浅谈OFDM-第四代移动通信核心技术综述——无线通信原理.doc

无线通信原理
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浅谈OFDM-第四代移动通信核心技术综述
摘 要：OFDM技术被认为是第4代移动通信的核心技术。本文从OFDM技术的发展，基本原理，关键技术，优缺点等4方面对OFDM技术进行了阐述与分析
关键词： OFDM 同步技术 导频 信道估计
Abstract: OFDM technology is considered to be the core of the fourth generation mobile communication technology. This paper, from the OFDM technology development, the basic principle, key technology, advantages and disadvantages of OFDM 4 technology and analyzed.
Key words: OFDM Synchronous technology pilot frequency Channel estimation

　　1 前言

自有近代通信以来，人们就一直追求通信的自由。无线通信的大众化，如第1代移动通信（1G）、第2代移动通信（2G）部分的满足了人们的这种愿望。但随着互联网和多媒体技术的兴起，人们对移动通信提出了更高的要求。于是第3代移动通信（3G）引弓待发，而第4代移动通信（4G）的理论与实践方面的报道已可谓热烈。近年来，随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换/反变换、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用)作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，在无线宽带接入以及第4代移动通信中，OFDM技术都将成为继CDMA技术之后的又一核心技术。采用多种新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，它不仅可以增加系统容量，更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去。它具有高带宽、高稳定性、低成本、被称为“无线光纤” 的技术发展前景，为解决通信“最后1公里接入”问题提供了一种新的强有力的技术手段。
　　2 OFDM的发展历程

OFDM最早起源于20世纪50年代中期，它由MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）发展而来，在1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利。但在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。原因是OFDM的各个子载波之间相互正交，采用FFT（快速傅里叶变换）实现这种调制设备复杂，发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求高。后来经过大量研究，终于在20世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，OFDM走上了通信的舞台，逐步迈入高速Modem和数字移动通信的领域。20世纪90年代,OFDM已经在广播信道的宽带数据通信，数字音频广播（DAB）、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网（WLAN）以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术（如ADSL）中得到了应用。

　　3 OFDM的基本原理

OFDM技术实际上是MCM的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。
　　OFDM允许各载波间频率互相混叠，并采用了基于载波频率正交的FFT调制。由于在各个载波的中心频点处，没有其它载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。
　　尽管还是频分复用，但OFDM不再通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其它系统的优点之一。OFDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分。其它载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。
　　OFDM的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目，能够提高数据的传送速率。OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性。OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统
4 OFDM的关键技术
　　 4．1 信道估计

　　信道估计在OFDM系统中占有重要地位，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送；二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。
　　在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

4．2 信道编码和交织

　　为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术（交织就是把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大），交织技术能减小信道中错误的相关性。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。
　　在OFDM系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码、空时编码等。空时编码的效果最好。

　　4．3 信道分配

　　为用户分配信道有多种方式，其中最主要是分组信道分配和自适应信道分配。

　　4. 3. 1分组信道

　　最简单的方法是将信道分组分配给每个用户，这样可以使由于失真、各信道能量的不均衡和频偏所造成的用户间的干扰最小。但载波分组会使信号容易衰落。载波跳频可以解决这个问题。分组随机跳频空闲时间较短，约11个字符时间。利用时间交织和前向纠错可以恢复丢失的数据，但是会降低系统容量增加信号时延。

　　4. 3．2 自适应跳频

　　这是一种新的基于信道性能的跳频技术。信道用来传递对它来说具有最佳信噪比的信号。因为每个用户的位置不同，所以信号的衰落模式也不相同，因此每个用户收到的最强信号都不同于其他用户，从而相互之间不会发生冲突。初步研究表明，在频率选择性信道采用自适应跳频可以大幅提高信号接收功率，能够达到5-20dB，令人惊异。事实上，自适应跳频消除了频率选择性衰落。

　　4．4 多天线

　　OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
　　多天线系统非常适用于无线局域网。一般的局域网由于阴影效应，信号无法完全覆盖，需要使用中继器。对于传统系统来说，中继器可能会带来多径干扰，但OFDM不存在这个问题，它的中继器可以加在任何需要的地方，不仅可以完全覆盖网络，并且可以消除多径干扰。

　　4．5 同步技术

　　OFDM中的同步通常包括3方面的内容：
（1）载波同步：接受端的振荡频率要与发送载波同频同相。

（2）样值同步：接受端和发送端的抽样频率一致。

　　（3）符号同步：IFFT和FFT起止时刻一致。
如果载波频率的偏移是子载波间隔的n（n为整数）倍，虽然子载波之间仍能保持正交，但频率采样值已经偏移了n个子载波的位置，造成映射在OFDM频谱内的数据符号的误码率高达0.5。会使子信道之间产生干扰。如果载波频率的偏移不是子载波的整数倍，则会破坏子载波之间的正交性，导致信道间干扰（ICI），使得系统误码率性能恶化。
　　相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引人一定量的信道间干扰（ICI），因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/Ｔ了。
　　由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它正确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差会影响子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制准确的时间进行采样。
　　由于同步是OFDM技术中的一个难点，因此，OFDM同步算法非常关键，当前提出的采用插入导频符号的方法，会导致带宽和功率资源的浪费，降低系统的有效性。而最大似然（ML）方法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，克服导频符号浪费资源的缺点。

　　5 OFDM的优缺点

　　5．1 主要优点

(1) OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

(2) 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。

(3) 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。

(4) OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

(5) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；

　　(6) OFDM系统由于各个子载载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。

　　5．2主要缺点

　　（1OFDM对频偏和相位噪声比较敏感，容易带来衰耗；

　　（2）OFDM的峰值平均功率比较大，会导致射频放大器的功率效率比较低；

　　（3）OFDM自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度，当终端移动速度每小时高于30 km时，自适应跳频就不是很适合了。

　　6 结束语

　　本文阐述了OFDM的基本原理和一些能够增强系统性能的新技术。OFDM系统适用于多业务、高灵活性的通信系统，频谱利用率高，系统稳定性好。OFDM技术被普遍认为是下一代通信系统必不可少的技术。我们应该关注和跟踪OFDM技术的最新发展，适时为我所用。

　　参考文献

赵婧华 OFDM-第四代无线通信的技术核心[J] 电信建设 2002 20(3):61-63

　佟学俭 罗涛 OFDM移动通信技术原理与应用 北京：人民邮电出版社

　卢彬 曹型兵 李丹 移动通信系统中OFDM技术的分析及其应用 数据通信 2003年第3期

　陈显治 现代通信技术 电子工业出版社。

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