OFDM技术及其应用研究

OFDM技术应用研究
一．绪论
移动通信是现代通信技术中极其重要的组成部分，它不但集成了无线通信和有线通信的最新技术成果，而且也也集中的体现出网络接收和计算机技术的发展。

目前，移动通信技术已经从模拟时代进入了全新的数字时代，更朝着第三代移动通信系统（3G）稳步迈进，能够在任何时间，任何地点，向任何人提供安全可靠的通信服务也成为移动通信系统的发展目标。

从20世纪80年代中期开始出现的第二代移动通信系统，也就是数字移动通信系统，结束了模拟蜂窝网的使用，但经过长期的发展，第二代移动通信网已不能满足人们的需求，为此，人们开始着力于第三代移动通信网的研究（3G）,不过3G系统的核心网并没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以，如何使移动通信系统更进一步的发展成为了重要的研究方向，而正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）成为了人们关注的焦点之一。

二．OFDM技术的发展与现状
在传统的频分复用通信系统中，信道的整个频带被划分为若干个互相分离的子信道，不同子信道中子载波之间有一定的频率保护间隔接收端通过滤波器接收所需信息，这样就牺牲一部分频率。

上个世纪60年代，人们提出了频带混叠的多载波通信方案.选择相互之间正交的载波作子载波，也就是我们所说的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing.正交频分复用技术)。

OFDM通信系统中，子载波频谱相互混叠，频谱利用率比传统频分复用通信系统提高了，在接收端不需要使用滤波器，只要调制子载波间相互正交就可以从混叠的子载波上分离出数据信息。

OFDM通信系统中，高速串行数据通过串并转换到多个正交的子载波上进行传输，子载波的符号持续时间可以增大，再通过在OFDM符号之间插入保护间隔，就可以有效地消除 Isx(Intersymbol interference.符号间干扰);再者，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上都可以看成平坦性衰落，这样消除了频率选择性衰落。

在当时的技术条件下，实现OFDM系统的结构非常复杂，故限制了其应用。

直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换实现多个载波的调制解调，极大地简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化;80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速的MODEM;90年代后期，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。

在高速(宽带)无线应用环境下，OFDM技术的优势很突出，而且可以利用有效的新技术去修正和弥补OFDM的
固有缺点现在，OFDM技术已经被广泛应用于民用通信系统中。

其主要的应用包括:ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Loop.非对称的数字用户环路接入技术)、欧洲电信标准化协会ETSL制定的 DAB(Digital Audio Broadcast数字音频广播)标准、DVB(Digital Video Broadcast.数字视频广播)标准、美国电气工程师学会IEEE制定的无线局域网标准802.lla以及2003年7月新发布的802.119。

在未来的4G中，OFDM仍将是核心技术之一，目前国内对OFDM的应用也展开了广泛的研究。

OFDM虽然是60年代提出的思想，DSP及超大规模集成电路的广泛应用使OFDM趋于实用化，其高效的频谱利用率以及对ICI、151的强健性使其在当前对无线数据传输速率要求越来越高，频谱越来越珍贵的情形下得到了广泛的应用。

三．OFDM原理概要
在移动无线信道中，信号从发射天线经过一个时变多径信道到达接收天线，会产生时间选择性衰落和频率选择性衰落。

信道的时变特性引起信号频率的展宽，导致Doppelr效应。

信道的多径传播会引起信号在时间上展宽并导致频率选择性衰落。

人们用相干时间或
Doppelr 带宽来描述信道的时变特性，采用多径时延扩展或相干带宽描述信道的多径特性。

当信道带宽小于相干带宽时，则该信道是非频率选择性信道，其所经历的衰落是平坦衰落，即所有的频率成分所经历的衰落情况是相同的。

当信道带宽大于相干带宽时，则该信道是频率选择性信道，各个频率成分在该信道下衰落是不一样的。

OFDM 基本原理就是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。

由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。

并且还可以在OFDM 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度的消除由于多径带来的符号间干扰(ISI)。

而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰(ICI)。

OFDM 的主要思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

该思想起源于FDM 。

在FDM 中，所有低速率用户信号被独立的载波调制并进行并行传输。

因此，用户之间在频域是独立的。

为了更容易地接跳出每个用户信号，子载波之间保留了足够的间隔。

另外，在相两个载波之间有保护带以便设计相应的滤波器。

因此，频谱效率是非常低的。

上述思想可以很容易地延伸到高速率数据流的单用户通信系统。

该数据流可以被分成N 路低速数据流，采用N 个子载波进行调制并在信道中传输。

正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波调制(MCM)技术。

它具有抗干扰能力强、频谱利用率高、数据传输率高等优点，是一种非常适用于无线环境的高速数据传输技术其传送数据的基本原理是把高速的数据流通过串并变换分成几个低速并行的比特流，并将每个这样的数据流调制在相互正交的单个载波上。

由于每个子载波信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。

并且还可以在OFDM 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰。

OFDM 系统的一个重要优点就是可以利用快速傅里叶变换实现调制和解调，从而可以大大简化系统实现的复杂度。

一个OFDM 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以受到相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)符号的调制。

如果N 表示子信道的个数，T 表示OFDM 符号的宽度，i d (0,1,1)i N ==- 是分配给每个子信道的数据符号，c f 是第0个子载波的载波频率，()1rect t =，/2t T ≤,则从s t t =开始的OFDM 符号可以表示为：
当然，也可以采用复等效基带信号来描述OFDM 的输出信号，见(1一2)式。

其中实部和虚部分别对应于OFDM 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM 符号。

图1一1中给出了OFDM 系统基本模型的框图，其中/i c f f i T =+。

图1-1 OFDM系统基本框图
其中各个子载波之间满足正交性，即:
在接收端，对第j个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分后输出的信号为:
根据上式可以看到，对第j个子载波进行解调可以恢复出期望符号祷。

而对于其他载波来说，由于在积分间隔内，频率差别(i一力/T可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。

图1-2 OFDM系统子载波符号的频率
这种正交性还可以从频域角度来解释，如图1-2，在相互覆盖的每个子载波频率的最大值处，所有其他子载波的频谱值恰好为零，因此可以从多个相互重叠的子载波符号频谱中提取每个子载波符号，而不会受其他子载波的干扰。

四．OFDM关键技术分析
OFDM系统中包括了诸多的关键技术，主要有:
1、信道估计
在无线通信系统中，解调主要可以分为相干解调和差分解调两种，相干解调因为具有较低的误码率以及较高的频谱利用率而倍受关注，但它与差分解调相比，在接收端需要对信道参数进行估计。

在OFDM系统中，基于导频的信道估计方法被广泛使用。

这种信道估计器的设计一般需要考虑两个问题:一是导频信息和位置的选择。

由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须周期性地传送。

二是既有较低复杂度又有良好导频跟踪能力的信道估计器的设计。

2、时域和频域同步
由于无线信号在传输过程中会出现频率偏移，使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰。

因此，同步在OFDM系统中尤为重要。

3、信道编码和交织
为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是通常采用的方法。

对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码;对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。

在OFDM系统中也可以通过引入编码和交织来进一步改善性能。

4、降低峰均功率比
由于OFDM信号在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。

发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高，因此高的峰均功率比(PAPR)使得OFDM系统的性能大大下降。

为此，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等方法来降低OFDM系统的PARP。

5、均衡
在一般的衰落环境下，OFDM系统均衡不是有效改善系统性能的方法。

因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此一般OFDM系统不做均衡。

但在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，CP的长度必须很长才能使ISI尽量不出现，而CP长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统，这时可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小。

五．OFDM与CDMA技术的结合
OFDM-CDMA体制
CDMA系统是第三代移动通信系统的核心，基于码型分配信道，每个移动用户分配有一个地址码，这些码型互不重叠，从而频率和时间资源均为共享。

特点是系统容量大，保密性能好，抗干扰能力强，采用软切换技术，不需频率或时隙的动态分配和管理，因此，CDMA 技术已经用于移动无线通信中支持多媒体服务。

OFDM和CDMA方案的组合形成了OFDM-CDMA 方案，这种方案的主要优点为：降低每个子载波中的符号速率，从而得到长的符号周期，克服多径带来的影响，且在发射时容易得到同步。

以CDMA和OFDM为基础提出的OFDM-CDMA方案主要分为两类。

一类使用给定的扩频吗对原始数据进行扩展，然后将每个码片与一个不同的载波进行调制，并在频域上进行扩展操作，称为多载波CDMA（MC-CDMA）。

另一类是使用给定的扩展码对经过串到并（S/P）转换过的数据流在时域上进行扩展。

类似于通常的DS-CDMA，主要有：多载波DS-CDMA（MC-DS-CDMA）
和多音CDMA（MT-CDMA）。

CDMA与OFDM结合体制具有可降低每个载波的码片传输率，减少相邻子载波的警戒频率，充分利用频谱。

1.DS-CDMA方案
DS-CDMA方案发射机在时域上使用给定的扩展码扩展原始数据流。

抑制多用户干扰能力由扩展码的交叉相互关特性决定。

同时，频率选择性衰落信道由在时域上不同延迟的几个信号的重叠来描述其特征。

因此，在混合的接收到的信号中，将一个组成部分从其他部分中分离出来的能力由扩展码的自相关特性决定。

DS-CDMA的频谱均匀分布在逻辑信道的带宽内，与FDMA和TDMA相比，提高了抗干扰性能，它是采用直接序列扩频的最普通的CDMA方式。

2.MC-CDMA方案
OFDM和DS-CDMA组合可以提供三种载波CDMA方案：MC-CDMA，多载波DS-CDMA和MT-CDMA。

MC-CDMA发射机在频域中使用给定的扩展码将原始数据流在不同子载波上进行扩展，与扩展的一个码片相对应的符号的一部分在不同子载波中发送。

在下行通信信道，由于不必考虑扩频码的自相关性，可以采用正交哈达骂沃尔什码。

MC-CDMA将DS-CDMA的频谱叠加，提高了一个MC-CDMA载波上传输数据的速率。

由于MC-CDMA上的每个子载波的频谱幅度随机变化，使得频谱密度均匀分布，抗干扰性能依然很好。

将相同的数据符号在许多窄带正交载波上传送，每个载波不想进行扩频，解决了ICI 问题。

为了增加抗品选衰落能力，对MD-CDMA而言，用户数和保护时隙的选择是至关重要的。

3.多载波DS-CDMA方案
这种方案与下面的MT-CDMA都属于时域扩展和多载波调制的混合使用，在子载波数是1时，他们都等价于普通的DS-CDMA。

多载波DS-CDMA发射机在时域使用给定的扩展码扩展S/P转换过的数据流，从而使每个子载波的频谱在频率见间隔最小的情况下满足正交条件。

这种方案最早提出是为了用于上行通信，因为对于准同步信道的建立，将OFDM信号方式引入DS-CDMA方式是有效的。

多载波DS-CDMA是在时域进行叠加，频谱分布形态与DS-CDMA相同。

由于多载波DS-CDMA进行了串并转换，降低了码速率，不仅抑制了ICI，而且解决了ISI的问题。

4.MT-CDMA方案
MT-CDMA方案的发射机在时域使用给定的扩展码将S/P转换的数据流扩展，对于扩展操作是先验得每个子载波的频率可以使用的最小频率间隔满足正交状态。

因此，每个子载波的频谱不再满足正交状态。

MT-CDMA方案使用与子载波数目成正比的更长的扩展码，因此与通常的单载波的DS-CDMA方案相比，该系统可以容纳更多的用户。

与MC-CDMA和多载波DS-CDMA 相比，MT-CDMA系统的频谱分布不均匀，各载波在同一个物理信道中心部分的频谱叠加的成分最多，不在保持正交，导致了抗干扰能力的下降。

六．结束语
OFDM技术由于其频谱利用率高，成本低等原因越来越受到人们的关注，在无线通信领域将会得到越来越广泛的应用，虽然CDMA系统有着良好的性能，但是相比之下，MC-CDMA 在频谱效率、抗多径干扰能力、信道估计技术、功率控制技术等方面都比前者更胜一筹。

当然，MC-CDMA技术也有一定的缺陷，比如由OFDM带来的峰均比较高，对频偏比较敏感等。

但相对于其优点来说，这些就并不是重要了，目前对其研究己经广泛展开，解决这些问题己不是难题。

因此，MC-CDMA将有望成为下一代无线通信技术的候选方案之一。

但由于现在的关于OFDM三个关键技术的算法在计算复杂度性能等方面总存在缺陷且不能满足目前急剧增加的移动用户对高速传输数据，高速移动接收，低功耗的要求，针对这些问题，可以继续研究这三个关键技术的具体算法。