第四代移動通信的核心技術—OFDM

摘要：正交頻分復用（OFDM）是一種新型調制技術，特別適合在多徑傳播的無線移動信道中高速傳輸數據。本文簡要介紹了OFDM的發展背景以及OFDM的基本原理，最后概述了 OFDM系統的優點以及不足之處。

關鍵詞：正交頻分復用 基本原理 優點 缺點

1、引言

第四代移動通信系統計劃以OFDM（正交頻分復用）為核心技術提供增值服務，它在寬帶領域的應用具有很大的潛力。較之第三代移動通信系統，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，它不僅僅可以增加系統容量，更重要的是它能更好地滿足多媒體通信的要求，將包括語音、數據、影像等大量信息的多媒體業務通過寬頻信道高品質地傳送出去。下一代（4G）移動通信系統預計系統速率可達到20Mbps，甚至更高，國際電信聯盟正在著手有關標準的組織工作。為了實現這一目標，必須從通信網絡的交換、傳輸和接入等各個環節進行研究和突破，尤其是在移動環境和有限頻譜資源條件下，如何穩定可靠高效地支持高速率的數據傳輸值得研究[1]。正交頻分復用（OFDM）技術因其網絡結構高度可擴展，且有良好的抗噪聲性能和抗多徑信道干擾的能力以及頻譜利用率高而被普遍認為是下一代移動通信系統必不可少的技術。

2、OFDM技術基本原理

2.1 OFDM的基本原理

OFDM （正交頻分復用）技術實際上是MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調制）的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上信號的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易[3]。圖1顯示了OFDM信道的整個頻譜。可以看到OFDM的多個載波頻譜是有重疊的，但它們彼此間保持正交特性。相鄰各子載波的頻譜間隔可以達到很小的程度。因此，頻譜利用率比串行系統提高一倍，從理論上講，其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是互重疊的，所以不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。OFDM單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流，每個碼流用一條載波發送。如果說在信號頻帶中出現的深凹陷會嚴重損壞單載波系統的性能，那么對OFDM這樣的多載波系統，只有落在頻帶凹陷處的子信道及其攜帶的信息受到影響，其它的子信道未受損害，因此系統總的誤碼性能要好得多。由于OFDM技術本身已利用了頻率分集，再通過將各個信道聯合編碼，則可使系統性能得到進一步提高。由于信道的多徑效應，使得OFDM信號的各個子信道在接收端不再正交，產生了符號間干擾（ISI）和載波間干擾（ICI）。解決方法是在OFDM符號中加入時間保護間隔（GI），使得符合間干擾全部落入該保護間隔之內，接收端只要將GI去掉，就可以全部或部分消除ISI的影響。另外，OFDM之所以備受關注，一個重要的原因是它可以利用離散傅立葉變換/離散傅立葉反變換（DFT/IDFT）代替多載波調制和解調，從而降低系統實現的復雜度和開發成本，有利于實現系統基帶信號處理部分的全數字化。

2.2 OFDM系統的仿真我們在通過MATLAB語言進行OFDM系統仿真時，是將OFDM系統分為發送和接收兩大部分來進行的，然后再通過信道模型將這兩部分連接起來。

3、OFDM技術的優缺點

3.1 OFDM技術的優點

OFDM技術之所以代替CDMA，成為新一代無線通信核心技術的趨勢，是因為它具有如下的優點[2]：

（1）頻譜效率高

由于FFT處理使各子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限。以OFDM為基礎的多址技術OFDMA（正交頻分多址可以實現小區內各用戶之間的正交性，從而有效地避免了用戶間干擾。這使OFDM系統可以實現很高的小區容量。

（2）帶寬擴展性強

由于OFDM系統的信號帶寬取決于使用的子載波的數量，因此OFDM系統具有很好的帶寬擴展性。小到幾百kHz，大到幾百MHz，都很容易實現。尤其是隨著移動通信寬帶化（將由5MHz增加到最大20MHz），OFDM系統對大帶寬的有效支持，成為其相對于單載波技術 （如CDMA）的“決定性優勢”。

（3）抗多徑衰落

由于OFDM將寬帶傳輸轉化為很多子載波上的窄帶傳輸，每個子載波上的信道可以看作水平衰落信道，從而大大降低了接收機均衡器的復雜度。相反，單載波信號的多徑均衡的復雜度隨著帶寬的增大而急劇增加，很難支持較大的帶寬（如20MHz）。

（4）頻譜資源靈活分配

OFDM系統可以通過靈活的選擇適合的子載波進行傳輸，來實現動態的頻域資源分配，從而充分利用頻率分集和多用戶分集，以獲得最佳的系統性能。

3.2 OFDM技術的不足

雖然基于上述優點，OFDM已成為新一代無線通信最有競爭力的技術，但這種技術也存在一些內在的局限和設計中必須注意的問題[4]：

（1）對頻偏和相位噪聲很敏感。由于發端和收端的上、下行轉換器和調諧震蕩器會帶來的相位噪聲抖動，頻偏以及相位噪聲會使子載波間的正交特性遭到破壞，僅1%的頻偏就能使信噪比（SNR）下降30 dB。

（2）OFDM所采用的自適應調制技術以及負載算法會增加發射機和接收機的復雜度，并且當終端移動時速高于30km時，信道變化加快，刷新頻率增加，用于跳頻的比特開銷也相應增加，此時，自適應調制會變得比較不適合，同時也會降低系統效率。

參考文獻：

[1]趙婧華，酆廣增. OFDM—第四代無線通信的技術核心[J]. 電信建設， 2002， （3）： 61～63.

[2] OFDM的制勝因素在何處. http： //www. c114.net/wimax/331/a201862.html.