关于OFDM与COFDM差异性的研究比较

• 摘要
• 一 综述
• 二 发展概况
• 三 COFDM
• 四 FEC的作用
• 五 FEC特性和术语
• 六 编码OFDM系统模型
• 七 结论

译自《International Journal of Science and Modern Engineering (IJISME)》 ISSN: 2319-6386, Volume-1, Issue-5, April 2013
网址 https://www.researchgate.net/publication/277865270_A_Study_And_Survey_of_OFDM_Versus_COFDM

摘要

现代无线通信网络的发展趋势是更高的传输速率和稳定性，若电磁环境的复杂性在合理可接受范围内，则OFDM（正交频分复用技术）是一种非常合适的高速率调制解调方案；通过增加信道编码的方式能够进一步提高系统的传输可靠性，这种方案称作COFDM（编码正交频分复用技术）。信道编码的方案可以用于任何满足使用要求的无线系统中，这些要求包括高传输速率和高容错率，以及与环境复杂度相关的低时延和期望编码增益值。本文旨在整理归纳OFDM和COFDM的研究成果，并作出简单比较。经多次研究发现，COFDM在传输可靠性，衰落/噪声环境，误码率大小，带宽效率这几方面优于OFDM。
关键字 COFDM OFDM 分组码&误码率

一 综述

如今无线通信系统面临的主要问题包括多径衰落，频率衰落，符号间干扰（ISI），载波间干扰（ICI），低容量，低能效（单位比特发射功率），低频谱效率等【1】【2】，OFDM是一种MCM（多载波调制）技术，对要求高性能的无线通信网络来说是一个比较合适的选择，尤其是在无线信道具有一定复杂性的多径传播和衰落环境中，OFDM也能够有效的保证传输速率【2】。正是由于OFDM调制方式在频率选择性衰落信道上仍能保持高带宽和高能效，使得其被多个国际标准协议所采用，比如DAB，ADSL，WLAN，IEEE 802.11 a/g/n 等【12】【13】。
差错控制编码已经成为现代数字无线网络的重要组成部分之一，即使环境噪声明显，通过差错控制编码的方法也能达到可靠传输的目的。高传输速率的OFDM调制解调方式与FEC（前向纠错编码）相结合的技术被称之为CODED OFDM（CODFM）【1】，采用COFDM方案的系统吞吐量和单纯的OFDM系统相比有了很大的提升【3】。现代无线通信系统的目标就是高速率和高可靠性，而信道编码无疑是一种潜在的可以提升传输可靠性的方法。COFDM调制方式对突发噪声，随机噪声，多径失真，以及衰落环境等不利因素都具有较强的抵抗性【2】，本文主要对OFDM和COFDM（包括FEC）这两种调制解调方式进行比较总结，在误码率、带宽利用率、频率分集、多径环境等方面分别给出数据和分析结果。
经实验发现，COFDM调制方式通过缩小多个信道之间的间隔，提高了频谱利用率和传输可靠性，而且在衰落环境，误码率，带宽利用率，频率分集等其他方面的表现也都超过了OFDM。

二 发展概况

Weinstein和Ebert (1971)对 OFDM技术的发展起到了至关重要的作用，当时离散傅里叶变换（DFT）方法已经被提出用来进行基带的调制和解调，它的应用是尽量减少子载波振荡器的数量，但增加符号之间的守卫频段来抵抗ISI和ICI，DFT被认为是最高效的信号处理算法。但是，该系统在 {MOD}散信道上没有获得子载波之间的完美正交性【8】。Ebert设计了一款基于OFDM调制的无线收发器，该收发器专门针对高速无线局域网应用，这种在单片专用集成电路芯片上实现高速OFDM调制解调方式的设计，极大地提高了OFDM在大容量无线局域网领域的竞争力。这款收发器在信道设置和人机交互方面借助可编程的参数提供了高度的灵活性，并且是完全同步的接收。在OFDM单片方案的设计上，还整合了完整的QPSK调制OFDM符号的物理层，OFDM基本的功能，以及完整的接收机同步和片上分组。Ahmed，Shawki提出了一种纯VHDL设计的流水线OFDM系统实现方案，此方案包含了一些知识产权（IP）块，可以被用来实现符合IEEE 802.11 a/b/g标准的OFDM收发器模块。他们的目标是展示FPGA适应这些标准的能力，以及强调它们的可编程性，同时也为了实现符合802.11 a标准的OFDM无线收发器物理层，具体来说是数字基带部分。由他们提出的知识产权核心部分，在线可用，此部分可以很方便地被扩展应用到其他OFDM系统中，比如固定和移动全球微波接入互操作性（WiMAX）方案中。WiMAX使用的是基于分而治之的方法，为了满足IEEE标准，第一次采用了纯VHDL设计的OFDM发射机。

三 COFDM

人们已经开发出多个不同的方法来提高OFDM的效率，但是COFDM在衰落环境下可以提供比其他方法更好的性能【9】，通过将OFDM与信道编码相结合的COFDM方法可以实现稳健的数据传输【2】【4】。COFDM是一种在频率选择性信道中很有前景的传输数据的手段，这种技术使用多个正交子载波来传送数据和纠错码，在发射端增加额外的比特，以恢复受深度衰落影响的许多或全部子载波【1】。通常用于改善OFDM系统在恶劣信道条件下的性能的纠错码就是FEC【11】。

使用重叠的多载波调制技术，可以节省几乎50%的带宽，效果如上图所示。通过组合FEC和交叠可以进一步提高传输质量，克服突发错误和衰落类型错误的影响【11】。OFDM与信道编码相结合，借助信道编码技术，弱子载波的（错误）信息可以藉由强子载波的信息来校正，总的误码率会因此得到降低。如果不使用信道编码，则系统效率将受限于最弱子载波的功率大小【12】。
COFDM的特性：

• 频率分集

通过对正交子载波上的信息进行编码或向信息添加冗余来实现纠错，可以提高OFDM系统的性能，并改善频率分集【9】。

• 衰落环境

COFDM通过结合FEC和交叠来提高其传输质量，从而提供了无记忆的信道中断顺序衰落相关性，提升分集效果，在减小误码率的同时保证可靠传输，在信噪比较高时保证高增益【1】。

四 FEC的作用

在网络环境下，数据可能在传输过程中丢失，此时可靠性就是最关键的制约因素。错误控制编码的主要功能是在数据传输，或者说符号传送时增强其可靠性。错误控制代码还可以简化数字传输系统的设计过程【11】。
在传输过程中由以下三种方法可以消除错误【7】：

1. 错误检测代码
2. 自动重复请求（ARQ）
3. 错误纠正代码

错误检测代码用于检测数据块中存在的错误，通常与数据链路层或传输层的协议一起使用。ARQ与错误检测代码一起使用，其中错误检测代码用于检测错误的存在并丢弃该信息块，然后ARQ方法重传该块。纠错码不仅用于检测错误的存在，而且还用于纠正某些错误，避免了重传过程【7】。
错误检测代码和ARQ不适合于无线传输【7】，因为

1. 无线传输介质中误码率BER很高——所以会出现大量重传的数据包
2. 效率极低
3. 如果可以重传，那么与单帧的传输时间相比，传播延迟将会非常长
4. 重传不适用于卫星系统，因为反向信道容量非常有限或没有反向信道
5. 重传方案导致高延迟，从而增加系统成本和效率损失

现代蜂窝网络（1G/2G/3G）中3G网络最为流行，但是由于干扰和传输介质的影响，而具有更高的数据碰撞、损坏风险，蜂窝环境下存在的不确定性可能影响最终用户终端的性能。为了避免这些问题，已经有人提出使用FEC作为现有无线网络基础上纠错的备用技术。COFDM和OFDM的误码率参数比较如下图【14】

FEC和OFDM结合的优势【6】【11】：

1. 通过使用差错控制方案可以减少数据传输过程中对发射功率的要求。例如，移动蜂窝的网络通信。
2. 缩小发送器，接收器，以及天线的尺寸，同时提高性能。
3. 通过在多址通信系统中使用差错控制技术，使得更多的用户接入到同一个频段。例如， CDMA网络。
4. 通过使用适当的差错控制技术，可以有效地增加扩频通信系统中的干扰余量。

五 FEC特性和术语

FEC提供可靠的传送，需要在通过网络传输数据之前将附加的冗余信息附加到原始数据后面【14】。FEC使用已知的规则向数据消息添加冗余段，并且在接收侧FEC解码器对该信息进行解码，检测错误并纠正，对于无线通信网络来说十分适合【11】。FEC主要分为两类，其中一类是线性分组码，比如汉明码，循环码，BCH码，另一类是卷积码【7】。FEC在发射端和接收端的作用如下图所示
(发射端)
(接收端) 分组码和卷积码的比较【7】：
分组码

• 在静态块上操作；
• 块之间没有数据依赖性；
• 取k个输入位并产生n个输出位，其中k和n很大；
• 对计算机网络有用；

卷积码

• 在数据流上操作；
• 适用于要求性能更好且成本更低的场合；
• 数据以连续流的形式通过卷积码；
• 在无线网络中有用；

FEC的特性【8】【11】
FEC的应用以及参数的设置受到几个对立因素的限制。其中一些因素简要描述如下：

• 通信信道的性质
  物理通信信道的影响多表现为随机和孤立的错误，有时也会导致突发的错误。用于信息传输的调制技术，接收机的灵敏度水平（以dBm为单位），信息传输速率等则是一些其他的问题。
• 可用信道的带宽
  如上所述，差错控制方案的使用涉及到对原始消息添加受控冗余，而传输冗余数据则需要比原始系统更大的带宽。这种设计之外的缺陷是可以容忍的，因为在BER或成本方面，针对指定的总体系统性能，编码通信系统相比原始通信系统具有可获得的增益或者优势。
• 硬件复杂性成本和延迟
  数据块长度较大的FEC编码已经逐渐地可以满足高传输速率的要求，并且具有良好的纠错能力，但这种解码器的硬件复杂性，体积，成本和解码延迟等问题可能无法被忽视。

六 编码OFDM系统模型

COFDM的系统框图如下所示，在发射端，数据被加载到随机化器中，随机化器将生成随机数序列，然后通过FEC编码器进行编码，并使用交叠来提高系统性能【11】，然后通过IFFT（逆向快速傅里叶变换）传输调制过后的信号。在接收端信号被解调，解映射，解交织，然后通过FEC解码器解码，最终恢复成原始信息。

对于符合IEEE 802.16 标准，采用OFDM与FEC相结合的系统的研究【6】表明，卷积码适合作为FEC的信道编码。Wi-Max IEEE 802.16e OFDM与FEC相结合的系统性能已经有人使用MATLAB进行了仿真研究【15】，结果FEC确实提高了性能。为了降低WLAN OFDM系统中的PAR，MSR提出了基于卷积编码的方案【10】，该方案仅优化了PAR，而没有优化值得关注的问题。
通过MATLAB仿真各种调制技术下不同编码率的传输性能【12】，发现卷积码适合使用0.5的编码率。其它研究表明，具有几种信道编码的OFDM系统，卷积编码由于复杂性较低，已经成为了一个合适的选择【9】；在关于卷积码对系统BER性能的影响研究【8】中，人们发现FEC改进了BER性能和带宽效率，并且压缩的FEC编码也减小了PAR的值；关于多径环境下COFDM性能的研究【4】，也有文献提供了带编码和无编码的OFDM性能数据，以及带编码的优势所在。

七 结论

本文研究了OFDM和COFDM的性能，结果表明，在BER，带宽效率和衰落环境方面，COFDM更适合于提供高频谱效率和可靠传输。研究还表明，FEC是无线通信中最佳的信道编码方案，可以有效提高系统吞吐量，利用交织技术满足高数据速率传输的要求，具有良好的容错能力，并且延迟，复杂度可忽略不计。 引用
[1] William Y. Zou and Yiyan Wu, “COFDM: an overview”, IEEE Transactions on Broadcasting, vol.41, no.1, pp. 1-8, March 1995.
[2] Neil Weste and David J. Skellern, “VLSI for OFDM”, IEEE Magazine on Communications, pp. 127-131, October 1998.
[3] W. A. C. Fernando, R. M. A. P. Rajatheva and K. M. Ahmed, “Performance of Coded OFDM with higher modulation schemes”, IEEE International Conference on Communication Technology, vol. 2, pp. 1-5, 1998.
[4] Scott Lee Linfoot and Robert Simon Sherratt, “A study of COFDM in a terrestrial multi-path environment”, IEEE EUROCOMM on Information Systems for Enhanced Public Safety and Security. IEEE/AFCEA, pp. 388-391, 2000.
[5] Lang Lin, Cimini Leonard J. and Chuang Justin C. I., “Comparison of convolutional and turbo codes for OFDM with antenna diversity in high-bit-rate wireless applications”, IEEE Journal on Communications, vol. 4, no. 9, pp. 277-279, 2000.
[6] Bonghyunk Park, Jaeho Lee, Haewon Jung, Seongsu Park, and Hyeong Ho Lee, “Simulation results for FEC in 802.16 OFDM system”, Report by IEEE 802.16 Broadband wireless access working group, IEEE 802.16abc-01/52, Nov 2001.
[7] William Stalings, “Wireless Communications and Networking”, Pearson Education, Second Edition, 2002.
[8] Athinarayanan Vallavaraj, Brian G Stewart, David K Harrison and Francis G McIntosh, “The effects of convolution coding on BER performance of companded OFDM signals”, International Conference on Communication, Computer & Power, pp. 201-204, Feb. 2005.
[9] A. R. Zolghadr-e-asli and S. Izadpanah, “Performance evaluation of several well-known channel coding in OFDM system”, Iranian Journal of Electrical and Computer Engineering, vol.5, no.2, 2006.
[10] Jae-Kwon Lee, Jeong-Sang Park and Jin-Up Kim, “A convolution coding scheme for PAR reduction in WLAN-OFDM system”, IEEE International Conference on Intelligent Pervasive Computing, pp. 98- 100, 2007.
[11] Robin Hoel, “FEC implementation”, Texas Instruments, Design note DN504, 2007.
[12] Dulal Haque, Rubaiyat Yasmin, Shaikh Enayat Ullah and M.A.F.M. Rashidual Hasan, “Performance evaluation of a concatenated interleaved FEC scheme based OFDM system”, Asian Journal of Information Technology, pp. 277-280, 2008.
[13] Ahmed Sghaier, Shawki Areibi and Bob Dony, “A pipelined implementation of OFDM transmission on reconfigurable platforms”, IEEE Canadian conference on Electrical and Computer Engineering, pp. 801-804, May 2008.
[14] S. C. Thompson, A. U. Ahmed, J. G. Proakis, J. R. Zeilder, M. J. Gelie, “Constant envelope OFDM”, IEEE Transactions on Communications, v 56, n 8, p 1300-12, Aug. 2008.
[15] Shraddha Bansal and Raksha Upadhyay, “Performance improvement of Wi-Max IEEE 802.16e in presence of different FEC codes”, IEEE International Conference on Computational Intelligence, Communications System and Networks, pp. 226-229, 2009
[16] S. B Weinstein and P.M. Ebert, “Data Transmission by Frequency Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform”, IEEE Transactions on Communication Technology”, vol. com-19, pp. 628-634, October 1971.