移动通信课程论文

第四代移动通信关键技术——OFDM 摘要:随着移动市场的快速发展，用户对于移动通信系统的性能提出了更高的要求，本文对第四代移动通信关键技术——OFDM 的性能和不足等进行分析，阐述了OFDM 的原理、关键技术和应用等。

关键字：4G 移动通信 OFDM

The Key Technology of the Fourth Generation of Mobile Communication ——OFDM Abstract:With the rapid expansion of the mobile market,users put forward higher requirements for the performance of mobile communication system.This paper analyses performance and shortage of the key technique of 4G ——OFDM.Also,the principle and applications of OFDM is elaborated.

Key words:4G mobile communication OFDM

一、OFDM 产生的背景

第四代移动通信（4G ）中系统的速度可以达到10～20Mb/s ，最高可以达到100Mb/s 。能够实现全球无缝漫游。未来的移动通信业务将从话音发展到数据、图像、视频等多媒体业务，因此，对服务质量和传输速率的要求越来越高。这对移动通信系统的性能提出了更高的要求。而宽带在移动通信中是非常稀缺的资源，因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率，大容量的业务需求。

无线信道由于其信道特性不理想，发射的信号往往是经过多条路到达接收端，即产生多径效应。从而造成接受信号相互重叠，产生信号符号间相互干扰，致使接收端判断错误，严重影响信号的传输质量，这种特征为信号传输的弥散性。特别是当信号的传输速率较高是更是如此。这是因为当信号的周期很短而信号传输速率又非常高时，在接收端信号符号重叠的程度将进一步加深，从而信号的干扰就更加严重。从另一角度看，当信号符号的传输速率较高时，信号带宽较宽，当信号带宽接近和超过信道相干带宽是，信道的时间弥散性将对接受信号造成频率选择性衰落。多径效应造成频率选择性衰落引起码间干扰，使得接收端正确解调困难。严重时，单靠增加发射功率提高接收端的信噪比并不能降低误码率，而OFDM 技术是目前进行无线高速数据传输时提高资源利用率、克服多径效应的最有效的方法。

二、OFDM 的原理

OFDM 的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用技术。

OFDM 的工作原理简介，输入数据心愿的速率为R ，经过串并转换后，分成M 个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/M ，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如PSKQAM 等。M 个并行的子数据信源编码交织后进行IFFT 变换，将频域信号转换到时域，IFFT 块的输出是N 个时域的样点，在将长为Lp 的CP(循环前缀)加到N 个样点前，形成循环扩展的OFDM 信元，因此，实际发送的OFDM 信元的长度为Lp+N ，经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去CP ，如果CP 长度大于信号的记忆长度时，ISI 仅仅影响CP ，而不影响有用数据，去掉CP 也就去掉了ISI 的影响。 二进制 OFDM . . . . 信号 . . . . 信号

分帧 分组 串/并变换 编码 映射 ID FT 串/并变换 D/A 变换 上

变 频 图1-1 OFDM 调制原理方框图

三、OFDM的关键技术

1、同步

与其它数字通信系统一样，OFDM系统需要可靠的同步技术，包括定时同步、频率同步和相位同步，其中频率同步对系统的影响最大。移动无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号和频率偏移，这会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，使子信道间的信号相互干扰，因此频率同步是OFDM系统的一个重要问题。为了不破坏子载波间的正交性，在接收端进行FFT变换前，必须对频率偏差进行估计和补偿。

可采用循环前缀方法对频率进行估计，即通过在时城内吧OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。利用这一特性，可将信号延迟后与原信号进行相关运算，这样循环前缀的相关输出就可以用来估计频率偏差。

2、信道编码

为了抗无线衰落信道中的随机错误和突发错误，通常采用信道编码和交织技术。OFDM 系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性已被OFDM调整方式所利用，可以在子载波间进行编码，形成编码的OFDM(COFDM),OFDM技术和信道编码、频率时间交织结合起来，提高系统的性能，其编码可以采用各种码（如分组码和卷积码）。

3、训练序列/导频及信道估计技术

接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，导频信号是时频二维的，为了提高估计的精度和系统复杂度的折衰。导频信号之间的间隔取决于相干时间和相干带宽，在时域上，导频间隔应小于相干时间。在频域上，导频间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频的模式的设计要根据具体情况而定。

4、峰值功率

由于OFDM信号在时域上位N个正交子载波信号的叠加，当着N个信号恰好都以峰值出现并将相加时，OFDM信号也产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。这样，为了不失真地传输这些高峰均值比的OFDM信号，对发送端和接收端的功率放大器和A/D变换器的线性度要求较高，且发送功率较低。解决方法一般有下述三种途径：

（1）信号失真技术采用峰值修剪技术和峰值窗口去除技术，使峰值振幅值简单地非线性去除；

（2）采用编码方法将峰值功率控制和信道编码结合起来，愿用合适的编码和解码方法，以避免出现较大的峰值信号；

（3）采用扰码技术，对所产生OFDM信号的相位重新设置，使互相关性为0，这样可以减少OFDM的PAPR。这里所采用的典型方法为PTS（Partial Transmit Sequence）和

SLM(Selective Mapping)。

四、性能分析

1、OFDM的主要优点

（1）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信联络失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

（2）通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就可以通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。

（3）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多经环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。