北海道大学 情報科学研究科 メディアネットワーク専攻 Graduate School of Infomation Science and Technology Division of Media and Network Technologies

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OFDM

通常、無線通信は搬送波 (キャリア) と呼ばれる高い周波数を持つ電波に情報信号を乗せて伝送します。これを変調と呼びます。広い周波数帯域を用いるブロードバンド伝送における変調方式は、大きくシングルキャリア変調方式とマルチキャリア変調方式の二つに分けることができます。シングルキャリア変調方式は単一のキャリアによって伝送する方式で、マルチキャリア変調方式は異なる周波数を持つ複数のキャリアを用意して、それぞれのキャリアに異なる情報を変調して伝送する方式です。マルチキャリア伝送方式では、異なる周波数を持つキャリアに複数のデータを変調し、それぞれのキャリアを合成 (多重化) して伝送を行うため周波数分割多重 (Frequency Division Multiplexing: FDM) 方式とも呼ばれています。

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 直交周波数分割多重) 方式とは、周波数利用効率を高めるため、FDM方式のそれぞれのキャリア (サブキャリア) に直交性を持たせ、サブキャリア間隔を狭める方式です。下図に示したように、FDM方式では隣接するサブキャリア同士の干渉を防ぐため、ガードバンドと呼ばれる伝送に用いない空白の帯域が必要となります。しかし、OFDM方式では各サブキャリアを互いに直交させるため、図のようにサブキャリア同士が一部重なり合いながらも、干渉することなく情報伝送することが可能となります。その結果、伝送周波数帯を効率的に使うことができます。

屋内や市街地において無線通信を行う場合は、建物などによる反射のため遅延波が生じ、複数の伝搬路 (マルチパス) が存在することになります。従来、マルチパスは無線通信の特性を劣化させる要因とされてきました。一方、 マルチキャリア伝送における各サブキャリアは、そのような遅延波への耐性が強い狭帯域信号とみなすことができます。このため、OFDMに代表されるマルチキャリア伝送は、無線通信において問題とされてきた遅延波の影響を軽減できるという利点があります。このような特長を持つOFDM方式は、既に無線LANや地上波ディジタル放送などで使用されています。

In wireless communications, a high-frequency radio wave referred to as a "carrier wave" is used for carrying data signals. To place signals on the carrier wave is called "modulation." In broadband transmission, modulation is roughly classified into two methods: single-carrier modulation and multi-carrier modulation. The former is transmission with a single carrier wave, and the latter uses multiple carriers (subcarriers) with different frequencies, where different signals are modulated via different carriers. Multi-carrier modulation is also referred to as "frequency division multiplexing (FDM)" because signals are transmitted after combining (multiplexing) all the modulated multi-carrier signals.

Orthogonal frequency division multiplexing, or OFDM, is an effective modulation technique which narrows subcarrier spacing to improve spectral efficiency by giving subcarriers an orthogonal relationship to each other. As shown in the figure below, in conventional FDM we require guard bands which are used, not to transmit signals but, to avoid interference between adjacent subcarriers. On the other hand, in OFDM we have orthogonal subcarriers, so that they enable us to transmit signals without interference, which partially overlap each other as illustrated below. As a result, we can efficiently use the given frequency band.

In indoor or urban wireless communications, reflection from buildings, walls, etc., causes delay paths, which result in multipath channels. So far, multipath has been thought of as a factor of drop in transmission performance. On the other hand, each subcarrier in multi-carrier modulation can be regarded as a narrowband carrier wave which is robust to multipath. Multi-carrier modulation as typified by OFDM, therefore, has a benefit that it can reduce the adverse effect of multipath which has been thought of as an issue in wireless communications. The OFDM technique having these features is already used in a variety of fields such as wireless LAN, digital terrestrial broadcasting, etc.