1 概述

近年來, 無論是自然災害的救援工作、公共衛生事件的防疫工作還是安全事件的秩序維護工作都對公共事件的相關部門處理緊急響應事件提出了越來越高的要求。相應部門無論是在預警方案和組織管理協調的軟件方面, 還是相應通信設備和管理指揮系統的硬件配備方面, 都面臨著全新的考驗。因此,建設一套高效適用的應急通信系統, 為公眾提供更及時的救助服務, 已成為當前一個重要而迫切的課題。作為第四代移動通信技術的核心技術OFDM技術, 其多載波的傳輸距離和圖像信號的流暢性均要優越于單載波技術, 適用于強調無線語音和無線視頻的實時性通信應急通信系統。

2 OFDM 技術及特點

OFDM技術即正交頻分復用技術, 它的提出已有40年的歷史, 與已經普遍應用的FDM 技術十分相似, OFDM 技術把高速的數據流通過串/并變換分配到速率相對較低的若干個頻率子信道中進行傳輸, 其第一個實際應用是軍用的無線高頻通信鏈路。

與傳統技術相比, OFDM 技術具有以下一些優點:

1)通過對高速率數據流進行串/并轉換, 使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加, 從而有效地減少由于無線信道的時間彌散所帶來的符號間的干擾, 進而減少了接收機內均衡器的復雜度, 有時甚至可以不采用均衡器, 而僅僅通過插入循環前綴的方法消除符號間干擾的不利影響。

2) OFDM 中由于各個子載波間存在正交性, 允許子信道的頻譜相互重疊, 因此, OFDM 系統可以最大限度地利用頻譜資源。OFDM 技術與傳統的FDM 技術帶寬利用率比較如圖1 所示。從圖1中可以看出, 傳統的FDM技術需要在兩個信道之間存在較大的頻率間隔來防止干擾, 這就降低了全部的頻譜利用率, 而應用OFDM技術的子載波正交復用技術大大減少了保護帶寬,提高了頻譜利用率。

　　圖1 FDM 與OFDM 帶寬利用率的比較。

3)各個子信道的正交調制和解調可以分別通過采用離散傅里葉反變換和離散傅里葉變換來實現, 而且當子載波數很多時, 還可以通過采用快速傅里葉反變換和快速傅里葉變換來實現。

4) OFDM 系統物理層支持非對稱的高速率數據傳輸, 通過使用不同數據的子信道可以實現上下行鏈路中不同的傳輸速率。

5) OFDM 技術易于和多種接入方式相結合使用。

但是OFDM 系統由于存在多個正交的子載波,而且輸出信號是多個子信道信號的疊加, 因此與傳統技術相比, 也存在一些缺點:

1)易受頻率偏差的影響。由于子信道的頻譜相互覆蓋, 這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。無線信道的時變性在傳輸過程中造成的無線信號頻譜偏移, 或發射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差, 都會使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞, 導致子載波之間干擾。

2)存在較高的峰值平均功率比。多載波系統的輸出是多個子信道信號的疊加, 因此如果多個信號的相位一致, 所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率, 導致較大的峰值平均功率比。這就對發射機內放大器的線性度得出了很高的要求, 因此可能帶來信號畸變, 使信號的頻譜發生變化, 從而導致各個子信道間的正交性遭到破壞, 產生干擾, 使系統的性能惡化。

3 OFDM 技術在應急通信系統中的應用

M cW iLL(多載波無線信息本地環路)寬帶無線接入系統是我國自主研發的第一代寬帶無線接入系統。M cW iLL采用的是國際最先進的碼擴正交頻分多址、智能天線、空間零陷、聯合檢測等無線通信技術。采用McW iLL系統在應急通信中, 只要一只簡單的CPE 或者PCMCIA 卡, 無需進行現場安裝、調試, 就能夠迅速提供高速無線連接, 同時由于其可移動性, 便攜性, 能夠滿足應急通信的更多需要。

M cW iLL系統由終端設備CPE、基站系統BTS以及網元管理系統EMS三個部分組成。其中, 終端設備CPE 完成用戶端計算機與無線網絡的連接。

基站系統完成用戶端CPE 與骨干網絡的連接, 包括基站傳輸系統BTS 以及射頻系統RFS 兩部分。網元管理系統EMS 完成對無線系統中的所有終端設備CPE、基站系統的設備管理、系統監控、權限管理、帶寬分配等操作。系統結構如圖2所示。

M cW iLL 系統的核心技術之一CS- OFDMA 將OFDMA、TDMA 和SCDMA 有機融合為一體。CS -OFDMA 采用了OFDM 調制方式, 具備所有OFDM的技術優勢, 除了頻率利用率高、信道分配靈活、容易實現外, 還有以下顯著

優點:

　　圖2 M cW iLL系統結構圖。

1)通過對調制符號的串并轉換降低單載波上的符號速率可以增強多徑干擾的抵抗能力;

2)根據對各個信道的動態分配來選擇符號的承載信道可以抗頻率選擇性衰落;

3) CS - OFDMA 采用了碼擴技術, 將一個符號進行碼擴后再以一個信道為單位進行多載波調制,這樣可以將一個符號的能量分散到整個信道中, 在接收時達到頻率分集的效果;

4) CS - OFDMA 采取的多址方式主要由TDMA與OFDMA 組成, 碼擴的使用范圍僅在每一個信道中, 而信道是給用戶的最小單位, 這樣用戶在發射接收信號時, 相互之間不會干擾, 避開了傳統CDMA接入方式的多址干擾問題。

M cW iLL 技術利用并行傳輸的OFDM 技術和CDMA 技術的有效融合, 是兩個技術的折衷方案, 有效地克服了傳統CDMA 系統面對無線寬帶數據傳輸時由于擴展頻譜而引起的碼間干擾的嚴重問題,其最大優點是對抗頻率選擇性衰落。在單載波窄帶CDMA 系統中, 單個衰落或者干擾能夠導致整個通信鏈路失敗, 但是在M cW iLL系統中, 由于使用了多載波, 因此只有很小一部分載波會受到干擾。系統會自動在10 個子載波中選擇信號效果最好的4個子載波或者2個子載波進行信號傳輸, 實現頻譜的最佳利用。

4 結束語

應急通信系統強調的是"應急狀態"下的通信,快捷的無線語音通信保證指揮命令的迅速傳達, 實時的視頻通信是指揮者正確判斷的必備工具, 二者缺一不可。而"應急狀態"通常是場景不固定, 因此更加強調移動性。未來的應急通信技術將朝著語音、數據、圖像融合; 專網、共網、公網共存; 寬帶、快速、安全、可靠、普遍軟件無線電、IP、OFDM 等新技術方向發展?？梢灶A見, OFDM 技術在未來的應急通信系統中將得到廣泛應用, 而未來的應急通信系統也將朝著更實時、更流暢的語音和視頻方向發展。