OFDM 技術在4G移動通信系統中的應用

劉巧平,董軍堂

（延安大學物電學院通信工程專業，陜西延安,716000）

0 引言

隨著移動通信技術的不斷發展和逐漸成熟，人們渴望得到越來越高的數據傳輸速率，擁有更大的信道容量和帶寬，來滿足不同業務不同移動終端的需求。于是第四代移動通信系統(4G)的研究應運而生。4G移動通信系統采用了智能天線技術，正交頻分復用（OFDM）技術，軟件無線電（SDR）技術，MIMO技術，多用戶檢測技術，IPv6技術等。其中正交頻分復用技術 (OFDM) 是一種多載波數字調制技術，該技術具備很高的頻譜利用率，能夠有效地對抗頻率選擇性衰落，對抗多徑效應，消除符號間干擾。在移動通信系統中OFDM技術發揮著至關重要的作用，日后，該技術必定會成為4G移動通信系統的核心技術之一。

1 OFDM技術的基本原理

正 交 頻 分 復 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術是一種無線信道高速數據傳輸技術，既屬于多載波技術同時也屬于復用技術。傳輸環境較差的情況下往往會用到OFDM技術，原因在于該技術具備有效的抵抗多種干擾的作用，即便是處于被外界信號干擾的環境下OFDM技術也可發揮其作用。圖1是OFDM系統框圖。

圖1 OFDM系統框圖

2 OFDM技術的優勢

2.1 抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強

這是OFDM系統最大的優點。OFDM技術把高速率數據流分解成多路低速率的子數據流,使調制符號的有效持續時間遠大于信道的最大時延擴展,減少了系統對信道時延擴展的敏感程度,能在較大失真和突發脈沖干擾環境下對傳輸的數字信號提供有效的保護,大大減小了 ISI。同時通過添加循環前綴,可以很好地克服多徑效應引進的ICI ,保持子載波之間的正交性。

2.2 頻譜利用率高

與常規的頻分復用系統相比，OFDM系統更具優勢，該系統能夠最大限度的利用頻譜資源，主要在于各個子載波之間存有正交性，而OFDM系統可以使子載波的頻譜相互重疊。而當子載波數目達到很大時，系統的頻譜利用率會趨向于2Baud/ Hz。在頻譜資源有限的無線環境中OFDM系統具備的這一優勢極為重要。

2.3 調制解調實現容易

通過離散傅里葉變換和離散傅里葉反變換可以分別實現各個子信道的正交調制和解調，此外，還能夠采用快速傅里葉變換（FFT）和快速傅里葉反變換（IFFT）處理子載波數很多時出現的情況，進而實現調制解調。目前，IFFT 和FFT隨著DSP技術和大規模集成電路技術的發展都是非常容易實現的，如圖1所示。

2.4 OFDM系統支持非對稱業務

無線數據業務中下行鏈路中的數據傳輸量要大于上行鏈路中的數據傳輸量，它一般存在著非對稱性，而通過使用不同數量的子信道，OFDM系統便可以實現無線業務中上行和下行鏈路中的不同傳輸速率，因此物理層需要支持非對稱高速率數據傳輸，進而確保了物理層支持非對稱的高速率數據傳輸。

2.5 OFDM技術易與和其它多址方式結合使用

OFDM系統能與其它多種多址方式相結合使用，其中包括調頻OFDM以及OFDM - TDMA，MIMO-OFDM、多載波碼分多址MC -CDMA等，多個用戶能夠同時采用OFDM技術實現信息傳輸，使通信質量得以提高。

2.6 適合高速數據傳輸

OFDM自適應調制機制使不同的子載波可以按照信道和噪音背景的不同自行選用適合的調制方式。當信道條件好的時候，可以采用較高階的如64QAM調制以獲得最大頻譜效率。當信道條件差的時候，為確保信噪比可選擇抗干擾能力強的QPSK(四相移相鍵控)調制等低階調制。這樣，系統就可以在頻譜利用率和誤碼率之間取得最佳平衡。再有，OFDM 加載算法的采用，使系統可以把更多的數據集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。因此，OFDM 技術非常適合高速數據傳輸。

3 OFDM技術需要克服的缺陷

3.1 該系統對相位噪聲和頻率偏移很敏感

各個子載波之間的正交性皆因OFDM系統受到了格外嚴格的要求，該系統的主要缺點是對頻率偏差很敏感。OFDM系統子載波之間的正交性都會因為無線傳輸信道存在的時變性遭到破壞，除此之外，也會因為發射機載波頻率與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差受到破壞，進而使得子信道之間的信號相互受到干擾。

此外，在接收端進行FFT變換之前，必須估計并補償頻率偏差，從而確保子載波之間的正交性順利的維持下去。對于頻率的估計可以選擇循環前綴的方法，利用這一特性，可將信號延遲后與原信號進行相關運算。

3.2 存在較高的峰值平均功率比

由于OFDM系統的輸出是多個子信道信號的疊加,當多個信號同相時,所得疊加信號的瞬時功率就會遠遠超過信號的平均功率，導致出現較大的峰值平均功率比（PAPR-Peak to Average Power Ratio)。目前降低OFDM信號PAPR的算法總體上可分為三類:信號預畸變算法（主要有壓縮變換算法和限幅類算法）、編碼類算法和概率類算法(主要包括選擇映射法SLM、部分傳輸序列算法PTS等)。

4 OFDM 技術在4G移動通信系統中的應用

第4代移動通信系統 (4th Generation,4G)技術已成為目前移動通信領域的研究熱點。與3G相比，4G更接近于個人通信，在技術上比3G更完善，4G將提供更高速、高容量、低網絡建設成本和基于全IP的核心網平臺。

目前，業界對4G移動通信技術的共識主要有以下幾點：

具有很高的數據傳輸速率。最低數據傳輸速率為2Mb/s，最高可達100Mb/s。

2）實現真正的無縫漫游。4G移動通信系統實現全球統一的標準，能實現與各種網絡、通信主機以及各類媒體之間進行“無縫連接”。

3）高度智能化的網絡。4G網絡將能夠使用智能技術,自適應、動態地進行資源分配,以處理不斷變化的業務及容量和適應不同的信道環境.在操作上和技術上有很強的智能性、適應性和靈活性。

4）良好的覆蓋性能。4G系統應具有更廣闊的的覆蓋能力，并能提供高速可變速率傳輸。

5）實現不同QoS 的業務。4G通信系統通過動態帶寬分配和調節發射功率來提供各種不同質量不同類型的業務,使用戶在任何地方都可以獲得所需的信息服務，將信息系統、廣播和娛樂、個人通信等行業結合成一個整體，更加安全、快捷地向用戶提供更豐富的服務與應用。

6）基于IP的網絡。4G通信系統將會采用先進的IPv6技術，IPv6采用128位地址長度, 能夠為所有網絡設備提供一個全球唯一的地址并將能在IP網絡上實現話音和多媒體業務。

為了達到4G的目標，我們需要對其各個環節進行突破，其中包括網絡的交換、數據的傳輸以及接入等，尤其是在頻譜資源有限以及無線移動環境的條件下，大家的關注點都聚集在如何高效、穩定、可靠地進行高速率的數據傳輸。因此數據傳輸速率受到限制，難以得到提高。假如數據傳輸速率高于信道的相關帶寬，信號將產生嚴重失真，信號傳輸質量將大幅度下降，所以普遍存在符號間干擾ISI。

4G系統中的關鍵技術之一便是正交頻分復用技術，它可在有效進行數據傳輸速率提高的同時，避免高速引起的各種干擾（包括ISI）,并具OFDM技術具有良好的抗噪聲性能、對抗頻率選擇性衰落和頻譜利用率高等優點。特別是在容易被外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸環境中采用OFDM傳輸可獲得良好的性能。這點對4G移動通信系統尤為重要。

5 結束語

正是由于OFDM技術具備很高的頻譜利用率，能夠有效地對抗頻率選擇性衰落，對抗多徑效應，消除符號間干擾。這才使它符合4G對于在無線條件下穩定可靠的實現高速率數據傳輸的要求，使它成為4G的核心技術。OFDM技術的應用潛力是巨大的，但還有許多問題需要解決，只有OFDM進行深入的研究，很好的克服其自身的缺陷，才能使OFDM技術在4G移動通信等諸多領域發揮更大的作用。

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