OFDM在下一代移動通信中的應用

2019-11-03 09:15:23

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供稿：網友

東南大學移動通信國家重點實驗室宋鐵成

　　現階段，關于下一代移動通信系統的研究工作已經提交給ITU-R第8研究組和世界無線電大會(WRC)。許多世界著名通信公司已經投入巨資研究下一代移動通信系統，而在這其中，對于OFDM技術的研究也成為業內關注的焦點。

　　OFDM與下一代通信系統　　總的來說，下一代移動通信系統在性能方面主要有以下要求：戶速率在準靜止(低速移動和固定)情況下達20Mbit/s，在高速移動情況下達2Mbit/s；量要達到第三代系統的5～10倍，傳輸質量相當于甚至優于第三代系統；條件相同時小區覆蓋范圍等于或大于第三代系統；具有不同速率間的自動切換能力，以保證通信質量；網絡的每比特成本要比第三代低。

　　在功能方面主要有以下要求：持下一代因特網和所有的信息設備、家用電器等；現與固定網或專用網的無縫化連接；能通過中間件支持和開通多種多樣的ip業務；能提供用戶定義的個性化服務；按服務級別收費。

　　由于信道傳輸特性不理想，各類無線和移動通信中普遍存在著符號間干擾(ISI)。通常采用自適應均衡器來加以克服，但是，在高速數字通信系統中，為了保證克服ISI，往往要求均衡器的抽頭數很大，尤其是城市環境可能使得均衡器的抽頭數達上百。這樣，必然大大增加了均衡器的復雜程度，使設備造價和成本大大提高。為了能在下一代移動通信中有效解決這一問題，OFDM技術因其頻譜利用率高和抗多徑衰落性能好而被普遍看好，以取代復雜而昂貴的自適應均衡器。近年來，由于DSP技術的飛速發展，OFDM作為一種可以有效對抗ISI的高速傳輸技術，引起了廣泛關注。

　　OFDM技術的主要思想是：將指配的信道分成許多正交子信道，在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸，信號帶寬小于信道的相關帶寬。

　　關鍵系統技術

　　與下一代移動通信系統有關的OFDM系統關鍵系統技術有：

　　(1)時域和頻域同步

　　前面已經提及，OFDM系統對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數字通信系統一樣，同步分為捕獲和跟蹤兩個階段?！　≡谙滦墟溌分?，基站向各個移動終端廣播式發同步信號，所以，下行鏈路同步相對簡單，較易實現。

　　在上行鏈路中，來自不同移動終端的信號必須同步到達基站，才能保證子載波間的正交性?；靖鶕饕苿咏K端發來的子載波攜帶信息進行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發回移動終端，以便讓移動終端進行同步。具體實現時，同步將分為時域同步和頻域同步，也可以時頻域同時進行同步。

　　(2)信道估計

　　在OFDM系統中，信道估計器的設計主要有兩個問題：一是導頻信息的選擇。由于無線信道常常是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤，因此導頻信息也必須不斷的傳送。二是既有較低的復雜度又有良好的導頻跟蹤能力的信道估計器的設計?！　≡趯嶋H設計中，導頻信息選擇和最佳估計器的設計通常又是相互關聯的，因為估計器的性能與導頻信息的傳輸方式有關。

　　(3)信道編碼和交織

　　為了提高數字通信系統性能，信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤，可以采用信道編碼；對于衰落信道中的突發錯誤，可以采用交織。實際應用中，通常同時采用信道編碼和交織，進一步改善整個系統的性能。

　　在OFDM系統中，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性能的，因為OFDM系統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被OFDM這種調制方式本身所利用了。但是，OFDM系統的結構卻為在子載波間進行編碼提供了機會，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)降低峰均功率比

　　由于OFDM信號時域上表現為N個正交子載波信號的疊加，當這N個信號恰好均以峰值占相加時，OFDM信號也將產生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。盡管峰值功率出現的概率較低，但為了不失真地傳輸這些高峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)的OFDM信號，發送端對高功率放大器(HPA)的線性度要求很高且發送效率極低，接收端對前端放大器以及A/D變換器的線性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系統的性能大大下降甚至直接影響實際誤應用。為了解決這一問題，人們提出了基于信號畸變技術、信號擾碼技術和基于信號空間擴展等降低OFDM系統PAPR的方法。

　　(5)均衡

　　在一般的衰落環境下，OFDM系統中均衡不是有效改善系統性能的方法。因為均衡的實質是補償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術本身已經利用了多徑信道的分集特性，因此在一般情況下，OFDM系統就不必再做均衡了。

　　在高度散射的信道中，信道記憶長度很長，CP的長度必須很長，才能夠使ISI盡量不出現。但是，CP長度過長必然導致能量大量損失，尤其對子載波個數不是很大的系統。這時，可以考慮加均衡器以使CP的長度適當減小，即通過增加系統的復雜性換取系統頻帶利用率的提高。

　　OFDM的優勢與不足

　　OFDM技術能夠使運營商節省頻寬資源并提供高質量數據通信服務的技術，故已經被幾乎所有固定無線裝置的制造商和營運商看中。OFDM技術具有下面的優勢：

　　1.該技術可以處理多體數據業務的異步特性，可以提供比傳統多址技術更高的容量，并且可以抗信道的頻率選擇性衰落；

　　2.該技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化。由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發生變化，所以OFDM能動態地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信；

　　3.該技術能提供隊列服務，克服傳輸介質中外界信號的干擾，使無線通訊在大部分地區可以穩定使用；

　　4.該技術解決了在移動傳輸高速數據時所引起的無線信道性能變差的問題，從而極大地提高了傳輸信道的質量保持；

　　5.該技術具有快速糾錯功能，能夠應對隨時可能出現的干擾信號，并重建所有在傳送過程中遭到破壞的信號數據位；

　　6.該技術可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信；

　　7.該技術可以實現較高的安全傳輸性能，它允許數據在復數的高速的射頻上被編碼；

　　8.該技術對傳輸線路上的多路徑外界信號干擾有較強的抵抗力，非常適合工作在一些惡劣的通信環境中。

　　OFDM的不足之處為：峰均功率比大，對系統中的非線懷敏感；對定時和頻率偏移敏感。近年來，業內圍繞這兩個問題進行了大量研究工作，并且已經取得了許多進展。

小辭典

　　OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Divis-ion Multiplexing，中文含義為正交頻分復用技術。這種技術是HPA聯盟(HomePlug Powerline Alliance)工業規范的基礎，它采用一種不連續的多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常被稱為是一項超越非視距的技術，利用在容易外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中?！　FDM技術的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進對多載波的調制用的，它的特點是各子載波相互正交，于是擴頻調制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。

----《通信產業報》