基于TD—LTE的OFDM系統設計與仿真

任君玉

【摘要】 OFDM是LTE的最核心的技術，OFDM在有效提高數據傳輸速率的同時很好的解決了ISI問題，通過引入CP很好的解決了ICI問題。文章對OFDM系統的實現進行了仿真，對比了不同CP長度時的系統性能。

【關鍵詞】 LTE OFDM ISI 循環前綴 ICI

隨著“移動通信寬帶化”的發展趨勢，移動互聯網用戶數量及業務正在以迅猛的勢頭增長，人們對于移動通信高速數據傳輸的要求日益增長，而頻率資源有限，移動通信不得不斷尋求新的技術，獲得高的數據率及達到更高的帶寬效率及容量。LTE作為3G的長期演進，由于采用了核心的OFDM配合MIMO等關鍵技術，達到了20M下行鏈路上lOOMbps的峰值數據傳輸速率，頻譜利用率最高達到了5b/Hz，OFDM對于LTE起到了舉足輕重的作用。

一、OFDM致力于解決帶寬需求及帶寬效率

OFDM與FDM都屬于多載波傳輸技術，采用多載波傳輸的主要目標就是解決帶寬效率問題。

由香農公式，C=Blog₂（1+S/N），如果帶寬一定，假設需要提高通信容量C至10倍，則由公式后面的對數關系得到S/N需要提高約1000倍，即在系統噪聲不變的情況下，需要提高發射信號功率到原先的1000倍。加大發射功率，除了會增加移動臺的發射功耗，降低待機時間，妨礙應用，還會帶來手機體積的增大，不滿足移動便攜性的要求；另外，過高的發射功率在電磁波的2G時代的低頻段對人體不會有太大影響，但是如果像如今的3G、3.9G、4G，以至Wi-Fi，WiMAX，在微波這樣的高頻段的大的發射功率會對人體造成傷害，所以，這也是為什么在這些頻段的通信都被嚴格限制發射功率的原因。

因此，如何有效的解決目前頻譜資源的有限與日益增長的高數據率的矛盾，必須采用其他的辦法，由上述香農公式，如果保持發射功率，即S/N不變，提高B，也可以獲得C的提高。OFDM就是采用了這種思路，通過采用更高的帶寬，設定為最高20M，是WCDMA帶寬SM的4倍，思路是很簡單，但是實現起來并非如此簡單，因為在移動通信中，存在由于多徑傳播帶來的ISI（碼間干擾）問題，表現為當信號的帶寬大于信道的相關帶寬時，將產生脈沖波形的重疊即ISI，會嚴重影響系統的誤碼率，因此OFDM在采用了更高帶寬的同時，通過將整個系統帶寬進行分割到若干個子信道，將高速的數據流通過串并變換變為若干低速的子數據流，然后在每一路子信道將其調制到各路子載波上去傳輸。通過這樣的方法即解決了高速數據率的需求，又很好的解決了ISI，通過設定保護時間間隔GI去確保無ISI的同時，又通過在GI時間內發送循環前綴CP，解決了子載波間的干擾ICI。

OFDM具體實現時的關鍵模塊就是IDFT的IFFT算法，通過快速的基2運算，相當于快速的產生各路正交子載波，所以OFDM技術在移動通信中的成功應用得益于數字信號處理技術的發展。

實際系統實現中，OFDM核心模塊需要配合信道糾錯碼及交織技術以獲得系統性能的提高，另外在頻譜效率要求更高時往往采用更高階的數字調制技術，進行符號映射，以使每個符號攜帶更多的數據比特數，比如在LTE中最高用到了64QAM的高階調制技術，當然OFDM中每一路載波可以靈活的采用不同的調制技術，這個需要系統在效率與誤碼率之問進行折中。而且OFDM非常適合不對稱業務的通信，可以通過子載波數目的靈活分配進行適配不同業務的要求。

根據以上所述，得到OFDM的系統原理框圖1。

二、MATLAB中OFDM主要模塊的實現方法

（1）輸入數據的產生

通過使用隨機數產生器產生二進制數據，每次產生的數據個數=子載波數×每個子載波含符號數×每個符號含的比特數。

（2）信道編碼及交織

在LTE中一般采用卷積碼或Turbo碼作為糾錯編碼，配合交織技術，可以較好的解決部分子信道可能存在的衰落問題，提高系統整體性能。

（3）數字調制

在圖1中，系統設定各個正交子載波采用統一的調制方式。如前所述，若各個子載波為了適應不同的信道要求，可以設置不同的調制方式，此時，數字調制模塊應放在串并變換模塊之后，在LTE中可以選擇QPSK、16QAM、64QAM，本仿真基于16QAM調制。

（4）串并轉換

高速串行數據流轉成低速的并行數據流傳輸。在Matlab中通過向量轉置實現此功能。

（5） IFFT

IDFT的快速算法，通過對N路載波同時進行N點采樣和對應點之間合并運算，輸出N點數據塊。

（6）循環前綴

循環前綴CP所占時間正好是保護間隔時間CI，GI的設置是為了最大限度的消除ISI，而如果在GI時間內發送空信號，會出現子載波干擾ICI。CP具體是將每個OFDM符號的后一段時間內的值復制平移到OFDM信號前形成前綴，此模塊對于OFDM性能非常重要，這在Matlab中很容易通過程序實現，因此本仿真主要基于不同CP長度下的系統性能的仿真。

三、仿真結果

圖2（a）、（a）、（a）分別為時延擴展<保護間隔，時延擴展超過保護間隔的長度為FFT積分時問的3%，時延擴展超過保護間隔的長度為FFT積分時間的10%時得到的16QAM星座圖。可見，保護間隔的合理設置對于通信誤碼率的重要性，可以看出要使系統誤碼率最低，必須滿足條件時延擴展<保護間隔（即CP時間長度）。

四、結論

OFDM作為LTE的核心技術，發揮著非常重要的作用，文章分析了OFDM在LTE的作用，對OFDM各個模塊進行了分析，著重仿真對比了不同CP長度時的系統性能。