第四代移動通信關鍵技術OFDM摘要:隨著移動市場的快速發展，用戶對于移動通信系統的性能提出了更高的要求，本文對第四代移動通信關鍵技術OFDM的性能和不足等進行分析，闡述了OFDM的原理、關鍵技術和應用等。關鍵字：4G移動通信 OFDMThe Key Technology of the Fourth Generation of Mobile CommunicationOFDMAbstract:With the rapid expansion of the mobile market,users put forward higher requirements for the performance of mobile communication system.This paper analyses performance and shortage of the key technique of 4GOFDM.Also,the principle and applications of OFDM is elaborated.Key words:4G mobile communication OFDM一、OFDM產生的背景 第四代移動通信（4G）中系統的速度可以達到1020Mb/s，最高可以達到100Mb/s。能夠實現全球無縫漫游。未來的移動通信業務將從話音發展到數據、圖像、視頻等多媒體業務，因此，對服務質量和傳輸速率的要求越來越高。這對移動通信系統的性能提出了更高的要求。而寬帶在移動通信中是非常稀缺的資源，因此，必須采用先進的技術有效地利用寶貴的頻率資源，以滿足高速率，大容量的業務需求。無線信道由于其信道特性不理想，發射的信號往往是經過多條路到達接收端，即產生多徑效應。從而造成接受信號相互重疊，產生信號符號間相互干擾，致使接收端判斷錯誤，嚴重影響信號的傳輸質量，這種特征為信號傳輸的彌散性。特別是當信號的傳輸速率較高是更是如此。這是因為當信號的周期很短而信號傳輸速率又非常高時，在接收端信號符號重疊的程度將進一步加深，從而信號的干擾就更加嚴重。從另一角度看，當信號符號的傳輸速率較高時，信號帶寬較寬，當信號帶寬接近和超過信道相干帶寬是，信道的時間彌散性將對接受信號造成頻率選擇性衰落。多徑效應造成頻率選擇性衰落引起碼間干擾，使得接收端正確解調困難。嚴重時，單靠增加發射功率提高接收端的信噪比并不能降低誤碼率，而OFDM技術是目前進行無線高速數據傳輸時提高資源利用率、克服多徑效應的最有效的方法。 2、 OFDM的原理 OFDM的英文全稱為OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,中文含義為正交頻分復用技術。OFDM的工作原理簡介，輸入數據心愿的速率為R，經過串并轉換后，分成M個并行的子數據流，每個子數據流的速率為R/M，在每個子數據流中的若干個比特分成一組，每組的數目取決于對應子載波上的調制方式，如PSKQAM等。M個并行的子數據信源編碼交織后進行IFFT變換，將頻域信號轉換到時域，IFFT塊的輸出是N個時域的樣點，在將長為Lp的CP(循環前綴)加到N個樣點前，形成循環擴展的OFDM信元，因此，實際發送的OFDM信元的長度為Lp+N，經過并/串轉換后發射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經過串并轉換后移去CP，如果CP長度大于信號的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數據，去掉CP也就去掉了ISI的影響。上 變 頻D/A變換串/并變換IDFT編碼映射分幀分組串/并變換二進制 OFDM . . . .信號 . . . . 信號 圖1-1 OFDM調制原理方框圖 3、 OFDM的關鍵技術1、 同步 與其它數字通信系統一樣，OFDM系統需要可靠的同步技術，包括定時同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對系統的影響最大。移動無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現無線信號和頻率偏移，這會使OFDM系統子載波間的正交性遭到破壞，使子信道間的信號相互干擾，因此頻率同步是OFDM系統的一個重要問題。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端進行FFT變換前，必須對頻率偏差進行估計和補償。可采用循環前綴方法對頻率進行估計，即通過在時城內吧OFDM符號的后面部分插入到該符號的開始部分，形成循環前綴。利用這一特性，可將信號延遲后與原信號進行相關運算，這樣循環前綴的相關輸出就可以用來估計頻率偏差。2、 信道編碼為了抗無線衰落信道中的隨機錯誤和突發錯誤，通常采用信道編碼和交織技術。OFDM系統本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性已被OFDM調整方式所利用，可以在子載波間進行編碼，形成編碼的OFDM(COFDM),OFDM技術和信道編碼、頻率時間交織結合起來，提高系統的性能，其編碼可以采用各種碼（如分組碼和卷積碼）。3、 訓練序列/導頻及信道估計技術接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統的復雜度和導頻的數量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統中，導頻信號是時頻二維的，為了提高估計的精度和系統復雜度的折衰。導頻信號之間的間隔取決于相干時間和相干帶寬，在時域上，導頻間隔應小于相干時間。在頻域上，導頻間隔應小于相干帶寬。實際應用中，導頻的模式的設計要根據具體情況而定。4、 峰值功率 由于OFDM信號在時域上位N個正交子載波信號的疊加，當著N個信號恰好都以峰值出現并將相加時，OFDM信號也產生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。這樣，為了不失真地傳輸這些高峰均值比的OFDM信號，對發送端和接收端的功率放大器和A/D變換器的線性度要求較高，且發送功率較低。解決方法一般有下述三種途徑：（1）信號失真技術采用峰值修剪技術和峰值窗口去除技術，使峰值振幅值簡單地非線性去除；（2）采用編碼方法將峰值功率控制和信道編碼結合起來，愿用合適的編碼和解碼方法，以避免出現較大的峰值信號；（3）采用擾碼技術，對所產生OFDM信號的相位重新設置，使互相關性為0，這樣可以減少OFDM的PAPR。這里所采用的典型方法為PTS（PartialTransmitSequence）和SLM(SelectiveMapping)。四、性能分析1、OFDM的主要優點 （1）OFDM技術的最大優點是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統中，單個衰落或干擾能夠導致整個通信聯絡失敗，但是在多載波系統中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯。 （2）通過各子載波的聯合編碼，可具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就可以通過將各個信道聯合編碼，則可以使系統性能得到提高。 （3）可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多經環境和衰落信道中的高速數據傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統總的誤碼率性能要好得多。 （4）高的頻譜利用率，這點在目前頻譜資源稀缺的無線環境中非常重要。當子載波個數很大時，系統的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。 （5）在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據。OFDM技術能同時分開至少1000個數字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術的進一步發展壯大的態勢，正式由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎。 （6）基于DFT的OFDM有快速算法，而且算法的復雜度可以由DSP的發展來彌補。 （7）簡化了均衡器設計，或者根本不需要均衡器，且數據傳速率可調。 （8）OFDM還采用了功率控制和自適應調制相協調的工作方式。信道好的時候，發射功率不變，可以增強調制方式（如64QAM），或者在低調制方式（如QPSK）時降低發射功率。功率控制與自適應調制要取得平衡。也就是說對于一個發射臺，去過他有良好的信道，在發射功率保持不變的情況下，可使用較高的調制方案去64QAM；如果功率減小，調制方案也就可以相應降低，使用QPSK方式等。正是因為OFDM具有如此顯著的優點，OFDM可以應用于速率高于10Mb/s的寬帶無線接入系統。然而在寬帶無線接入領域一些公司開發的技術雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術。如VectorOFDM(VOFDM),WidebandOFDM(WOFDM),flashOFDM等。2、 OFDM的不足 （1）對頻率偏移、定時和相位噪聲比較敏感，容易帶來衰耗。傳輸的非線性會造成互調失真（IMD），此時信號具有較高的噪聲電平，信噪比一般不會太高，失步和多普勒平移所造成的頻率偏移是信道間失去正交特性，僅僅1%的頻偏就會造成信噪比下降30db。所以精確定時和減少頻偏對OFDM尤為重要。如果做不到這點，OFDM的正交性將無法保證，必須引起各子載波之間的相互干擾和ISI。 （2）峰值與平均值比較相對大，這個比值增大和降低射頻放大器的功率效率。而且由于輸出信號的峰均比（PAR）高，正交頻分復用信號輸出信號有較大的動態范圍，所以對放大器的線性要求較高。 （3）OFDM自適應跳頻技術會相應增加發射機和接收機的復雜度。多徑信道中，速率為1Gb/s的信號的頻響特性每15cm就會發生很大的變化，因此信號的頻率刷新速度要比15cm的移動速率快很多，一般情況下終端每移動5cm刷新一次就足夠了。比如終端以每小時60Km的速度移動，刷新速率就是大約330次/s。當終端移動速率每小時高于30Km時，自適應跳頻就不是很適合了。當信道變化太快，跳頻速度跟不上時，用隨機跳頻代替自適應跳頻。 （4）引入的保護間隔降低了信道利用率。添加循環前綴技術利用的是離散線性系統原理中的一個概念。我們知道，在連續時間域，兩個時域信號的卷積就等于這兩個信號頻域形式的乘積。但是，在這離散時域的情況下一般是不成立的，除非使用無限大的樣值點N或者知道一個卷積信號時周期性的（在該情況下，信號可以被圓周卷積）。因為只能使用有效的樣值點N，所以只能利用循環前綴使OFDM信息碼在我們感興趣的時間區內呈現周期性。循環前綴的另外一個好處是可以消除碼間干擾。我們要求循環前綴的值比信道內存更大一些。多徑信號引起先發信息碼字的滯后到達而影響當前信息碼字，從而產生碼間干擾。但是，事實上，碼間干擾僅僅會干擾當前新號碼的循環前綴。因此，使用適當大小的循環前綴就能夠使OFDM技術消除碼間干擾。眾所周知，可靠性的提高勢必會帶來有效性的降低。所以保護間隔就形成了OFDM的另外一個缺點信道利用率低。 （5）對系統中的非線性問題敏感。在基于DFT的OFDM系統中，所有調制器的輸出都自動的聯合加在一起，然后這個合并后的信號被放大。使得基于DFT的OFDM系統對放大器的非線性敏感，因為合并后的信號具有類似于高斯噪聲的幅度特性。這在OFDM系統中將引起相鄰信道之間的干擾，破壞其正交性。5、 OFDM的主要技術難點OFDM技術的主要技術難點是系統中的頻率和事件同步，基于導頻符號輔助的信道估計，峰平比問題和多普勒頻偏的影響以及基于OFDM、多載波技術的新一代蜂窩移動通信系統的多址方案的研究。6、 OFDM的應用1.高清晰度數字電視廣播 OFDM在數字廣播電視系統中取得了廣泛的應用，其中數字音頻廣播（DAB）標準是一個正式使用OFDM的標準。另外，當前國際上全數字高清晰度電視傳輸系統中采用的調制技術就包括OFDM技術，歐洲HDTV傳輸系統已經采用COFDM(codedOFDM:編碼OFDM)技術。它具有很高的頻譜利用率，可以進一步提高抗干擾能力，滿足電視系統的傳輸要求。選擇OFDM作為數字音頻廣播和數字視頻廣播（DVB）的主要原因在于：OFDM技術可以有效地解決多徑時延擴展問題。 因此不難看出，OFDM技術良好的性能使得它在很多領域得到了廣泛的應用。歐洲的DAB系統使用的OFDM調制技術其試驗系統已在運行，很快吸引了大量聽眾。它明顯的改善了移動中接受無線廣播的效果，用于DAB的成套芯片的開發工作正在一項歐洲發展項目中進行，它將使OFDM接收機的價格大大降低，其市場前景非常好看。2.無線局域網 HiperLNA/2物理層應用了OFDM和鏈路自適應技術，媒體接入控制（MAC）層采用面向連接、集中資源控制的TDMA/TDD方式和無線ATM技術，最高速率達54Mbps，實際應用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE802.11無線局域網工作于ISM免許可證頻段，分別在5.8GHz和2.4GHz兩個頻段定義了采用OFDM技術的IEEE802.11a和IEEE802.11g標準，其最高數據傳輸速率提高到54Mbps。 技術的不斷發展，引發了融合。一些4G及3.5G的關鍵技術，如OFDM技術、MIMO技術、智能天線和軟件無線電等，開始應用到無線區域網中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM調制技術，提高了傳輸速率，增加了網絡吞吐量。802.11n計劃采用MIMO與OFDM相結合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術及傳輸技術，使得無線局域網的傳輸距離大大增加，可以達到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速率）。 而對今后要開展的在無線局域網中的多媒體業務來說，最高為54Mbps的數據傳輸速率還遠遠不夠。為了進一步提升無線局域網的數據傳輸速率，實現有線與無線局域網的無縫結合，IEEE成立了IEEE802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網標準。IEEE802.11n計劃將WLAN的傳輸速率從802.1a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達320Mbps,成為802.11b/a/g之后的另一場重頭戲。和以往的802.11標準不同，802.11n協議為雙頻工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz兩個工作頻段）。這樣802.11n保證了與以往的802.11a/b/g標準兼容。3.寬帶無線接入 OFDM技術適用于無線環境下的高速傳輸，不僅應用于無線局域網，還在寬帶無線接入（BAW）中得到應用。IEEE802.16工作組專門負責BWA方面的技術工作，它已經開發了一個2GHz11GHzBWA的標準IEEE802.16a，物理層就采用了OFDM技術。該標準不僅是新一代的無線接入技術，而且對未來蜂窩移動通信的發展也具有重要的意義。在BWA領域，一些公司開發的技術雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術，如Cisco和I