也就是將原本可用的頻寬分成好幾個次載波傳送較低傳輸速度的資料流，因此正交分頻多工技術使用多載波的技術，可看成多載波傳輸的一個特例[1-9]。 • 正交分頻多工技術可視為一種調變技術亦可視為一種多工技術[1,5,10]。
1.2 多載波傳輸與載波的正交性 • 一般而言，在固定頻寬的限制下，通訊系統可以下列兩種方式進行傳輸: • 單載波傳輸：傳輸過程採用單個載波，就是指每個使用者在任何時間上只利用一個載波來進行傳送與接收訊號，如圖1-1所示。 使用者要傳送的資料。 :使用的單一載波頻率。 s(t):時間t時，通訊系統傳送的訊號。
1.2 多載波傳輸與載波的正交性 • 多載波傳輸：如圖1-2所示，多重載波傳輸方式就是指使用者可以同時利用多個子載波(subcarrier)來進行傳送與接收訊號。正交分頻多工傳輸的基本觀念在於把單一筆高速資料藉由數個子載波以較低的傳輸速率傳輸訊號，因此正交分頻多工可說是多載波傳輸系統中的一個特例。
1.2 多載波傳輸與載波的正交性 • 然而，為了避免子載波之間的訊號相互干擾，多載波傳輸系統對於子載波之間的正交性要求極高，有關訊號之間的正交性可從頻域與時域分別來說明[28]：
1.2 多載波傳輸與載波的正交性 • 因此，為著確保載送在不同的子載波之間的訊號是正交的，子載波之間的頻率間隔有一定的要求，我們可以由下述的帶通訊號來進行說明：
1.2 多載波傳輸與載波的正交性 • 上式中的 相當於 的等效低通訊號部份，一般稱之為基頻訊號。
1.2 多載波傳輸與載波的正交性 • 假定我們目前要分析兩子載波頻率{f1,f2}之間的間隔 ，我們先計算其交互相關性(cross-correlation) ， (1-3)
1.2 多載波傳輸與載波的正交性 為兩子載波頻率{f1,f2}之間的間隔 n為一個非零整數 這兩個子載波在符元週期內為正交
1.3 正交分頻多工技術 • 由於正交分頻多工技術擁有較高的資料傳輸速度與能有效克服頻率選擇性衰減通道(frequency selective fading channel)的特性，其目前已經被廣泛使用於現今各式無線通訊系統。正交分頻多工技術的基本原理在於將原本較高傳輸速度的資料流分成數個較低傳輸速度的資料流，並且使用數個彼此正交子載波傳送，換句話說，正交分頻多工技術將原本可用的頻寬分成幾個次頻段，並且同時使用數個子載波傳送較低傳輸速度的資料流，因此，正交分頻多工技術可看成多載波傳輸的一個特例[1-9]。
1.3 正交分頻多工技術 • 正交分頻多工技術可視為一種調變技術和一種多工技術[1, 5, 10]。從正交分頻多工技術輸入與輸出訊號之觀點來看，輸出訊號是輸入訊號經過正交分頻多工技術將訊號調變至所需的頻帶，故可以看成是一種調變技術，此觀念如圖1-4所示。
1.3 正交分頻多工技術 • 另外，若是從正交分頻多工技術傳送訊號的角度來看，此傳送訊號實為各個次載波訊號的線性加成，此乃屬於一種多工技術。 • 傳統上，多載波調變訊號的產生需要使用數個本地震盪器(弦波產生器)與各個輸入訊號進行混頻。 • 但在正交分頻多工系統中，採用了離散傅立葉轉換替代上述的作法，此舉可以大幅降低實現正交分頻多工傳輸接收的硬體複雜度，同時，接收端要達成頻率同步也較為容易。
1.3 正交分頻多工技術 • 如圖1-5所示，當正交分頻多工系統之子載波頻率間隔為符元週期倒數 • 則正交分頻多工系統的調變訊號可以利用離散傅立葉轉換來實現。
圖1-5正交分頻多工技術使用傅立葉轉換與多載波傳輸系統之等效示意圖圖1-5正交分頻多工技術使用傅立葉轉換與多載波傳輸系統之等效示意圖
1.3 正交分頻多工技術 • 由於現今超大型積體電路技術已經相當成熟，執行快速傅立葉轉換與其逆轉換之電路已被視為一基本運算元件，因此，這種實現調變訊號技術上的進步可以有效的降低實現正交分頻多工技術接收機的複雜度[1, 5, 11]。 • 藉著在每一個正交分頻多工符元間加入一段空保護區間(guard interval with zero padding)，正交分頻多工傳輸幾乎可以完全避免符元間干擾。 • 如圖1-6所示，當訊號經過通道時，由於通道具有延遲擴散效應(delay spread)，此時，前個正交分頻多工符元的訊號將被延遲，然而預先置於正交分頻多工符元間的保護區間可以避免前個正交分頻多工符元後端的訊號疊加在下一個正交分頻多工符元的前端，因此可以有效避免符元間的干擾。
1.3 正交分頻多工技術 • 然而，值得注意的是，此一空保護區間會導致子載波之間正交性的喪失，造成載波間干擾，此一現象如圖1-7所示。 • 二個子載波因通道的延遲擴散效應導致在資料符元區間內此二個子載波未能滿足式(1-1)的正交條件，造成載波間彼此相互干擾，其中陰影部份為第二子載波在第一子載波上造成的ICI。
1.3 正交分頻多工技術 • 為了解決此現象，一般正交分頻多工系統利用將每一個正交分頻多工符元尾端1/4的部分取出(此部分的訊號稱之循環字首)，並將訊號循環字首置於保護區間
1.3 正交分頻多工技術 • 藉由循環字首可以使得資料符元區間內各個子載波之間的正交性可以維持，進而避免載波間干擾。 • 在資料符元區間內，各子載波間均可以滿足式(1-1)之正交條件[1, 4, 10] 。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 正交分頻多工技術已經廣泛地被運用在高頻軍用系統、固定電信網路、數位音訊廣播、高畫質電視陸地廣播、無線區域網路、以及IEEE802.16寬頻無線接取系統等方面。 • 正交分頻多工傳輸早期的應用是在高頻軍用系統上，常見的有KINEPLEX [12]、ANDEFT [13]、KATHRYN [14]等。 • 在固定的電信網路上的應用可分為以下三種： • 高速式數位用戶迴路 • 非對稱式數位用戶迴路 • 超高速式數位用戶迴路
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 就現階段而言，由於正交分頻多工具備諸多的技術優點，目前已逐步被採用於無線通訊系統。 • 數位音訊廣播是一個數位流動多媒體廣播全球共通的標準。 • 數位音訊廣播技術的發展是在西元1980年左右由德國廣播技術研究所開始的，而在西元1986年，由德、英、法、荷、丹麥等國的政府、廣播電台公司與一些電子業界共組Eureka聯盟，並制定Eureka-147 數位音訊廣播規格。 • 數位音訊廣播是一種數位傳輸的技術，它能提供超越現今的調頻 (Frequency Modulation, FM)廣播更多的優點。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 數位音訊廣播讓用戶在行動中，亦可享受如CD品質般的節目，而且，數位音訊廣播不僅僅能提供音訊(audio)的服務項目，也提供文字、資料、影像、圖形、聲音、軟體及網際網路的服務。 • 數位音訊廣播更可以提供較多的選擇節目，這是在傳統的調頻廣播所無法提供的。 • 單一個數位音訊廣播電台可提供聽眾在同一時間內有三到四個正在進行的體育活動節目，並可選擇要不要聽取評論…等多媒體應用，並且可提供高品質的音質[17, 18]。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 另外，正交分頻多工也已經被應用在高畫質電視陸地廣播系統，第一個傳送高畫質電視（HDTV）陸地廣播的商業電視台位於英格蘭。 • 現今在歐洲、北美與日本分別存在三種數位陸地電視廣播系統。 • 歐洲在整個系統架構裡是使用編碼正交分頻多工(Coded OFDM, COFDM)調變技術，美國發展的系統則是基於8等級退化單邊頻帶（8-VSB）的調變技術，而日本積極發展高畫質電視陸地廣播系統基本上是基於編碼正交分頻多工調變技術，同時將頻帶分割傳送的正交分頻多工（BST-OFDM）技術。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 正交分頻多工技術應用在無線區域網路上分別為(A) HiperLAN2、(B) IEEE 802.11a以及(C) IEEE 802.11g，在此只考慮其資料傳輸率比較，詳細之規格將於第八章應用部份介紹。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • (A) HiperLAN2: • HiperLAN2可以說是目前無線區域網路最先進的技術之一，它是歐洲電信標準機構(European Telecommunication Standard Institute, ETSI)所制定的HiperLAN一系列標準中的一部份，歐洲電信標準機構在之前已完成其前身HiperLAN1的規格制定工作[21]。 • 目前歐洲電信標準機構預計要制定的標準有四個：HiperLAN1、HiperLAN2、HiperLink和HiperAccess。其中HiperLAN1和HiperLAN2使用於高速無線區域網路；HiperLink用於室內無線主幹系統；HiperAccess則用於室外對有線通訊設備提供固定的無線接取方式。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • HiperLAN1標準的制定工作已經完成，它使用GMSK的調變方式，與GSM行動電話以及蜂巢式數位分封傳遞技術(Cellular Digital Packet Data, CDPD)相同。而在HiperLAN2中的調變方式則採用正交分頻多工的技術，在調變技術上是新的突破，也因此提高了無線傳輸的速率，最高可以達到54Mbps。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 歐洲電信標準機構發展的新無線區域網路技術HiperLAN，它提供了以下六項優點[23]： • 1. 在系統上增加使用者數目時仍具有極高的可靠度。 • 2. 對每一個使用者與應用依其所要的品質去管理頻寬。 • 3. 具備能夠對全部可使用的無線電資源做出最佳化處理的強健協定，使得操作在5GHz頻率的無線區域網路的頻譜是最有效率的。 • 4. 高安全的層級。 • 5. 服務品質參數能夠實際地提供任何形式的服務或應用。 • 6. 藉由自動安裝的工具可以很簡單地使用。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • IEEE 802.11a無線區域網路標準: • IEEE 802.11a無線區域網路的架構如圖1-10所示，其中包括傳送端及接收端[25]，我們可以看到其是採用正交分頻多工的架構， IEEE 802.11a無線區域網路有好幾種傳送速率與其所對應的調變方法，如表1-2所示，其資料傳輸率可提供6 Mbps、9 Mbps、12 Mbps、18 Mbps、24 Mbps、36 Mbps、48 Mbps、及54Mbps，其中最快之資料傳輸率為54Mbps [22-25]。
表1-2 IEEE 802.11a的正交分頻多工(OFDM)調變技術規格
1.4 正交分頻多工技術的應用 • (C) IEEE 802.11g無線區域網路標準: • IEEE 802.11g網路與IEEE 802.11b網路都操作在2.4GHz無線電頻帶上，但是IEEE 802.11g網路擁有較高的資料傳輸率。 • IEEE 802.11g網路封包結構以及調變方式與IEEE 802.11a網路相同。 • 憑藉著正交分頻多工的技術使得IEEE 802.11g網路標準可以達到54Mbps資料傳輸率。 • 因為IEEE 802.11b網路與IEEE 802.11g網路都是操作在相同的2.4GHz頻帶，因此在相同地區使用設備時會一起共用此頻帶空間。 • IEEE 802.11g網路有四種操作模式，此四種模式整理歸納如表1-3 [30]。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 現在來比較IEEE 802.11a/b/g網路的最大資料傳輸率，IEEE 802.11a的傳輸率最高可達54Mbps。 • Intel公司在2002年12月發表之文件中指出一個廣播在5GHz頻帶的IEEE 802.11a網路，可同時使用12個通道(北美標準)，所以最大資料傳輸率為12*54=(648)Mbps。 • 而IEEE 802.11b網路傳輸率最高可達11Mbps。 • 舉例來說，一個IEEE 802.11b網路支援三個不重疊的通道（全世界通用），每個封包資料傳輸率為11Mbps，因此最大資料傳輸率為3*11=33Mbps。 • IEEE 802.11g網路傳輸率最高為54Mbps，假設IEEE 802.11g網路設備支援三個通道，每個封包資料傳輸率為54Mbps，所以最大資料傳輸率為3*54=162Mbps。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • Intel公司將以上整理成長條圖(如圖1-11 a)，另做了一些混合式的分析整理成長條圖(如圖1-11 b)[30]。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 在近期內，正交分頻多工技術又多了一種新的運用，就是IEEE 802.16寬頻帶無線存取。 • 寬頻帶無線存取指的是固定式無線電系統，主要被使用在使用者的房宅與核心網路之間傳送寬頻帶服務[26]。 • “寬頻帶”通常意指能夠傳送重要的頻寬給每個使用者，在國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)術語中，大於1.5Mbps的傳輸速率皆屬於寬頻帶範圍內，即使仍有許多寬頻帶無線存取網路能夠支援較高的資料傳輸率。 • 一個典型的寬頻帶無線存取網路在無線電可覆蓋的區域內應該能夠支援連接許多個使用者的辦公室或房宅。
1.4 正交分頻多工技術的應用 • 由於寬頻帶無線存取網路能提供使用者自動分享的共同頻寬，而從統計觀點來看，來自不同使用者的傳送要求通常擁有較低的相關性，這使得寬頻帶無線存取網路共享頻寬的傳送更有意義。 • 寬頻帶無線存取網路的應用範圍是相當的廣泛且發展快速的，包含了聲音、資料以及許多種類的娛樂性服務。 • 此外，IEEE 802.16網路應該能提供關於數位用戶迴路(DSL)、同軸電纜(Cable)及光纖等存取系統的解答或方向。 • 總結以上各技術及標準的制訂都是朝著正交分頻多工的基本概念發展，由此發展趨勢可以預見正交分頻多工傳輸技術在未來的無線通訊產業將佔有相當重要的地位。
參考資料 • [1] Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM wireless multimedia communication, Artech House Boston London, 2000. • [2] Ahmad R. S. Bahai and Burton R. Saltzberg, Multi-carrier digital communications - Theory and applications of OFDM, Kluwer Academic / Plenum Publishers New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow 1999. • [3] Ramjee Prasad, “OFDM based wireless broadband multimedia communication,” Letter Notes on ISCOM’99, Kaohsiung, Taiwan, Nov. 7-10, 1999. • [4] L. Hanzo, W. Webb and T. Keller, Single- and multi-carrier quadrature amplitude modulation – Principles and applications for personal communications, WLANs and broadcasting, John Wiley & Sons, Ltd, 2000. • [5] Mark Engels, Wireless Ofdm Systems: How to Make Them Work? Kluwer Academic Publishers.
