以 IP 為基礎之 OFDMA 系統

目前 OFDM 技術已經被廣泛應用在廣播的寬帶數據通信、無線區域網路

（WLAN）、高清晰度數位電視（HDTV）和數位音頻廣播（DAB），非對稱的 數位用戶迴路（ADSL）。此外，還由於其具有更高的頻譜使用效率和良好的抗 多路徑干擾能力，也被看好成為新一代行動通訊的核心技術之一。而多種異質性 無線網路共存，從無線區域網路到蜂巢式系統，為了直接快速的向網際網路抓取 所需要的資料，並且提供一個共同性且全球性的解決方法，IP_based 無線抓取 網路逐漸成為主流。因此，在本章中將介紹OFDM 技術及以 IP 為基礎之 OFDMA 系統。

2-1 OFDM 傳輸技術簡介

正 交 分 頻 多 工 技 術 [9,10,11]-OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)採用一種不連續的多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的大量 信號合併成單一的信號，從而完成信號傳送。此種多載波(Multicarrier)的傳送方 式，是將原有的資料傳輸序列從單一載波(Carrier)分配到多個不同的子載波 (Subcarrier)上平行(Parallel)傳送，因此每一子載波上的傳輸間隔變大為原本間隔 的數倍，使得在每個子載波上的符元間距(Symbol Duration)增加，如圖 2-1.1 所 示。

OFDM 技術可以對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中，單個 衰落或干擾能夠導致整個通信鏈路失敗，但是在多載波系統中，因每個載波同時 受到衰減的機率很小，因此，對這些子通道可以採用錯誤更正碼(error correction coding)來進行糾錯。

圖 2-1.1 OFDM 技術示意圖

傳統的FDM（分頻多工）理論將頻寬分成幾個子通道，中間用保護頻帶來 降低干擾，它們同時發送數據。而OFDM 系統比傳統的 FDM 系統要求的頻寬要 少得多。由於每個子載波間具有正交性，子載波彼此之間不會產生干擾，因此頻 譜可以相互重疊且不需保護頻帶。因此，OFDM 系統比傳統分頻多工系統具有 較好的頻寬效益(Bandwidth Efficiency)[12]（其頻譜如下圖 2-1.2 所示）。

圖 2-1.2 傳統(a)FDM 與(b)OFDM 的頻譜

子載波上所傳送的符元使用相移鍵控(Phase-Shift Keying，PSK)或正交振幅 調變( Quadrature-Amplitude Modulation，QAM)，子載波上的符元組成一個 OFDM 區塊(OFDM Block)，OFDM 時域信號為所有調制後的子載波所構成，其基頻數 學表示式(1)與傳送端調制器示意圖 2-1.3：

QAM data

( )

號，其複雜度太高；實際上的 OFDM 系統採用快速傅立葉(IFFT/FFT)的方式來 實現，因此不需要同時設計多組的傳收機。首先將 OFDM 信號以kT 取樣，則

_S

由式(2)，以時域(Time Domain)與頻域(Frequency Domain)的觀點來看，

OFDM 信號為時域的類比波形取樣點，而符元則為頻域上每個子載波的信號。

因此，OFDM 系統可以傅立葉轉換之方式實現代替多載波調製和解調。

為了以數位方式作傅立葉轉換，必須對信號取樣，而且取樣信號必須滿足 取樣定理(Sampling Theorem)，即取樣頻率必須大於等於兩倍信號頻寬，若使用 所有子載波載送信號，則信號頻寬會大於0.5 倍取樣頻率，如此無法滿足取樣定 理，若是增加子載波數，則頻寬會接近0.5 倍取樣頻率，當子載波數趨近於無限 多時才會滿足取樣定理。

實際上並不能使用無限多的子載波，因此，真正傳送信號的子載波數必須 小於總載波數，以滿足取樣定理。不送信號的子載波稱之為虛擬載波(Virtual Carriers)。

因為多路徑延遲擴散除了造成符元之間的干擾外，也會造成不同OFDM 區 塊間的區塊間干擾(Inter-block Interference, IBI)，為了消除此干擾，在每一 OFDM 區塊中加入保護區間(Guard Interval , Tg)，如圖 2-1.4 所示。

T

OFDM

T g

T

b

圖 2-1.4 OFDM 之保護區段

保護區間的長度必須大於所預期之最大傳輸延遲擴散(Max Delay Spread)，

使得OFDM 區塊不會干擾下一個 OFDM 區塊。此外，若保護區間內不送信號，

則會引起載波間干擾(Inter-carrier Interference, ICI)，載波之間不再具有正交性如 圖2-1.5 所示。

T FFT

T g

T OFDM

圖 2-1.5 ICI 之示意圖

為了維持正交性，選擇保護區段之信號為 OFDM 區塊之循環展延如圖 2-1.6，只要傳輸延遲擴散小於保護區間，則在一個完整 FFT 區間中總是有整數 倍週期的弦波，如此將不會有 ICI 現象發生，可維持 OFDM 系統之正交性，我 們以下面的例子說明。

T OFDM

T

g

T

FFT

圖 2-1.6 OFDM 區塊之循環展延

以兩個路徑的傳輸為例，因第二路徑的OFDM 信號延遲，在 OFDM 符元邊 界處有相位跳躍產生。對於第二路徑信號而言，其相位跳躍發生在第一個路徑之 後的某一特定延遲。當此延遲小於保護區間，則在完整的 FFT 區間中不會有相 位跳躍，因此雖然 OFDM 信號有相位的變化，但是載波之間仍然維持正交性，

若是延遲大於保護區間，則在 FFT 區間內會有相位跳躍，使得載波之間失去正 交性。

由此可知，OFDM 系統載波之正交性的重要，因此在接收端必須進行同步 的動作，只要同步誤差小於保護區間，則OFDM 區塊之各載波間仍維持正交性，

同步誤差僅造成相位偏轉(Phase Rotation)，可利用通道估測的方式加以補償，因 此接收端仍可作正確的解調變。反之，若是正交性被破壞，則接收端便無法進行 正確的解調變。

此外，OFDM 系統另一重要問題為峰值對均值功率比 (Peak to Average Power Ratio, PAPR)，由於 OFDM 信號為多個載波組合而成，因此其信號功率會 隨著子載波所載之符元不同而變化，若變化之範圍超出功率放大器之線性區域則 產生非線性失真，因此在多載波時必須考慮PAPR 問題，以減少功率放大器之非 線性失真。

總而言之, OFDM 技術的主要優點如下：

1. 該技術對傳輸線路上的多路徑外界信號干擾有較強的抵抗力，不需要複雜的 時間等化器，可降低複雜度。非常適合工作在一些惡劣的通信環境中。 在 一個固定最大擴散延遲的系統中，OFDM 可以簡單的克服延遲擴散所引起 的信號干擾，而單載波系統卻需要一個複雜度相當高的等化器來消除延遲擴 散所引起的信號干擾。

2. 在緩慢的時變通道中，可以根據每個子載波的訊號雜訊比來調整每個子載波 的資料傳輸速率，以提升系統的容量。

3. OFDM 系統具有頻率分集(Frequency Diversity)的效果，比單載波機制更能夠 對抗窄頻干擾。

OFDM 系統與單載波機制相比，也有一些缺點，可說明如下:

1. OFDM 系統對於頻率偏差與相位雜訊較為敏感，容易破壞正交性而造成 ICI。。

2. 峰值對均值功率比相對較大，造成非線性失真，會增加功率放大器之設計複 雜度。

BS MS

BS: Base Station MS: Mobile Station

2-2 蜂巢式 OFDMA 無線接取網路

蜂巢式網路為目前行動電話所使用的重要基礎架構，基本上由一群六角型 彼此相接的單位細胞（cell）所組成，系統包含了行動電話交換中心、基地台(BS)，

和行動用戶(MS)三部份。一個基地台控制一到多個的蜂巢或稱細胞(cell), 每個蜂 巢有自已的控制頻道、多個通話頻道…等，半徑約2～20 公里，細胞間彼此相接，

形成蜂巢式的大片涵蓋區域，可支援行動用戶在不同細胞間的移動性，如圖2-2.1 所示。

每個基地台透過線路(或微波)連結到行動電話交換中心(Mobile Switching Center，MSC)，此交換機又與公眾網路交換機相接，各基地台的控制頻道可隨 時將細胞內的用戶資料傳遞至行動電話交換機中心，使行動用戶可撥出或接收電 話，且在各細胞間可以進行頻率切換。

早期蜂巢式行動電話系統採用類比方式，但由於電話容量不足，無法進行 數據通訊等缺點，因此新一代的蜂巢式行動電話系統採用數位方式。

OFDMA 的方式，可以將整個頻帶分成很多子通道，不同的子通道可以分 配給不同的使用者，每個子通道之間彼此正交且頻譜可重疊，可同時支援多用戶 信號的抓取，且在抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上具有明顯的優 勢。目前熱門的系統如WiMax, 便是採用 OFDM 的調製技術。

圖 2-2.1 蜂巢式網路架構

2-3 以 IP 網路為基礎之 OFDMA 系統

目前行動資料服務的趨勢朝向高速及多媒體行動網路服務，例如照相功 能、多媒體訊息，網路遊戲、串流式影音…等；而且從無線區域網路到蜂巢式系 統，多種異質性無線網路共存，為了直接快速的向網際網路抓取所需要的資料，

並且提供一個共同性且全球性的解決方法，以 IP 為基礎之無線抓取網路逐漸成 為主流。

過去各電信業者在 3G 系統中建置了功能強大的專屬核心網路（core network）,以確保語音服務的品質與數據資料的傳送可透過單一網路支援，但目 前電信公司和電話製造商熱中於把語音電話服務搬上網際網路，運用網路電話

（VoIP）技術進行通話，以大幅降低成本，把所需系統簡化為單一的網際網路 協定（IP）網路。單來說，以 IP 為基礎之核心網路有具有以下特點[13]：

1. 其核心網路是採用 IP（Internet Protocol）的技術

2. 一個共同的 IP 核心網路必須要支援各種異質性無線抓取網路，如圖 2-3.1 所示。

3. 當使用者有移動性（mobility）, 必須要支援使用者在大範圍中各種聲音、

資料、和多媒體等服務,。

4. IP-based 之無線抓取系統可無縫式（seamless）的整合快速成長的行動資料 和多媒體服務至網際網路，來達到全球性的漫遊。

圖 2-3.1 IP network 支援異質性無線通訊技術 [13]

IP Network

NCMS Entity BS

BS BS

NCMS Entity

NCMS Entity

MSS MSS

以IEEE 802.16 標準為例子，其背後便是使用以 IP 為基礎的核心網路，並 採用OFDMA 的調變技術。在 IEEE 802.16g-04/03r2 [14]中，提出了一些在以 IP 為基礎之架構下，IEEE 802.16[15]及 IEEE 802.16e[16]中標準化介面的行為，以 達 到 更 有 效 率 的 安 排 網 路 資 源 、 行 動 性 及 頻 譜 。 其 所 提 出 的 是 一 分 散 式 (distributed)網路配置如圖 2-3.2 所示，每個基地台都是直接連接到 IP 網路，基 地台本身可視為有閘門(gateway)及路由器(router)的功能。其中 NCMS(Network Control and Management System)作為不同基地台之間的介面，基地台之間的協調 都是經由NCMS 來達成，但其控制的方法是分散式的。 NCMS 並可負責網際網 路中IP 位址的安排，安全性的服務等功能。

圖 2-3.2 IEEE802.16g 分散式網路架構[14]

802.16 標準主要包括 802.16a、802.16d 和 802.16e 三個標準。802.16a 是為支援在

2-11GHz 頻段的非視距(NLOS)寬帶固定接入系統而設計的，802.16d(802.16-2004)是

802.16a 的增強型，802.16e 則是 IEEE802.16a/d 的進一步延伸，其目的是在已有標準中

增加數據移動性，802.16e 標準目前已在 2005 年發布，但仍在修訂當中。

802.16 802.16a

/

d 802.16e 完成日期 2001 年 12 月 2003 年 1 月 /

2004 年 Q4 前

預計 2004 年底

應用方向 最後一哩及 Backhaul 最後一哩及 Backhaul 手持式行動裝置

頻譜規格 10~66GHz 2~11GHz 2~6GHz

傳輸條件 LOS 非 LOS 非 LOS

傳輸速率 32~134Mbps (通道頻寬為 28MHz)

75Mbps

(通道頻寬為 20MHz)

15Mbps

(通道頻寬在 5MHz)

調變技術 QPSK,16QAM,64QAM QPSK,16QAM,64QAM 採 256 子載波 OFDM

QPSK,16QAM,64QAM 採 256 子載波 OFDM

移動性 固定性 固定性 具移動性

通道頻寬 20,25 及 28MHz 1.5~20MHz 1.5~20MHz

傳輸距離 1~3 英哩 4~6 英哩 1~3 英哩

表 2-3.1 802.16 主要標準比較[17]

碼框 ( frame) 結構

IEEE 802.16-2004[15]系統採用的是正交分頻多重抓取（OFDMA）技術，其 多載波及多通道的特性，可同時支援多個使用者，有FDD 及 TDD 兩種模式，我 們以TDD 模式之點對多點(Point to Multi-Point, PMP)碼框結構作一個介紹。

IEEE 802.16-2004[15]系統採用的是正交分頻多重抓取（OFDMA）技術，其 多載波及多通道的特性，可同時支援多個使用者，有FDD 及 TDD 兩種模式，我 們以TDD 模式之點對多點(Point to Multi-Point, PMP)碼框結構作一個介紹。

在文檔中 以IP為基礎之OFDMA系統中適用於即時性服務之前置式基地台切換技術 (頁 13-25)