移動通信課程論文

第四代移動通信關(guān)鍵技術(shù)OFDM摘要:隨著移動市場的快速發(fā)展，用戶對于移動通信系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，本文對第四代移動通信關(guān)鍵技術(shù)OFDM的性能和不足等進(jìn)行分析，闡述了OFDM的原理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用等。關(guān)鍵字：4G移動通信 OFDMThe Key Technology of the Fourth Generation of Mobile CommunicationOFDMAbstract: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 4GOFDM.Also,the principle and applications of OFDM is elaborated.Key words:4G mobile communication OFDM一、OFDM產(chǎn)生的背景 第四代移動通信（4G）中系統(tǒng)的速度可以達(dá)到1020Mb/s，最高可以達(dá)到100Mb/s。能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫漫游。未來的移動通信業(yè)務(wù)將從話音發(fā)展到數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體業(yè)務(wù)，因此，對服務(wù)質(zhì)量和傳輸速率的要求越來越高。這對移動通信系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。而寬帶在移動通信中是非常稀缺的資源，因此，必須采用先進(jìn)的技術(shù)有效地利用寶貴的頻率資源，以滿足高速率，大容量的業(yè)務(wù)需求。無線信道由于其信道特性不理想，發(fā)射的信號往往是經(jīng)過多條路到達(dá)接收端，即產(chǎn)生多徑效應(yīng)。從而造成接受信號相互重疊，產(chǎn)生信號符號間相互干擾，致使接收端判斷錯誤，嚴(yán)重影響信號的傳輸質(zhì)量，這種特征為信號傳輸?shù)膹浬⑿?。特別是當(dāng)信號的傳輸速率較高是更是如此。這是因?yàn)楫?dāng)信號的周期很短而信號傳輸速率又非常高時，在接收端信號符號重疊的程度將進(jìn)一步加深，從而信號的干擾就更加嚴(yán)重。從另一角度看，當(dāng)信號符號的傳輸速率較高時，信號帶寬較寬，當(dāng)信號帶寬接近和超過信道相干帶寬是，信道的時間彌散性將對接受信號造成頻率選擇性衰落。多徑效應(yīng)造成頻率選擇性衰落引起碼間干擾，使得接收端正確解調(diào)困難。嚴(yán)重時，單靠增加發(fā)射功率提高接收端的信噪比并不能降低誤碼率，而OFDM技術(shù)是目前進(jìn)行無線高速數(shù)據(jù)傳輸時提高資源利用率、克服多徑效應(yīng)的最有效的方法。 2、 OFDM的原理 OFDM的英文全稱為OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。OFDM的工作原理簡介，輸入數(shù)據(jù)心愿的速率為R，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，分成M個并行的子數(shù)據(jù)流，每個子數(shù)據(jù)流的速率為R/M，在每個子數(shù)據(jù)流中的若干個比特分成一組，每組的數(shù)目取決于對應(yīng)子載波上的調(diào)制方式，如PSKQAM等。M個并行的子數(shù)據(jù)信源編碼交織后進(jìn)行IFFT變換，將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域，IFFT塊的輸出是N個時域的樣點(diǎn)，在將長為Lp的CP(循環(huán)前綴)加到N個樣點(diǎn)前，形成循環(huán)擴(kuò)展的OFDM信元，因此，實(shí)際發(fā)送的OFDM信元的長度為Lp+N，經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換后發(fā)射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后移去CP，如果CP長度大于信號的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數(shù)據(jù)，去掉CP也就去掉了ISI的影響。上 變 頻D/A變換串/并變換IDFT編碼映射分幀分組串/并變換二進(jìn)制 OFDM . . . .信號 . . . . 信號 圖1-1 OFDM調(diào)制原理方框圖 3、 OFDM的關(guān)鍵技術(shù)1、 同步 與其它數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，OFDM系統(tǒng)需要可靠的同步技術(shù)，包括定時同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對系統(tǒng)的影響最大。移動無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號和頻率偏移，這會使OFDM系統(tǒng)子載波間的正交性遭到破壞，使子信道間的信號相互干擾，因此頻率同步是OFDM系統(tǒng)的一個重要問題。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端進(jìn)行FFT變換前，必須對頻率偏差進(jìn)行估計和補(bǔ)償?？刹捎醚h(huán)前綴方法對頻率進(jìn)行估計，即通過在時城內(nèi)吧OFDM符號的后面部分插入到該符號的開始部分，形成循環(huán)前綴。利用這一特性，可將信號延遲后與原信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，這樣循環(huán)前綴的相關(guān)輸出就可以用來估計頻率偏差。2、 信道編碼為了抗無線衰落信道中的隨機(jī)錯誤和突發(fā)錯誤，通常采用信道編碼和交織技術(shù)。OFDM系統(tǒng)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調(diào)整方式所利用，可以在子載波間進(jìn)行編碼，形成編碼的OFDM(COFDM),OFDM技術(shù)和信道編碼、頻率時間交織結(jié)合起來，提高系統(tǒng)的性能，其編碼可以采用各種碼（如分組碼和卷積碼）。3、 訓(xùn)練序列/導(dǎo)頻及信道估計技術(shù)接收端使用差分檢測時不需要信道估計，但仍需要一些導(dǎo)頻信號提供初始的相位參考，差分檢測可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和導(dǎo)頻的數(shù)量，但卻損失了信噪比。尤其是在OFDM系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號是時頻二維的，為了提高估計的精度和系統(tǒng)復(fù)雜度的折衰。導(dǎo)頻信號之間的間隔取決于相干時間和相干帶寬，在時域上，導(dǎo)頻間隔應(yīng)小于相干時間。在頻域上，導(dǎo)頻間隔應(yīng)小于相干帶寬。實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)頻的模式的設(shè)計要根據(jù)具體情況而定。4、 峰值功率 由于OFDM信號在時域上位N個正交子載波信號的疊加，當(dāng)著N個信號恰好都以峰值出現(xiàn)并將相加時，OFDM信號也產(chǎn)生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。這樣，為了不失真地傳輸這些高峰均值比的OFDM信號，對發(fā)送端和接收端的功率放大器和A/D變換器的線性度要求較高，且發(fā)送功率較低。解決方法一般有下述三種途徑：（1）信號失真技術(shù)采用峰值修剪技術(shù)和峰值窗口去除技術(shù)，使峰值振幅值簡單地非線性去除；（2）采用編碼方法將峰值功率控制和信道編碼結(jié)合起來，愿用合適的編碼和解碼方法，以避免出現(xiàn)較大的峰值信號；（3）采用擾碼技術(shù)，對所產(chǎn)生OFDM信號的相位重新設(shè)置，使互相關(guān)性為0，這樣可以減少OFDM的PAPR。這里所采用的典型方法為PTS（PartialTransmitSequence）和SLM(SelectiveMapping)。四、性能分析1、OFDM的主要優(yōu)點(diǎn) （1）OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通信聯(lián)絡(luò)失敗，但是在多載波系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。對這些子信道還可以采用糾錯碼來進(jìn)行糾錯。 （2）通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就可以通過將各個信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。 （3）可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多經(jīng)環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。 （4）高的頻譜利用率，這點(diǎn)在目前頻譜資源稀缺的無線環(huán)境中非常重要。當(dāng)子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。 （5）在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時分開至少1000個數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運(yùn)行的能力將直接威脅到目前市場上已經(jīng)開始流行的CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢，正式由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛和歡迎。 （6）基于DFT的OFDM有快速算法，而且算法的復(fù)雜度可以由DSP的發(fā)展來彌補(bǔ)。 （7）簡化了均衡器設(shè)計，或者根本不需要均衡器，且數(shù)據(jù)傳速率可調(diào)。 （8）OFDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)的工作方式。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制方式（如QPSK）時降低發(fā)射功率。功率控制與自適應(yīng)調(diào)制要取得平衡。也就是說對于一個發(fā)射臺，去過他有良好的信道，在發(fā)射功率保持不變的情況下，可使用較高的調(diào)制方案去64QAM；如果功率減小，調(diào)制方案也就可以相應(yīng)降低，使用QPSK方式等。正是因?yàn)镺FDM具有如此顯著的優(yōu)點(diǎn)，OFDM可以應(yīng)用于速率高于10Mb/s的寬帶無線接入系統(tǒng)。然而在寬帶無線接入領(lǐng)域一些公司開發(fā)的技術(shù)雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術(shù)。如VectorOFDM(VOFDM),WidebandOFDM(WOFDM),flashOFDM等。2、 OFDM的不足 （1）對頻率偏移、定時和相位噪聲比較敏感，容易帶來衰耗。傳輸?shù)姆蔷€性會造成互調(diào)失真（IMD），此時信號具有較高的噪聲電平，信噪比一般不會太高，失步和多普勒平移所造成的頻率偏移是信道間失去正交特性，僅僅1%的頻偏就會造成信噪比下降30db。所以精確定時和減少頻偏對OFDM尤為重要。如果做不到這點(diǎn)，OFDM的正交性將無法保證，必須引起各子載波之間的相互干擾和ISI。 （2）峰值與平均值比較相對大，這個比值增大和降低射頻放大器的功率效率。而且由于輸出信號的峰均比（PAR）高，正交頻分復(fù)用信號輸出信號有較大的動態(tài)范圍，所以對放大器的線性要求較高。 （3）OFDM自適應(yīng)跳頻技術(shù)會相應(yīng)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度。多徑信道中，速率為1Gb/s的信號的頻響特性每15cm就會發(fā)生很大的變化，因此信號的頻率刷新速度要比15cm的移動速率快很多，一般情況下終端每移動5cm刷新一次就足夠了。比如終端以每小時60Km的速度移動，刷新速率就是大約330次/s。當(dāng)終端移動速率每小時高于30Km時，自適應(yīng)跳頻就不是很適合了。當(dāng)信道變化太快，跳頻速度跟不上時，用隨機(jī)跳頻代替自適應(yīng)跳頻。 （4）引入的保護(hù)間隔降低了信道利用率。添加循環(huán)前綴技術(shù)利用的是離散線性系統(tǒng)原理中的一個概念。我們知道，在連續(xù)時間域，兩個時域信號的卷積就等于這兩個信號頻域形式的乘積。但是，在這離散時域的情況下一般是不成立的，除非使用無限大的樣值點(diǎn)N或者知道一個卷積信號時周期性的（在該情況下，信號可以被圓周卷積）。因?yàn)橹荒苁褂糜行У臉又迭c(diǎn)N，所以只能利用循環(huán)前綴使OFDM信息碼在我們感興趣的時間區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)周期性。循環(huán)前綴的另外一個好處是可以消除碼間干擾。我們要求循環(huán)前綴的值比信道內(nèi)存更大一些。多徑信號引起先發(fā)信息碼字的滯后到達(dá)而影響當(dāng)前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。但是，事實(shí)上，碼間干擾僅僅會干擾當(dāng)前新號碼的循環(huán)前綴。因此，使用適當(dāng)大小的循環(huán)前綴就能夠使OFDM技術(shù)消除碼間干擾。眾所周知，可靠性的提高勢必會帶來有效性的降低。所以保護(hù)間隔就形成了OFDM的另外一個缺點(diǎn)信道利用率低。 （5）對系統(tǒng)中的非線性問題敏感。在基于DFT的OFDM系統(tǒng)中，所有調(diào)制器的輸出都自動的聯(lián)合加在一起，然后這個合并后的信號被放大。使得基于DFT的OFDM系統(tǒng)對放大器的非線性敏感，因?yàn)楹喜⒑蟮男盘柧哂蓄愃朴诟咚乖肼暤姆忍匦?。這在OFDM系統(tǒng)中將引起相鄰信道之間的干擾，破壞其正交性。5、 OFDM的主要技術(shù)難點(diǎn)OFDM技術(shù)的主要技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)中的頻率和事件同步，基于導(dǎo)頻符號輔助的信道估計，峰平比問題和多普勒頻偏的影響以及基于OFDM、多載波技術(shù)的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究。6、 OFDM的應(yīng)用1.高清晰度數(shù)字電視廣播 OFDM在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)用，其中數(shù)字音頻廣播（DAB）標(biāo)準(zhǔn)是一個正式使用OFDM的標(biāo)準(zhǔn)。另外，當(dāng)前國際上全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)就包括OFDM技術(shù)，歐洲HDTV傳輸系統(tǒng)已經(jīng)采用COFDM(codedOFDM:編碼OFDM)技術(shù)。它具有很高的頻譜利用率，可以進(jìn)一步提高抗干擾能力，滿足電視系統(tǒng)的傳輸要求。選擇OFDM作為數(shù)字音頻廣播和數(shù)字視頻廣播（DVB）的主要原因在于：OFDM技術(shù)可以有效地解決多徑時延擴(kuò)展問題。 因此不難看出，OFDM技術(shù)良好的性能使得它在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。歐洲的DAB系統(tǒng)使用的OFDM調(diào)制技術(shù)其試驗(yàn)系統(tǒng)已在運(yùn)行，很快吸引了大量聽眾。它明顯的改善了移動中接受無線廣播的效果，用于DAB的成套芯片的開發(fā)工作正在一項(xiàng)歐洲發(fā)展項(xiàng)目中進(jìn)行，它將使OFDM接收機(jī)的價格大大降低，其市場前景非常好看。2.無線局域網(wǎng) HiperLNA/2物理層應(yīng)用了OFDM和鏈路自適應(yīng)技術(shù)，媒體接入控制（MAC）層采用面向連接、集中資源控制的TDMA/TDD方式和無線ATM技術(shù)，最高速率達(dá)54Mbps，實(shí)際應(yīng)用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE802.11無線局域網(wǎng)工作于ISM免許可證頻段，分別在5.8GHz和2.4GHz兩個頻段定義了采用OFDM技術(shù)的IEEE802.11a和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)，其最高數(shù)據(jù)傳輸速率提高到54Mbps。 技術(shù)的不斷發(fā)展，引發(fā)了融合。一些4G及3.5G的關(guān)鍵技術(shù)，如OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)、智能天線和軟件無線電等，開始應(yīng)用到無線區(qū)域網(wǎng)中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM調(diào)制技術(shù)，提高了傳輸速率，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。802.11n計劃采用MIMO與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術(shù)及傳輸技術(shù)，使得無線局域網(wǎng)的傳輸距離大大增加，可以達(dá)到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速率）。 而對今后要開展的在無線局域網(wǎng)中的多媒體業(yè)務(wù)來說，最高為54Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了進(jìn)一步提升無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)有線與無線局域網(wǎng)的無縫結(jié)合，IEEE成立了IEEE802.11n工作小組，以制定一項(xiàng)新的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11n計劃將WLAN的傳輸速率從802.1a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達(dá)320Mbps,成為802.11b/a/g之后的另一場重頭戲。和以往的802.11標(biāo)準(zhǔn)不同，802.11n協(xié)議為雙頻工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz兩個工作頻段）。這樣802.11n保證了與以往的802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)兼容。3.寬帶無線接入 OFDM技術(shù)適用于無線環(huán)境下的高速傳輸，不僅應(yīng)用于無線局域網(wǎng)，還在寬帶無線接入（BAW）中得到應(yīng)用。IEEE802.16工作組專門負(fù)責(zé)BWA方面的技術(shù)工作，它已經(jīng)開發(fā)了一個2GHz11GHzBWA的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16a，物理層就采用了OFDM技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅是新一代的無線接入技術(shù)，而且對未來蜂窩移動通信的發(fā)展也具有重要的意義。在BWA領(lǐng)域，一些公司開發(fā)的技術(shù)雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術(shù)，如Cisco和I