OFDM-第四代移動通信核心技術綜述

　　論文關鍵詞： OFDM  同步技術  導頻  信道估計
　　論文摘要：OFDM技術被認為是第4代移動通信的核心技術。本文從OFDM技術的發(fā)展，基本原理，關鍵技術，優(yōu)缺點等4方面對OFDM技術進行了闡述與分析。
　　1 前言
　　自有近代通信以來，人們就一直追求通信的自由。無線通信的大眾化，如第1代移動通信（1G）、第2代移動通信（2G）部分的滿足了人們的這種愿望。但隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術的興起，人們對移動通信提出了更高的要求。于是第3代移動通信（3G）引弓待發(fā)，而第4代移動通信（4G）的理論與實踐方面的報道已可謂熱烈。近年來，隨著DSP芯片技術的發(fā)展，傅立葉變換/反變換、信道自適應技術、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術的逐步引入，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交頻分復用)作為一種可以有效對抗信號波形間干擾的高速傳輸技術，引起了廣泛關注。人們開始集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術在移動通信領域的應用，在無線寬帶接入以及第4代移動通信中，OFDM技術都將成為繼CDMA技術之后的又一核心技術。采用多種新技術的OFDM具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，它不僅可以增加系統(tǒng)容量，更重要的是它能更好地滿足多媒體通信要求，將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等大量信息的多媒體業(yè)務通過寬頻信道高品質地傳送出去。它具有高帶寬、高穩(wěn)定性、低成本、被稱為“無線光纖” 的技術發(fā)展前景，為解決通信“最后1公里接入”問題提供了一種新的強有力的技術手段。
　　2 OFDM的發(fā)展歷程
　　OFDM最早起源于20世紀50年代中期，它由MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制）發(fā)展而來，在1970年1月首次公開發(fā)表了有關OFDM的專利。但在以后相當長的一段時間，OFDM理論邁向實踐的腳步放緩了。原因是OFDM的各個子載波之間相互正交，采用FFT（快速傅里葉變換）實現(xiàn)這種調(diào)制設備復雜，發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求高。后來經(jīng)過大量研究，終于在20世紀80年代，MCM獲得了突破性進展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術的實現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現(xiàn)的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁入高速Modem和數(shù)字移動通信的領域。20世紀90年代,OFDM已經(jīng)在廣播信道的寬帶數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和無線局域網(wǎng)（WLAN）以及有線電話網(wǎng)上基于現(xiàn)有銅雙絞線的非對稱高比特率數(shù)字用戶線技術（如ADSL）中得到了應用。
　　3 OFDM的基本原理
　　OFDM技術實際上是MCM的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。 
　　OFDM允許各載波間頻率互相混疊，并采用了基于載波頻率正交的FFT調(diào)制。由于在各個載波的中心頻點處，沒有其它載波的頻譜分量，所以能夠實現(xiàn)各個載波的正交。 
　　盡管還是頻分復用，但OFDM不再通過很多帶通濾波器來實現(xiàn)，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其它系統(tǒng)的優(yōu)點之一。OFDM的接收機實際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內(nèi)積分。其它載波由于與所積分的信號正交，因此不會對這個積分結果產(chǎn)生影響。 
　　OFDM的高數(shù)據(jù)速率與子載波的數(shù)量有關，增加子載波數(shù)目，能夠提高數(shù)據(jù)的傳送速率。OFDM每個頻帶的調(diào)制方法可以不同，這增加了系統(tǒng)的靈活性。OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統(tǒng)。
　　4 OFDM的關鍵技術
　　4．1 信道估計
　　信道估計在OFDM系統(tǒng)中占有重要地位，信道估計器的設計主要有兩個問題：一是導頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導頻信息也必須不斷的傳送；二是既有較低的復雜度又有良好的導頻跟蹤能力的信道估計器的設計。

　　在實際設計中，導頻信息選擇和最佳估計器的設計通常又是相互關聯(lián)的，因為估計器的性能與導頻信息的傳輸方式有關。
　　4．2 信道編碼和交織
　　為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發(fā)錯誤，可以采用交織技術（交織就是把碼字的b個比特分散到n個幀中，以改變比特間的鄰近關系，n值越大，傳輸特性越好，但傳輸時延也越大），交織技術能減小信道中錯誤的相關性。實際應用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統(tǒng)的性能。
　　在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太深，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因為OFDM系統(tǒng)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經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用。編碼可以采用各種碼，如分組碼、卷積碼、空時編碼等�？諘r編碼的效果最好。
　　4．3 信道分配
　　為用戶分配信道有多種方式，其中最主要是分組信道分配和自適應信道分配。
　　4.3.1 分組信道
　　最簡單的方法是將信道分組分配給每個用戶，這樣可以使由于失真、各信道能量的不均衡和頻偏所造成的用戶間的干擾最小。但載波分組會使信號容易衰落。載波跳頻可以解決這個問題。分組隨機跳頻空閑時間較短，約11個字符時間。利用時間交織和前向糾錯可以恢復丟失的數(shù)據(jù)，但是會降低系統(tǒng)容量增加信號時延。
　　4.3.2 自適應跳頻
　　這是一種新的基于信道性能的跳頻技術。信道用來傳遞對它來說具有最佳信噪比的信號。因為每個用戶的位置不同，所以信號的衰落模式也不相同，因此每個用戶收到的最強信號都不同于其他用戶，從而相互之間不會發(fā)生沖突。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應跳頻可以大幅提高信號接收功率，能夠達到5-20dB，令人驚異。事實上，自適應跳頻消除了頻率選擇性衰落。
　　4．4 多天線
　　OFDM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡（SFN）可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機組成的發(fā)射機陣列消除陰影效應，來實現(xiàn)完全覆蓋。
　　多天線系統(tǒng)非常適用于無線局域網(wǎng)。一般的局域網(wǎng)由于陰影效應，信號無法完全覆蓋，需要使用中繼器。對于傳統(tǒng)系統(tǒng)來說，中繼器可能會帶來多徑干擾，但OFDM不存在這個問題，它的中繼器可以加在任何需要的地方，不僅可以完全覆蓋網(wǎng)絡，并且可以消除多徑干擾。
　　4．5 同步技術
　　OFDM中的同步通常包括3方面的內(nèi)容：
　　（1）載波同步：接受端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相。
　　（2）樣值同步：接受端和發(fā)送端的抽樣頻率一致。
　�。�3）符號同步：IFFT和FFT起止時刻一致。

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