OFDM在下一代移动通信中的应用

2019-11-03 09:15:23

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供稿：网友

东南大学移动通信国家重点实验室宋铁成

　　现阶段，关于下一代移动通信系统的研究工作已经提交给ITU-R第8研究组和世界无线电大会(WRC)。许多世界著名通信公司已经投入巨资研究下一代移动通信系统，而在这其中，对于OFDM技术的研究也成为业内关注的焦点。

　　OFDM与下一代通信系统　　总的来说，下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：户速率在准静止(低速移动和固定)情况下达20Mbit/s，在高速移动情况下达2Mbit/s；量要达到第三代系统的5～10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统；条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；网络的每比特成本要比第三代低。

　　在功能方面主要有以下要求：持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等；现与固定网或专用网的无缝化连接；能通过中间件支持和开通多种多样的ip业务；能提供用户定义的个性化服务；按服务级别收费。

　　由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中普遍存在着符号间干扰(ISI)。通常采用自适应均衡器来加以克服，但是，在高速数字通信系统中，为了保证克服ISI，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是城市环境可能使得均衡器的抽头数达上百。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题，OFDM技术因其频谱利用率高和抗多径衰落性能好而被普遍看好，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。近年来，由于DSP技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。

　　OFDM技术的主要思想是：将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。

　　关键系统技术

　　与下一代移动通信系统有关的OFDM系统关键系统技术有：

　　(1)时域和频域同步

　　前面已经提及，OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。　　在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。

　　在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行同步。

　　(2)信道估计

　　在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。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不断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。　　在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

　　(3)信道编码和交织

　　为了提高数字通信系统性能，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。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。

　　在OFDM系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统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经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。

　　(4)降低峰均功率比

　　由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值占相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)的OFDM信号，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PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际误应用。为了解决这一问题，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降低OFDM系统PAPR的方法。

　　(5)均衡

　　在一般的衰落环境下，OFDM系统中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，因此在一般情况下，OFDM系统就不必再做均衡了。

　　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，才能够使ISI尽量不出现。但是，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，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。

　　OFDM的优势与不足

　　OFDM技术能够使运营商节省频宽资源并提供高质量数据通信服务的技术，故已经被几乎所有固定无线装置的制造商和营运商看中。OFDM技术具有下面的优势：

　　1.该技术可以处理多体数据业务的异步特性，可以提供比传统多址技术更高的容量，并且可以抗信道的频率选择性衰落；

　　2.该技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；

　　3.该技术能提供队列服务，克服传输介质中外界信号的干扰，使无线通讯在大部分地区可以稳定使用；

　　4.该技术解决了在移动传输高速数据时所引起的无线信道性能变差的问题，从而极大地提高了传输信道的质量保持；

　　5.该技术具有快速纠错功能，能够应对随时可能出现的干扰信号，并重建所有在传送过程中遭到破坏的信号数据位；

　　6.该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；

　　7.该技术可以实现较高的安全传输性能，它允许数据在复数的高速的射频上被编码；

　　8.该技术对传输线路上的多路径外界信号干扰有较强的抵抗力，非常适合工作在一些恶劣的通信环境中。

　　OFDM的不足之处为：峰均功率比大，对系统中的非线怀敏感；对定时和频率偏移敏感。近年来，业内围绕这两个问题进行了大量研究工作，并且已经取得了许多进展。

小辞典

　　OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Divis-ion Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。这种技术是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常被称为是一项超越非视距的技术，利用在容易外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。　　OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制用的，它的特点是各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。

----《通信产业报》