OFDM技術在4G移動通信系統中的應用

姜喜寬

摘要：在現代4G移動通信系統中，OFDM技術作為重要的物理傳輸技術在其中發揮了關鍵作用。在此背景下，本文首先介紹了OFDM技術及該技術的核心優勢，詳細描述了OFDM技術在4G通信中的應用，其中包括信道估計、同步及同步誤差分析、多址技術等技術關鍵難題。最后，分析了OFDM技術在4G通信應用過程中需要克服的技術難點。

關鍵詞：OFDM技術；4G移動通信；物理傳輸技術；信道估計

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0042-02

隨著近代社會市場和經濟的高速發展，對于移動通信需求越來越高。同時，通信技術的發展也使得其方式變化多樣。隨著有線通信、無線通信發展到現今的光纖通信，通信速率的需求不斷增長。三代移動通信技術逐漸被日益開發成熟的第四代移動通信技術所取代。特別是使用光纖通信的第四代移動通信技術，具有數據、圖像通信的優勢，室內通信速率高達100Mb/s，在數據通信速率上擁有顯著提升。然而，這樣的高速通信狀況下將會出現嚴重的通信符號間的干擾現象，使得第四代移動通信技術出現了技術障礙。

近年來，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）技術由于能夠在高速通信的情況下，有效抵消信號波形間干擾并能保證通信的穩定、高效，從而引起了各國通信技術研究人員的廣泛關注。因此，通信技術領域中開始大量研究和開發如何將OFDM技術應用在移動通信中。這種突破性的通信技術即OFDM技術將成為今后的主流移動通信技術。

1 OFDM技術

OFDM技術又被稱為正交頻分復用技術，是多載波調制技術的一類分支技術。它是一種能夠顯著提高載波頻譜利用率并使每個載波能相互正交，穩定、高效地在無線環境下進行高速通信傳輸的技術[1]。OFDM技術的核心是將頻域中的信道變為各個正交子的信道，通過子載波對各子信道調制。同時，由于每個子載波是采用的并行傳輸，所以移動通信系統中的上、下行鏈路都將同時接收多種調制，極大地提高了載波頻譜的利用率并能使各個載波之間具有正交性，保證移動通信過程中無失真。目前，針對4G移動通信系統的開發，使用了OFDM技術，并在信道估計、同步及同步誤差、與多址技術的結合、編碼技術等技術層面做出了重大的突破[2]。OFDM技術在無線移動通信系統中得到了廣泛的應用。其結構如圖1所示。

2 OFDM技術的優勢

OFDM之所被廣泛地應用于移動通信系統中，是其擁有眾多的技術優點。特別是在4G移動通信系統中的應用，作為重要的技術它具有下面這些優勢[3]：

（1）受寬帶帶寬影響較小，OFDM技術具有高效的數據通信能力，在帶寬較窄的情況下依然能夠進行大規模數據的通信。正式其高效、大規模通信的特點，使其在歐洲、亞洲的通信運營商中受到廣泛的青睞；

（2）OFDM技術能顯著提升通信過程中的信道利用率，使得有限的載波頻譜資源得到了充分的利用，各個載波之間具有正交性；

（3）OFDM技術能夠適應變化的移動通信環境，抵抗移動通信環境的變化沖擊。OFDM技術能夠動態適應信道數據傳輸能力的改變。特別是在高層建筑、人口集中地區等復雜環境下，OFDM技術能夠保證數據通信過程的穩定抵消影響。

3 OFDM技術在4G中應用的關鍵技術

現如今，移動通信系統中4G移動通信是個人通信的主要形式，并隨著人類社會的信息需求日趨發展。其日趨成熟的發展是離不開OFDM這一關鍵技術在4G移動通信中應用的。

3.1 信道估計

OFDM技術的核心技術之一就是信道估計。信道估計是指在移動數據通信過程中，將信道模型參數進行模擬預估。其中，OFDM技術的信道估計有參數化、非參數化信道估計，以及基于時間、頻率特性的信道估計等眾多方式。無線通信的一項重要性能指標就是能否準確獲取詳細的信道信息，所以信道估計具有極大的研究意義。OFDM技術的核心就是基于信道估計，分配信道使每個子載波采用的并行傳輸，各載波之間正交。

由于在無線通信中信道具有隨機性接收時會產生失真現象，需要信道估計進行信號的調制，獲取實際需求的信號。信道估計中對信道模型參數的估計是通過部分特定參數獲取信道的信息。通常的信道估計是在非自適應的環境中進行的。但實際過程中變化的移動通信環境下時域變化快速，此時使用自適應信道估計才能有效應對該通信環境。

3.2 同步及同步誤差

現代移動通信系統中，同步機制作為數據傳輸的核心機制。其主要原因是該機制是直接影響數據信號的實時傳輸，決定數據雙方的正常通信。信號通信過程中，首先，將發送的數字信號經數模轉換后變為模擬信號進行無線傳輸。隨后，接收端在接收到發送的模擬信號后，經模數轉換后變為數字信號。最后，對得到的數字信號進行調制完成通信過程。

因此，整個過程中涉及到時域和頻域的同步。同步過程中又將產生符號定時同步誤差、截波頻率同步誤差、采樣時鐘同步誤差這三種同步誤差，由于篇幅限制此次不詳細闡述這三種誤差。

3.3 OFDM和多址技術的結合

現代移動通信系統，特別是支持多用戶同事進行數據傳輸時，要保證系統通信的穩定性、可靠性、靈活性，就需要合理的多址技術。因此，OFDM技術和多址技術的結合順理成章。OFDM技術與多址技術結合，形成結合了CDMA、TDMA、FDMA等機制的系統。

3.4 MIMO和OFDM的結合

MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）技術，是一種具有多發射多接收天線提高通信質量的移動通信技術。現如今，由于半導體技術的突破性發展，移動通信系統中多天線結構將成為主流，因而具有良好移動通信以及優秀信道建模特點的MIMO技術與OFDM相結合應用于移動通信。現代社會對于移動通信系統的數據傳輸速度、質量需求標準越來越高，同時無線移動通信中的MIMO信道是實時變化的、非平穩的系統。因而越來越多的研究中將MIMO技術和OFDM技術相結合，來滿足移動通信的需求，這樣結合的系統既具備OFDM技術的穩定性又能降低MIMO技術時域運行的繁復程度。

4 需要克服的缺陷

OFDM技術有眾多優點，但仍存在一些缺陷有待克服。首先，OFDM系統對于頻率偏差較為敏感，受其影響較大。通信中子信道之間相互覆蓋，需要子信道間有嚴格的正交性。但通信是實時變化地，因而容易導致頻率偏移、通信系統中信號相互干擾。其次，OFMD技術的峰值平均功率比非常高。與傳統通信機制相比，OFMD技術調制輸出疊加的多子信道信號，疊加信號將導致功率瞬時增大，破壞子信道通信的正交性，嚴重時將影響移動通信的功能。

5 結語

OFDM技術由于其穩定、高效的通信機制，被廣泛應用于4G移動通信中。同時，其受寬帶帶寬影響較小、能夠進行大規模數據通信以及能夠適應變化的移動通信環境，抵抗移動通信環境的變化沖擊的優點得到廣泛應用。然而將其運用到系統工程中還有諸多問題，但即使如此，發展應用了OFMD技術的4G移動通信系統勢在必行。

參考文獻

[1]王智，杜韻喬，姚玉坤.4G通信系統中OFDM技術的分析[J].計算機與數字工程，2007，35（12）：140-143.

[2]張建華，蔡鵬，蘇苓，等.OFDM--4G核心的物理傳輸技術[J].移動通信，2005，29（2）：89-92.

[3]李利，易丹，談振輝，等.OFDM：4G中的OFDM關鍵技術[J].遼寧工業大學學報（自然科學版）， 2013，23（6）：4-6.endprint