首先,OFDMA 是什么?
OFDM 技術的基本原理是將無線信道划分為若干互相正交的子信道,把高速串行數據流轉化為低速並行子數據流,低速並行子數據流在子信道上獨立傳輸。
OFDMA 是LTE的下行多址技術。OFDMA 就是用 OFDM 作為多址的方法。OFDM 當中的每一個頻率叫做一個子載波。在 OFDM 當中,可以把一部分子載波分配給一個用戶,把另一部分分配給另外的用戶,從而作為多址的手段,稱為 OFDMA。
因為 OFDMA 具有 資源分配方式靈活、頻譜利用率高、抗多徑能力強等優點,受到了廣泛的關注。然而水下信道的窄帶寬、快時變的特點,仍然導致將 OFDMA 技術應用到水下環境中充滿了挑戰。
預備工作:
第一步:水聲 OFDM 多用戶信道估計
OFDMA系統可以為用戶分配一段連續的子載波,即子帶式子載波來實現頻譜資源共享;也可以利用等間隔的交織式子載波分配提高信道頻率分集增益;還可以根據信道條件及用戶需求靈活分配頻譜資源,采用非等間隔的廣義式子載波分配進一步提高系統性能。靈活的子載波分配方式也導致了用戶導頻在整個通信頻段內無法均勻分布,給 OFDMA 上行通信中基於導頻輔助的信道估計方法帶來挑戰。上行通信中,經歷不同信道的多個用戶同時接入,尤其對於頻譜資源有限,多徑擴展嚴重的水聲信道,上行接收端如何利用各用戶分配的少量、不均勻的導頻,實現多用戶信道估計稱為 OFDMA 上行通信亟待解決的關鍵技術。
本文是基於最小均方誤差估計(MMSE)。它是一種基於訓練序列的信道估計方法。在發送信號中插入接收端已知的信息,接收端利用這些信息估計信道狀態。最小均方誤差估計算法的求解表達式為 argmin | Â - A0 |2 ,該方法的求解需要已知信道相關矩陣的先驗信息,其估計性能好於最小二乘估計。
總結來講,基於訓練序列的信道估計算法的優點是信道估計性能好,收斂速度快,但是會占用傳輸帶寬或時序,尤其是在信道存在嚴重時延擴展和多普勒擴展的情況下,若要保證信道估計仍有良好的性能,則需要響應大大增加訓練序列的數量,這會嚴重降低信息傳輸的效率。因此,上述傳統的基於訓練序列的估計方法僅僅適用於時延擴展較小的慢變信道。
第二步:OFDMA 資源分配
必要性:與有線信道的恆定不變不同,無線信道通常是隨機變化的。如果采用固定的編碼方式,系統就不能很好的使用信道的變化。於是就產生了自適應傳輸技術的概念。自適應傳輸技術,顧名思義,就是發射端通過獲得信道狀態信息合理地調整傳輸參數,盡可能與信道情況相匹配,從而充分利用各種資源並且有效提高系統性能。
自適應資源分配技術是在發射端獲得一定的信道狀態信息的前提下同調整發射功率、調制方式、符號率和編碼方式等參數來使信息的發送與信道相匹配,從而提高系統的整體性能。
在 OFDM 系統中,各個子載波有着不同的衰落特性。如果采用平均功率分配,各子載波上的誤比特率就不一樣,信道條件不好的子載波誤比特率會很大,這會嚴重影響整個系統的誤比特率性能,因此優化各個子載波間的功率和加載比特就十分重要。單用戶 OFDM系統的自適應資源分配算法根據優化目標的不同主要分為兩類:傳輸速率受限情況下最小化系統的發射功率,和發射功率受限情況下最大化系統的傳輸速率。
多用戶 OFDM 系統的自適應資源分配算法是根據信道狀態信息載不同的用戶間分配資源,實現子載波、比特和功率的聯合資源分配。
對於非正交多址接入方式,目前 PD-NOMA 是很火的一個領域。
- NOMA資源分配
與正交多址接入相比,非正交多址接入的不同是基站對於不同用戶在同時利用相同的頻率資源向中繼轉發和用戶終端發送信息。因此,在相同的帶寬下,非正交多址系統能獲得更高的系統容量,但代價是增加了接收端的信號檢測復雜度。
NOMA 的基本信號波形是基於OFDMA,主要在功率域將多用戶疊加,應用多路復用。在接收端采用串行干擾消除來保障非正交多址的可靠性。它能獲得更高的系統增益,更高的頻譜效率。
就拿兩級疊加編碼來講,基站(源節點)可以同時同頻發送兩用戶的疊加信號。信噪比弱的用戶 1 在 用戶 2 信號的干擾下解碼自身數據;而信噪比強的 用戶 2 首先解碼 用戶 1 的數據,然后將該數據從接收的信號中消除,最后解碼自身數據。