劉巧平,董軍堂

（延安大學(xué)物電學(xué)院通信工程專業(yè)，陜西延安,716000）

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸成熟，人們渴望得到越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速率，擁有更大的信道容量和帶寬，來滿足不同業(yè)務(wù)不同移動終端的需求。于是第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的研究應(yīng)運而生。4G移動通信系統(tǒng)采用了智能天線技術(shù)，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，軟件無線電（SDR）技術(shù)，MIMO技術(shù)，多用戶檢測技術(shù)，IPv6技術(shù)等。其中正交頻分復(fù)用技術(shù) (OFDM) 是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)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(yīng)，消除符號間干擾。在移動通信系統(tǒng)中OFDM技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，日后，該技術(shù)必定會成為4G移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

1 OFDM技術(shù)的基本原理

正 交 頻 分 復(fù) 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)是一種無線信道高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，既屬于多載波技術(shù)同時也屬于復(fù)用技術(shù)。傳輸環(huán)境較差的情況下往往會用到OFDM技術(shù)，原因在于該技術(shù)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(huán)境下OFDM技術(shù)也可發(fā)揮其作用。圖1是OFDM系統(tǒng)框圖。

圖1 OFDM系統(tǒng)框圖

2 OFDM技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強

這是OFDM系統(tǒng)最大的優(yōu)點。OFDM技術(shù)把高速率數(shù)據(jù)流分解成多路低速率的子數(shù)據(jù)流,使調(diào)制符號的有效持續(xù)時間遠大于信道的最大時延擴展,減少了系統(tǒng)對信道時延擴展的敏感程度,能在較大失真和突發(fā)脈沖干擾環(huán)境下對傳輸?shù)臄?shù)字信號提供有效的保護,大大減小了 ISI。同時通過添加循環(huán)前綴,可以很好地克服多徑效應(yīng)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(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)更具優(yōu)勢，該系統(tǒng)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(tǒng)可以使子載波的頻譜相互重疊。而當子載波數(shù)目達到很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率會趨向于2Baud/ Hz。在頻譜資源有限的無線環(huán)境中OFDM系統(tǒng)具備的這一優(yōu)勢極為重要。

2.3 調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)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(xiàn)各個子信道的正交調(diào)制和解調(diào)，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(shù)很多時出現(xiàn)的情況，進而實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。目前，IFFT 和FFT隨著DSP技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展都是非常容易實現(xiàn)的，如圖1所示。

2.4 OFDM系統(tǒng)支持非對稱業(yè)務(wù)

無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中下行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，它一般存在著非對稱性，而通過使用不同數(shù)量的子信道，OFDM系統(tǒng)便可以實現(xiàn)無線業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)傳輸，進而確保了物理層支持非對稱的高速率數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 OFDM技術(shù)易與和其它多址方式結(jié)合使用

OFDM系統(tǒng)能與其它多種多址方式相結(jié)合使用，其中包括調(diào)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(shù)實現(xiàn)信息傳輸，使通信質(zhì)量得以提高。

2.6 適合高速數(shù)據(jù)傳輸

OFDM自適應(yīng)調(diào)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(diào)制方式。當信道條件好的時候，可以采用較高階的如64QAM調(diào)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(diào)制等低階調(diào)制。這樣，系統(tǒng)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(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。因此，OFDM 技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。

3 OFDM技術(shù)需要克服的缺陷

3.1 該系統(tǒng)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(tǒng)受到了格外嚴格的要求，該系統(tǒng)的主要缺點是對頻率偏差很敏感。OFDM系統(tǒng)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(fā)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(huán)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(guān)運算。

3.2 存在較高的峰值平均功率比

由于OFDM系統(tǒng)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(dǎo)致出現(xiàn)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(yù)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(shù)在4G移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

目前，業(yè)界對4G移動通信技術(shù)的共識主要有以下幾點：

具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。最低數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mb/s，最高可達100Mb/s。

2）實現(xiàn)真正的無縫漫游。4G移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)全球統(tǒng)一的標準，能實現(xiàn)與各種網(wǎng)絡(luò)、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(wǎng)絡(luò)。4G網(wǎng)絡(luò)將能夠使用智能技術(shù),自適應(yīng)、動態(tài)地進行資源分配,以處理不斷變化的業(yè)務(wù)及容量和適應(yīng)不同的信道環(huán)境.在操作上和技術(shù)上有很強的智能性、適應(yīng)性和靈活性。

4）良好的覆蓋性能。4G系統(tǒng)應(yīng)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(xiàn)不同QoS 的業(yè)務(wù)。4G通信系統(tǒng)通過動態(tài)帶寬分配和調(diào)節(jié)發(fā)射功率來提供各種不同質(zhì)量不同類型的業(yè)務(wù),使用戶在任何地方都可以獲得所需的信息服務(wù)，將信息系統(tǒng)、廣播和娛樂、個人通信等行業(yè)結(jié)合成一個整體，更加安全、快捷地向用戶提供更豐富的服務(wù)與應(yīng)用。

6）基于IP的網(wǎng)絡(luò)。4G通信系統(tǒng)將會采用先進的IPv6技術(shù)，IPv6采用128位地址長度, 能夠為所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個全球唯一的地址并將能在IP網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)話音和多媒體業(yè)務(wù)。

為了達到4G的目標，我們需要對其各個環(huán)節(jié)進行突破，其中包括網(wǎng)絡(luò)的交換、數(shù)據(jù)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(huán)境的條件下，大家的關(guān)注點都聚集在如何高效、穩(wěn)定、可靠地進行高速率的數(shù)據(jù)傳輸。因此數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制，難以得到提高。假如數(shù)據(jù)傳輸速率高于信道的相關(guān)帶寬，信號將產(chǎn)生嚴重失真，信號傳輸質(zhì)量將大幅度下降，所以普遍存在符號間干擾ISI。

4G系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一便是正交頻分復(fù)用技術(shù)，它可在有效進行數(shù)據(jù)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(shù)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(yōu)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(huán)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(tǒng)尤為重要。

5 結(jié)束語

正是由于OFDM技術(shù)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(yīng)，消除符號間干擾。這才使它符合4G對于在無線條件下穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，使它成?G的核心技術(shù)。OFDM技術(shù)的應(yīng)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(shù)在4G移動通信等諸多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1] 陳良明,韓澤耀.OFDM-第四代移動通信的主流技術(shù)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2008年3月第18卷第3期：185-186.

[2] 覃鳳清,郭洪容.正交頻分復(fù)用系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].宜賓學(xué)院學(xué)報,2008,6:58

[3] 姚成風(fēng)，葛萬成。OFDM原理及其在現(xiàn)代高速無線數(shù)據(jù)傳輸中的新應(yīng)用[J]?，F(xiàn)代電視技術(shù)，2005.1:91