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OFDM-第四代移動(dòng)通信核心技術(shù)綜述
論文關(guān)鍵詞： OFDM 同步技術(shù) 導(dǎo)頻 信道估計(jì)
論文摘要：OFDM技術(shù)被認(rèn)為是第4代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。本文從OFDM技術(shù)的發(fā)展，基本原理，關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)缺點(diǎn)等4方面對(duì)OFDM技術(shù)進(jìn)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(dòng)通信（1G）、第2代移動(dòng)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(shù)的興起，人們對(duì)移動(dòng)通信提出了更高的要求。于是第3代移動(dòng)通信（3G）引弓待發(fā)，而第4代移動(dòng)通信（4G）的理論與實(shí)踐方面的報(bào)道已可謂熱烈。近年來，隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，傅立葉變換/反變換、信道自適應(yīng)技術(shù)、插入保護(hù)時(shí)段、減少均衡計(jì)算量等成熟技術(shù)的逐步引入，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交頻分復(fù)用)作為一種可以有效對(duì)抗信號(hào)波形間干擾的高速傳輸技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。人們開始集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用，在無線寬帶接入以及第4代移動(dòng)通信中，OFDM技術(shù)都將成為繼CDMA技術(shù)之后的又一核心技術(shù)。采用多種新技術(shù)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(wù)通過寬頻信道高品質(zhì)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(shù)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(qiáng)有力的技術(shù)手段。
2 OFDM的發(fā)展歷程
OFDM最早起源于20世紀(jì)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(guān)OFDM的專利。但在以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。原因是OFDM的各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT（快速傅里葉變換）實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制設(shè)備復(fù)雜，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(jì)80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實(shí)現(xiàn)的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺(tái)，逐步邁入高速M(fèi)odem和數(shù)字移動(dòng)通信的領(lǐng)域。20世紀(jì)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(duì)稱高比特率數(shù)字用戶線技術(shù)（如ADSL）中得到了應(yīng)用。
3 OFDM的基本原理
OFDM技術(shù)實(shí)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(gè)子信道上進(jìn)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(shí)又提高了頻譜利用率。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號(hào)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(gè)載波的中心頻點(diǎn)處，沒有其它載波的頻譜分量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)載波的正交。
盡管還是頻分復(fù)用，但OFDM不再通過很多帶通濾波器來實(shí)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(diǎn)之一。OFDM的接收機(jī)實(shí)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(gè)碼元周期內(nèi)積分。其它載波由于與所積分的信號(hào)正交，因此不會(huì)對(duì)這個(gè)積分結(jié)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(guān)，增加子載波數(shù)目，能夠提高數(shù)據(jù)的傳送速率。OFDM每個(gè)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(guān)鍵技術(shù)
4．1 信道估計(jì)
信道估計(jì)在OFDM系統(tǒng)中占有重要地位，信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問題：一是導(dǎo)頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對(duì)信道進(jìn)行跟蹤，因此導(dǎo)頻信息也必須不斷的傳送；二是既有較低的復(fù)雜度又有良好的導(dǎo)頻跟蹤能力的信道估計(jì)器的設(shè)計(jì)。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，導(dǎo)頻信息選擇和最佳估計(jì)器的設(shè)計(jì)通常又是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)楣烙?jì)器的性能與導(dǎo)頻信息的傳輸方式有關(guān)。
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(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織技術(shù)（交織就是把碼字的b個(gè)比特分散到n個(gè)幀中，以改變比特間的鄰近關(guān)系，n值越大，傳輸特性越好，但傳輸時(shí)延也越大），交織技術(shù)能減小信道中錯(cuò)誤的相關(guān)性。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)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?yàn)镺FDM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(shí)編碼等。空時(shí)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(yīng)信道分配。
4.3.1 分組信道
最簡(jiǎn)單的方法是將信道分組分配給每個(gè)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(huì)使信號(hào)容易衰落。載波跳頻可以解決這個(gè)問題。分組隨機(jī)跳頻空閑時(shí)間較短，約11個(gè)字符時(shí)間。利用時(shí)間交織和前向糾錯(cuò)可以恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，但是會(huì)降低系統(tǒng)容量增加信號(hào)時(shí)延。
4.3.2 自適應(yīng)跳頻
這是一種新的基于信道性能的跳頻技術(shù)。信道用來傳遞對(duì)它來說具有最佳信噪比的信號(hào)。因?yàn)槊總�(gè)用戶的位置不同，所以信號(hào)的衰落模式也不相同，因此每個(gè)用戶收到的最強(qiáng)信號(hào)都不同于其他用戶，從而相互之間不會(huì)發(fā)生沖突。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應(yīng)跳頻可以大幅提高信號(hào)接收功率，能夠達(dá)到5-20dB，令人驚異。事實(shí)上，自適應(yīng)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(shí)間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)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(luò)（SFN）可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來實(shí)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(yīng)，信號(hào)無法完全覆蓋，需要使用中繼器。對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)來說，中繼器可能會(huì)帶來多徑干擾，但OFDM不存在這個(gè)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(luò)，并且可以消除多徑干擾。
4．5 同步技術(shù)
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(hào)同步：IFFT和FFT起止時(shí)刻一致。
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