付軍峰

摘要：未來無線移動(dòng)通信需要高速率和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸能力。OFDM技術(shù)具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力和較高的頻譜利用率成為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)，而信道估計(jì)又是決定OFDM通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)可等效為N個(gè)獨(dú)立的并行相互正交的子信道。預(yù)先估計(jì)N個(gè)子信道的頻率特性，同時(shí)用估計(jì)結(jié)果來抵消各個(gè)子信道衰落的影響，最后可以在接收端獲得正確的解調(diào)。它具有較高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，適用于高速率和多媒體數(shù)據(jù)傳輸，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，同時(shí)被認(rèn)為是未來第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一。OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)，就是從接受數(shù)據(jù)中將假定的各個(gè)信道模型的模型參數(shù)估計(jì)出來的過。

關(guān)鍵詞：OFDM定義；信道估計(jì)；應(yīng)用

1 OFDM定義

OFDM技術(shù)由MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制）發(fā)展而來。OFDM技術(shù)是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，它的調(diào)制和解調(diào)是分別基于IFFT和FFT來實(shí)現(xiàn)的，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬要寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調(diào)制技術(shù)，也可以被當(dāng)成一種復(fù)用技術(shù)。

2 OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)算法

在無線通信系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，信號(hào)傳播都要經(jīng)歷的是多徑傳播。無線通信系統(tǒng)必然會(huì)帶來多普勒擴(kuò)展，會(huì)引起信號(hào)在傳輸過程中的頻率偏移。前一個(gè)符號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展將會(huì)加載在它之后的另一個(gè)符號(hào)之上，從而引起了符號(hào)間干擾（ISI）。而頻率的偏移，會(huì)引起各個(gè)子載波之間的相互干擾，即載波間干擾（ICI）。在OFDM系統(tǒng)中，通過添加循環(huán)前綴（CP）的方法，基本可以達(dá)到消除符號(hào)間干擾（ISI）的對(duì)系統(tǒng)性能的影響。循環(huán)前綴是無法消除載波間干擾的。因此我們引入導(dǎo)頻符號(hào)，基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)可以用來抑制由載波間干擾（ICI）所引起的系統(tǒng)性能的惡化。傳統(tǒng)的系統(tǒng)使用差分調(diào)制解調(diào)方法來處理信號(hào)，它不需要提前知道信道的特征信息。不過在使用這種信號(hào)處理方法以后，會(huì)給符號(hào)的比特?cái)?shù)帶來一定的約束，影響了系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)速率，也會(huì)帶來一定的信噪比的損耗。而OFDM在無線傳輸系統(tǒng)中，采用多進(jìn)制的調(diào)制方法來處理信號(hào)，在接收端恢復(fù)原始的發(fā)送信號(hào)，就需要進(jìn)行相干解調(diào)。

2.1 OFDM信道估計(jì)技術(shù)概述

信道估計(jì)技術(shù)在應(yīng)用中，需要選取合適的信道估計(jì)算法，這種算法要求既可以保證系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，又可以在實(shí)際應(yīng)用中便于實(shí)現(xiàn)。信道估計(jì)的算法是信道估計(jì)技術(shù)較為重要的環(huán)節(jié)。信道估計(jì)算法主要分為盲估計(jì)算法，非盲估計(jì)算法以及將兩種方法結(jié)合起來的半盲估計(jì)算法。盲估計(jì)算法不需要傳送訓(xùn)練序列，只是利用傳輸信號(hào)中的內(nèi)在數(shù)字信息來估計(jì)信道中的狀態(tài)信息。盲估計(jì)算法只是傳送全部的有用信息，不會(huì)有其它的系統(tǒng)帶寬的浪費(fèi)。然而，這種算法在應(yīng)用中需要大量的運(yùn)算，復(fù)雜度較高，雖節(jié)省了帶寬，但實(shí)現(xiàn)起來不容易，在應(yīng)用中受到很大的限制，不易于實(shí)現(xiàn)。非忙估計(jì)算法就是利用接收已知的信息對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，算法復(fù)雜度與盲估計(jì)算法比較大大的減小了，更易于實(shí)現(xiàn)。但它的缺點(diǎn)也是很明顯的，由于插入了已知的導(dǎo)頻信息，浪費(fèi)了寶貴的帶寬資源。然而在實(shí)際應(yīng)用中，這種帶寬的浪費(fèi)是值得的，所以非盲估計(jì)方法得到了更大的應(yīng)用。常用的非盲估計(jì)算法包括最小平方（LS）算法[4]和最小均方誤差（MMSE）算法。

2.2 OFDM信道估計(jì)的作用

OFDM信號(hào)在衰落信道中傳輸時(shí)，其幅度會(huì)發(fā)生衰落，相位會(huì)發(fā)生偏移。在接受端需要有一個(gè)包含信道特性的參考信號(hào)，才能正確恢復(fù)出原來的發(fā)送信號(hào)。而解決參考信號(hào)問題的一種方法就是采用相干檢測(cè)。相干檢測(cè)首先需要對(duì)參考信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行估計(jì)，即信道估計(jì)，然后用估計(jì)得到的信道信息進(jìn)行均衡，從而消除或減小信道對(duì)信號(hào)造成的失真。

3 OFDM的應(yīng)用

下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)在性能方面主要有以下要求：用戶速率在準(zhǔn)靜止（低速移動(dòng)和固定）情況下達(dá)20Mbit/s，在高速移動(dòng)情況下達(dá)2Mbit/s；量要達(dá)到第三代系統(tǒng)的5-10倍，傳輸質(zhì)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于第三代系統(tǒng)；條件相同時(shí)小區(qū)覆蓋范圍等于或大于第三代系統(tǒng)；具有不同速率間的自動(dòng)切換能力，以保證通信質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求：支持下一代因特網(wǎng)和所有的信息設(shè)備、家用電器等；實(shí)現(xiàn)與固定網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)的無縫化連接；能通過中間件支持和開通多種多樣的IP業(yè)務(wù)；能提供用戶定義的個(gè)性化服務(wù)；按服務(wù)級(jí)別收費(fèi)。與下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)有關(guān)的OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)有：OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)，主要的應(yīng)用包括：非對(duì)稱的數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等。①時(shí)域和頻域同步：前面已經(jīng)提及，OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感，特別是實(shí)際應(yīng)用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。在下行鏈路中，基站向各個(gè)移動(dòng)終端廣播式發(fā)同步信號(hào)，所以，下行鏈路同步相對(duì)簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)。在上行鏈路中，來自不同移動(dòng)終端的信號(hào)必須同步到達(dá)基站，才能保證子載波間的正交性。基站根據(jù)各移動(dòng)終端發(fā)來的子載波攜帶信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，再由基站發(fā)回移動(dòng)終端，以便讓移動(dòng)終端進(jìn)行同步。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，同步將分為時(shí)域同步和頻域同步，也可以時(shí)頻域同時(shí)進(jìn)行同步。②信道編碼和交織：為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對(duì)于衰落信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；對(duì)于衰落信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織。實(shí)際應(yīng)用中，通常同時(shí)采用信道編碼和交織，進(jìn)一步改善整個(gè)系統(tǒng)的性能。在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落不是太深，均衡是無法再利用信道的分集特性來改善系統(tǒng)性能的，因?yàn)镺FDM系統(tǒng)自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是，OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，形成COFDM方式。編碼可以采用各種碼，如分組碼、卷積碼等，卷積碼的效果要比分組碼好。

4 結(jié)語

OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。進(jìn)入90年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。由于OFDM的頻率利用率最高，又適用于FFT算法處理，近年來在多種系統(tǒng)得到成功的應(yīng)用，在理論和技術(shù)上已經(jīng)成熟。因此，3GPP/3GPP2成員多數(shù)推薦OFDM作為第四代移動(dòng)通訊無線接入技術(shù)之一。目前，OFDM技術(shù)在4G LTE技術(shù)中已得到使用，是LTE三大關(guān)鍵技術(shù)之一，預(yù)計(jì)在5G仍然作為主要的調(diào)制方式。，系統(tǒng)性能的提高是以系統(tǒng)的復(fù)雜度為代價(jià)的。因此，在實(shí)踐中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的信道環(huán)境來選擇適當(dāng)?shù)姆椒?，從而找到系統(tǒng)的性能和復(fù)雜度的平衡點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃韜，袁超偉，楊睿哲，劉鳴. MIMO相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]彭木根，王文博，等. 下一代寬帶無線通信系統(tǒng)OFDM&WIMAX[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

（作者單位：廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司南京研究所）