基于OFDM技術(shù)的4G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 - 全文

引言

　　在21世紀(jì)，移動(dòng)通信技術(shù)和市場飛速發(fā)展，在新技術(shù)、市場需求的共同作用下，出現(xiàn)了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)-3G,3G中采用碼分多址（CDMA）技術(shù)來處理多徑問題，以獲得多徑分集增益。

　　然而在該體制中，多徑干擾和多用戶干擾始終并存，在用戶數(shù)較多的情況下，實(shí)現(xiàn)多用戶檢測是非常困難的。并且CDMA本身是一個(gè)自擾系統(tǒng)，所有的移動(dòng)用戶都占用相同的帶寬和頻率，所以在系統(tǒng)容量有限的情況下，用戶數(shù)越多就越難達(dá)到較高的通信速率，因此3G系統(tǒng)所提供的2Mb/s帶寬是共享式的，當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)使用時(shí)，平均每個(gè)用戶可使用的帶寬遠(yuǎn)低于2Mb/s,而這樣的帶寬并不能滿足移動(dòng)用戶對一些多媒體業(yè)務(wù)的需求。

　　不同領(lǐng)域技術(shù)的綜合與協(xié)作，伴隨著全新無線寬帶技術(shù)的智能化，以及定位于用戶的新業(yè)務(wù)，這一切必將繁衍出新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)4G。相比于3G,4G可以提供高達(dá)100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持從語音到數(shù)據(jù)的多媒體業(yè)務(wù)，并且能達(dá)到更高的頻譜利用率以及更低的成本。

　　為了達(dá)到以上目標(biāo)，4G中必須采用其他相對于3G中的CDMA這樣的突破性技術(shù)，尤其是要研究在移動(dòng)環(huán)境和有限頻譜資源條件下，如何穩(wěn)定、可靠、高效地支持高數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。因此，在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用了OFDM技術(shù)作為其核心技術(shù)，它可以在有效提高傳輸速率的同時(shí)，增加系統(tǒng)容量、避免高速引起的各種干擾，并具有良好的抗噪聲性能、抗多徑信道干擾和頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文將對OFDM的基本原理以及其調(diào)制/解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和循環(huán)前綴技術(shù)進(jìn)行介紹，并在三個(gè)主要方面將OFDM與CDMA技術(shù)進(jìn)行對比分析。

　　2 OFDM技術(shù)分析

　　2.1 OFDM基本原理

　　正交頻分復(fù)用的基本原理可以概述如下：把一路高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。在頻域內(nèi)將信道劃分為若干相互正交的子信道，每個(gè)子信道均擁有自己的載波分別進(jìn)行調(diào)制，信號通過各個(gè)子信道獨(dú)立地進(jìn)行傳輸。

　　由于多徑傳播效應(yīng)會(huì)造成接收信號相互重疊，產(chǎn)生信號波形間的相互干擾，形成符號間干擾，如果每個(gè)子信道的帶寬被劃分的足夠窄，每個(gè)子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的。如圖1所示。

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　　因此，每個(gè)子信道都可看作無符號間干擾的理想信道。這樣，在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對接收信號可靠地進(jìn)行解調(diào)。在OFDM系統(tǒng)中，通過在OFDM符號之間插入保護(hù)間隔來保證頻域子信道之間的正交性，以及消除由于多徑傳播效應(yīng)所引起的OFDM符號間的干擾。因此，OFDM特別適合于在存在多徑衰落的移動(dòng)無線信道中高速傳輸數(shù)據(jù)。OFDM的原理框圖如2所示。

　　如圖2所示，原始高速率比特流經(jīng)過串/并變換后變?yōu)槿舾山M低速率的比特流d（M），這些d（M）經(jīng)過調(diào)制后變成了對應(yīng)的頻域信號，然后經(jīng)過加循環(huán)前綴、D/A變換，通過RF發(fā)送出去；經(jīng)過無線信道的傳播后，在接收機(jī)以與發(fā)送機(jī)相反的順序接收解調(diào)下來，從而得到原發(fā)送信號。

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　　圖2中d（M）為第M個(gè)調(diào)制碼元；圖中的OFDM已調(diào)制信號D（t）的表達(dá)式為：

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　　式（1）中：T為碼元周期加保護(hù)時(shí)間；fn為各子載波的頻率，可表示為：

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　　式（2）中：f0為最低子載波頻率；Ts為碼元周期。

　　在發(fā)射端，發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)QAM調(diào)制形成基帶信號。然后經(jīng)過串并變換成M個(gè)子信號，這些子信號再調(diào)制相互正交的M個(gè)子載波，其中/正交0表示的是載波頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系，其數(shù)學(xué)表示為QT0fx（t）fy（t）dt=0,最后相加成OFDM發(fā)射信號。實(shí)際的輸出信號可表示為：

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　　在接收端，輸入信號分成M個(gè)支路，分別用M個(gè)子載波混頻和積分，恢復(fù)出子信號，再經(jīng)過并串變換和常規(guī)QAM解調(diào)就可以恢復(fù)出數(shù)據(jù)。由于子載波的正交性，混頻和積分電路可以有效地分離各子載波信道，如下式所示：

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　　式中dc（m）為接收端第m支路子信號。在整個(gè)OFDM的工作流程中OFDM與其他技術(shù)的主要區(qū)別在于其采用的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)以及循環(huán)前綴的加入這兩個(gè)環(huán)節(jié)，下面將對其進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。

　　2.2 OFDM調(diào)制/解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以采用離散逆傅立葉變換（IDFT）以及離散傅立葉變換（DFT）來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用更加方便快捷的逆快速傅立葉變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，這是OFDM的技術(shù)優(yōu)勢之一。

　　首先不考慮保護(hù)時(shí)間，將式（2）代入式（1）可得到如下等式：

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　　式中ts為串并變換前的信號周期，顯然，ts=1MTs;令X（t）為復(fù)等效基帶信號：

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　　對X（t）進(jìn)行抽樣，抽樣頻率為1ts,即tk=kts,則有：

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　　由上式可知X（t）=X（tk）為d（n）的傅立葉逆變換。同樣在接收端可以采用相反的方法，即離散傅立葉變換得到：

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　　由上面的分析可以看出OFDM的調(diào)制可以由IDFT實(shí)現(xiàn)，而解調(diào)可由DFT實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)中的子載波數(shù)很大時(shí)，可以采用快速傅立葉變換（FFT/IF2FT）來實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，以顯著地降低運(yùn)算復(fù)雜度，從而在數(shù)字信號處理器DSP上比較容易實(shí)現(xiàn)，因此能夠達(dá)到簡化4G通信系統(tǒng)中硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度并減少設(shè)備成本的效果，現(xiàn)存的還有諸如矢量變換方式、基于小波變換的離散小波多音頻調(diào)制方式等，但這些方式與OFDM相比，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對較高，因而一般不會(huì)用于4G通信系統(tǒng)。

　　2.3 循環(huán)前綴基本原理

　　在OFDM系統(tǒng)中，為了最大限度地消除符號間干擾，在每個(gè)OFDM符號之間要插入保護(hù)間隔，該保護(hù)間隔長度Tg一般要大于無線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號的多徑分量就不會(huì)對下一個(gè)符號造成干擾。

　　在這段保護(hù)間隔內(nèi)，可以不插入任何信號，即保護(hù)間隔是一段空閑的傳輸時(shí)段。然而在這種情況中，由于多徑傳播的影響，會(huì)產(chǎn)生信道間干擾，即子載波之間的正交性遭到破壞，使不同的子載波之間產(chǎn)生干擾。為了消除由于多徑傳播造成的信道間干擾，將原來寬度為T的OFDM符號進(jìn)行周期擴(kuò)展，用擴(kuò)展信號來填充保護(hù)間隔，如下圖3所示：\

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　　將保護(hù)間隔內(nèi)的信號稱為循環(huán)前綴（Cyclicprefix）。由圖3可以看出，循環(huán)前綴中的信號與OFDM符號尾部寬度為Tg的部分相同。在實(shí)際系統(tǒng)中，OFDM符號在送入信道之前，首先要加入循環(huán)前綴，然后送入信道進(jìn)行傳送。接收端首先將接收符號開始的寬度為Tg的部分丟棄，將剩余的寬度為T的部分進(jìn)行傅立葉變換，然后進(jìn)行解調(diào)。

　　通過在OFDM符號內(nèi)加入循環(huán)前綴可以保證在FFT周期內(nèi)，OFDM符號的延時(shí)副本內(nèi)所包含的波形的周期個(gè)數(shù)是整數(shù)。這樣，時(shí)延小于保護(hù)間隔Tg的時(shí)延信號就不會(huì)在解調(diào)的過程中產(chǎn)生信道間干擾。

　　通過對上述兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的分析可以看出，OFDM的調(diào)制解調(diào)技術(shù)可以降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度；循環(huán)前綴技術(shù)可以有效消除由于多徑傳播造成的信道間干擾影響。這些對于4G通信系統(tǒng)降低設(shè)備成本以及提高信號質(zhì)量都是至關(guān)重要的。

　　3 OFDM與CDMA技術(shù)的比較分析

　　作為4G中的核心技術(shù)，4G通信系統(tǒng)在頻譜利用率、高速率多媒體服務(wù)的支持、調(diào)制方式的靈活性及抗多徑信道干擾等方面優(yōu)于3G通信系統(tǒng)。

　　這主要緣于4G采用的OFDM技術(shù)與3G中采用的CDMA技術(shù)在其技術(shù)特點(diǎn)上存在著差異。下面就從抗多徑干擾、調(diào)制技術(shù)以及峰均功率比這三個(gè)方面對OFDM與CDMA的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行對比分析。

　　3.1 抗多徑干擾

　　無線信道中，由于信道傳輸特性不理想容易產(chǎn)生多徑傳播效應(yīng)，多徑傳播效應(yīng)會(huì)造成接收信號相互重疊，產(chǎn)生信號波形間的相互干擾，使接收端判斷錯(cuò)誤，從而嚴(yán)重地影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，易造成符號間干擾。

　　CDMA系統(tǒng)中，為了減小多徑干擾，CDMA接收機(jī)采用了分離多徑（RAKE）分集接收技術(shù)來區(qū)分和綁定多路信號能量。為了減少干擾源，RAKE接收機(jī)提供一些分集增益。然而由于多路信號能量不相等，試驗(yàn)證明，如果路徑數(shù)超過7或8條，這種信號能量的分散將使得信道估計(jì)精確度降低，RAKE的接收性能下降就會(huì)很快。

　　OFDM將高速率的信號轉(zhuǎn)換成低速率的信號，從而擴(kuò)展了信號的周期，減弱了多徑傳播的影響，同時(shí)通過加循環(huán)前綴的方式，使各子載波之間相互正交，減少了ISI和各信道間的干擾，在4G的多媒體通信中能夠提高通信質(zhì)量。

　　3.2 調(diào)制技術(shù)

　　CDMA系統(tǒng)中，下行鏈路采用了多載波調(diào)制技術(shù)，但每條鏈路上的調(diào)制方式相同，上行鏈路不支持多載波調(diào)制，這使得CDMA系統(tǒng)喪失了一定的靈活性；同時(shí)，由于此鏈路的非正交性，使得不同調(diào)制方式的用戶會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲干擾。

　　OFDM的上、下行鏈路都采用多載波調(diào)制技術(shù)，并且每條鏈路中的調(diào)制方式也可以根據(jù)實(shí)際信道的狀況/自適應(yīng)調(diào)制0,從而更加靈活。在信噪比（SNR）滿足一定要求的前提下，對質(zhì)量好的信道可以采用高階調(diào)制技術(shù)（16QAM等）；在信道質(zhì)量差的情況下，可以采用低階調(diào)制技術(shù)（QPSK等），從而使系統(tǒng)可以在頻譜利用率和誤碼率之間得到最佳配置。

　　3.3 峰均功率比

　　峰均功率比就是峰值與均值的功率比，定義為信號的最大峰值功率和同一信號平均功率之比，簡稱峰均比。

　　在實(shí)際應(yīng)用中這是一個(gè)不容忽視的重要因素。因?yàn)檩^高的PAPR將導(dǎo)致發(fā)送端對功率放大器的線性要求也較高，這意味著要設(shè)備的功耗將增大，因此就要提供額外功率、電池備份和擴(kuò)大設(shè)備的尺寸，從而導(dǎo)致設(shè)備成本的提高。

　　CDMA系統(tǒng)的PAPR一般在5-11dB,并會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率和使用碼數(shù)的增加而增加。OFDM信號是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的正交子載波信號疊加而成，這種合成信號有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，從而帶來較大的PAPR。目前，用來控制OFDM的PAPR的技術(shù)主要有以下兩種：

　?。?）信號失真技術(shù)

　　采用修剪技術(shù)、峰值窗口去除技術(shù)或峰值刪除技術(shù)使峰值振幅值簡單地線性去除。

　　（2）擾碼技術(shù)

　　采用擾碼技術(shù)，使生成的OFDM的互相關(guān)性盡量為0,從而使OFDM的PAPR減少。具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括：編碼、局部擾碼、部分發(fā)送序列。

　　綜上所述，在抗多徑干擾、調(diào)制技術(shù)方面，OFDM的性能優(yōu)于CDMA技術(shù)，并且可以通過其他技術(shù)來降低其峰均功率比。與第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，OFDM以其更加靈活的調(diào)制方式、更強(qiáng)的抗多徑干擾的能力以及更高的頻譜利用率，全面提高了4G通信系統(tǒng)的性能，改善了4G移動(dòng)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，并且大幅度降低了4G通信系統(tǒng)的成本，因而成為4G中不可或缺的核心技術(shù)。

　　4 結(jié)語

　　OFDM通過頻域劃分互相正交的子信道使其頻譜效率與傳統(tǒng)的頻分復(fù)用技術(shù)相比有顯著提高，同時(shí)由于子信道可以劃分得很窄因而每一個(gè)子信道都很平坦，避免了使用復(fù)雜的均衡器。通過使用循環(huán)前綴，一方面消除了OFDM符號間干擾，另一方面保證了子載波之間的正交性，這對于頻率選擇性衰落信道克服多徑干擾尤其有效。但是，OFDM還不是盡善盡美并存在許多問題需要解決。日后在4G的深入研究中應(yīng)考慮將OFDM與其他技術(shù)進(jìn)行結(jié)合（OFDM-CDMA等），從而達(dá)到更好的通信質(zhì)量。

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