OFDM在4G和5G通信中的應(yīng)用和展望

1、OFDM在4G和5G通信中的應(yīng)用和展望OFDM發(fā)展及簡介在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個(gè)互相分離的子信道（載波）。載波之間有一定的保護(hù)間隔，接收端通過濾波器把各個(gè)子信道分離之后接收所需信息。這樣雖然可以避免不同信道互相干擾，但卻以犧牲頻率利用率為代價(jià)。而且當(dāng)子信道數(shù)量很大的時(shí)候，大量分離各子信道信號的濾波器的設(shè)置就成了幾乎不可能的事情。上個(gè)世紀(jì)中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作子載波，也就是我們所說的OFDMOFDM的英文全稱為OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。這種

2、“正交”表示的是載波頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。按照這種設(shè)想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯(cuò)。正交頻分復(fù)用OFD雇一種多載波并行傳輸系統(tǒng)，通過延長傳輸符號的周期，增強(qiáng)其抵抗回波的能力。與傳統(tǒng)的均衡器比較，它最大的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，可大大降低成本，且在實(shí)際應(yīng)用中非常靈活，對高速數(shù)字通信量一種非常有潛力的技術(shù)。OFDM技術(shù)由于具備頻譜利用率高，有較強(qiáng)的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴(kuò)散能力等特點(diǎn)，是一種非常適用于無線環(huán)境的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。其中OFDM技術(shù)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以提供比目前無線數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)量更高的服務(wù)

3、和更好的性能價(jià)格比，能為4G無線網(wǎng)提供更好的方案。OFDMt點(diǎn)，不足之處，技術(shù)難題1.OFDM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(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)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米用糾錯(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。(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(gè)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

4、率選擇性衰落時(shí)，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(gè)數(shù)很大時(shí)，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)。(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(jì)，或者根本不需要均衡器，且數(shù)據(jù)傳速率可調(diào)。(8) OFDME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。2.OFDM主要的不足之處(1) 對頻率偏移、定時(shí)和相位噪聲比較敏感，容易帶來衰耗。傳輸?shù)姆蔷€性會造成

5、互調(diào)失真(IMD)，此時(shí)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%勺頻偏就會造成信噪比下降30db。所以精確定時(shí)和減少頻偏對OFDM尤為重要。如果做不到這點(diǎn)，OFDM勺正交性將無法保證，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(gè)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(dòng)態(tài)范圍，所以對放大器的線性要求較高。（3）OFDM!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。（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

6、統(tǒng)原理中的一個(gè)概念。我們知道，在連續(xù)時(shí)間域，兩個(gè)時(shí)域信號的卷積就等于這兩個(gè)信號頻域形式的乘積。但是，在這離散時(shí)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(gè)卷積信號時(shí)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言息碼在我們感興趣的時(shí)間區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)周期性。循環(huán)前綴的另外一個(gè)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

7、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勺另外一個(gè)缺點(diǎn)一信道利用率低。（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(dòng)的聯(lián)合加在一起，然后這個(gè)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蟮男盘柧哂蓄愃朴趩J斯噪聲的幅度特性。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。3.OFDM勺主要技術(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(jì)，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(dòng)通信系統(tǒng)的多址方案的研究。第四代移動(dòng)通信所用

8、MIMI-OFDM技術(shù)4G提供高達(dá)100Mb/S甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持從語音到多媒體的業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、電視衛(wèi)星通信等的無縫連接，相互兼容。數(shù)據(jù)傳輸速率還可以根據(jù)所要的速率不同進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)如此高速率和大容量,需要提高頻譜效率。OFDM技術(shù)是可以高效地利用頻譜資源并有效地對抗頻率選擇性衰落。MIMO利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。MI-MO和OFDM結(jié)合可以克服無線信道頻率選擇性衰落、增加系統(tǒng)容量、提高頻譜利用率，成為4G中關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO是無線通信領(lǐng)域智能天線的重大突破，它在發(fā)送端和接收端

9、使用多天線（或天線陣）同時(shí)發(fā)送、接收信號，如圖1所示，若各發(fā)送、接收天線之間的信道沖激響應(yīng)獨(dú)立，MIMO就可以創(chuàng)造多個(gè)并行的空間信道。通過這些并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息，傳輸速率必然可以增加。由于各發(fā)送天線同時(shí)發(fā)送的信號占用同一頻段，所以在沒有增加帶寬的情況下，成倍地提高了系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，信道容量將會隨天線數(shù)目的增加而線性增加，如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)天線數(shù)目增多時(shí)，系統(tǒng)容量和信噪比幾乎成線性關(guān)系同時(shí)也證明MIMC能改善系統(tǒng)性能。匱1吐HI0系統(tǒng)框圖0iEIT卻5SK(dUIfz信世容品弓天tvs敬之間關(guān)王n»»-7H上龍)塞建割«MIMO系統(tǒng)可以抗多徑

10、衰洛，但對于頻率選擇性衰洛，MIMO仍無能為力，在4G中采用均衡技術(shù)和OFDM技術(shù)來解決。4G需要高的頻譜利用率的技術(shù)，但OFDM提高頻譜利用率的能力有限，若結(jié)合MIMO技術(shù)，可以在不增加帶寬的情況下提高頻譜效率。它利用時(shí)間、頻率和空間三種分集技術(shù)，使無線系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑的容限大大增加。MIMO-OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)1信道估計(jì)信道估計(jì)，就是利用信號的確知信息來估計(jì)出實(shí)際信道的徑數(shù)和徑的系數(shù)，目的是識別每副發(fā)送天線與接收天線之間的信道沖激響應(yīng)。目前信道估計(jì)有兩類：一類是基于訓(xùn)練序列或?qū)ьl的方法，此類方法在時(shí)變信道中，需要周期性地發(fā)送訓(xùn)練序列，訓(xùn)練序列的發(fā)送要占用信道容量，從而降低了信道利用

11、率，它的好處是估計(jì)誤差小，收斂速度快；另一類是采用盲方法來進(jìn)行信道辨別，分為全盲和半盲信道估計(jì)。全盲信道估計(jì)是利用信道的輸出與輸入有關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，在無需知道導(dǎo)頻或訓(xùn)練序列的情況下估計(jì)信道參數(shù)，好處是傳輸效率高，不足是魯棒性相對較差、收斂速度慢，而且運(yùn)算量較大。半盲是結(jié)合盲處理和少量導(dǎo)頻信號或訓(xùn)練序列，可以克服由碼間干擾和不同信號源干擾引起的對盲處理的限制。盲方法可以提高信道利用率，更適合于高速數(shù)字通信信道，但全盲算法運(yùn)算量相對較大，而且收斂速度慢，目前還難以實(shí)用化。而半盲算法是對盲算法和基于導(dǎo)頻法的折衷處理，降低了運(yùn)算復(fù)雜度?？梢灶A(yù)計(jì)，對盲信道估計(jì)的研究將成為MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)的熱

12、點(diǎn)。2同步MIMO-OFDM系統(tǒng)對定時(shí)和頻偏敏感，因此時(shí)域和頻率同步特別重要。MIMO-OFDM系統(tǒng)同步問題包括載波同步、符號同步和幀同步。載波頻率不同步會破壞子載波間的正交性，不僅造成輸出信號幅度衰減及信號相位旋轉(zhuǎn)，更嚴(yán)重是帶來ICI,同時(shí)還會影響到符號定時(shí)和幀同步的性能。所以載波同步對MI-MO-OFDM系統(tǒng)尤為重要。符號定時(shí)的目的是為了找到FFT窗的起始位置，使子系統(tǒng)保持正交且ISI被完全消除或降至最小。可以采用特殊的訓(xùn)練序列或用循環(huán)前綴的相關(guān)特性進(jìn)行符號定時(shí)。幀同步是在OFDM符號流中找出幀的開始位置，在幀頭被檢測到的基礎(chǔ)上，接收機(jī)根據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義，以不同方式處理一幀中具有不同作用的符

13、號。3分集技術(shù)無線通信的不可靠性主要是由無線衰落信道時(shí)變和多徑特性引起的，如何在不增加功率和不犧牲帶寬情況下，同時(shí)減少多徑衰落對基站和移動(dòng)臺的影響就顯得很重要。唯一方法是采用抗衰落技術(shù)，克服多徑衰落的有效方法是各種分集技術(shù)。分集技術(shù)目前分為時(shí)間分集、頻率分集和空間分集等。時(shí)間分集是在時(shí)域內(nèi)提供多個(gè)信號副本，為獲得好的分集效果，要求發(fā)送冗余信號的若干時(shí)隙之間相互獨(dú)立。頻率分集就是在不同載波頻率上提供多個(gè)信號副本，要求幾個(gè)載波頻率間隔要大于衰落信道的相干帶寬，從而獲得比較好的分集增益?？臻g分集就是采用多個(gè)天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為保證多個(gè)發(fā)送或多個(gè)接收信號之間的獨(dú)立性，要求各個(gè)天線之間距離要足夠大，一

14、般大于若干個(gè)波長。每一種分集技術(shù)都有它的適用的場合，因此在新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，必須考慮多種技術(shù)的結(jié)合。4空時(shí)編碼空時(shí)編碼是有效提高頻譜利用率的重要方案之一。目前空時(shí)編碼方式主要有：1）分層空時(shí)碼（LST）;2）空時(shí)格形碼（STTC）;3）空時(shí)分組碼（STBC）;4）空時(shí)頻編碼（STFC）。LST的特點(diǎn)是其編解碼的過程非常簡單，其編碼性能是這幾種編碼方法中最差的，最根本原因是由于它沒有實(shí)現(xiàn)分集。STTC是由AT&T實(shí)驗(yàn)室的Tarokh博士領(lǐng)導(dǎo)的科研小組提出的，它是利用格形編碼原則，對輸入碼元進(jìn)行編碼，然后再通過天線陣發(fā)射，其優(yōu)點(diǎn)是具有高的分集增益和編碼增益、發(fā)射帶寬無損失，缺點(diǎn)是其解碼

15、復(fù)雜度隨發(fā)射速率的增大而指數(shù)增加，其解碼過程極其復(fù)雜。STBC支持最大似然檢測（ML）,接收端采用線性處理技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是譯碼復(fù)雜度比STTC大大的降低，而且有效的獲得了分集增益，并沒有展寬帶寬，沒有犧牲頻譜效率，缺點(diǎn)是不能提供任何實(shí)質(zhì)上的編碼增益。STFC是MIMO-OFDM勺一項(xiàng)新技術(shù)。STFC-OFDM系統(tǒng)將時(shí)間、空間和頻率三種分集有效結(jié)合在一起，在一定情況下能獲得全滿的分集增益，從而提高系統(tǒng)的性能。OFDMfc第五代移動(dòng)通信（5G中的應(yīng)用與展望5G是一個(gè)面向信息社會需求的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)；5G發(fā)展的另一個(gè)目標(biāo)是滿足未來1000倍及以上的流量增長需求及10Gbit/s的峰值速率和100Mbi

16、t/s的用戶速率體驗(yàn)等；5G還需要可以持續(xù)的降低網(wǎng)絡(luò)成本和能耗、拓展業(yè)務(wù)的支持能力及提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性同時(shí)，5G不單單只是在速度和吞度量上有大的提咼和飛躍，更多的是建立一個(gè)更為完善的網(wǎng)絡(luò)，讓用戶全方位的體驗(yàn)科技帶來的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一體化，各類設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的自我檢測、自我修復(fù)能力，大大地節(jié)省人力資源，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和適應(yīng)性。比如，通過手機(jī)終端可以與家里的高清電視進(jìn)行通信，通過投影儀可以直接下載網(wǎng)絡(luò)高清影響并進(jìn)行播放，這些更為人性化的功能會讓用戶更好地享受科技進(jìn)步對日常生活質(zhì)量帶來的提高和便利。不過,盡管這樣一個(gè)有優(yōu)勢的屬性，OFDM/OFDMA也有一定的缺陷，和他們在即將到

17、來的一代無線網(wǎng)絡(luò)所面臨一定的挑戰(zhàn)。事實(shí)上,OFDM是有限的頻譜效率的需要循環(huán)前綴（CP）和大的旁瓣（需要一些空警衛(wèi)隊(duì)音調(diào)頻譜邊緣）,OFDM團(tuán)體最終可能出現(xiàn)大peak-to-average-power比率值，并有嚴(yán)格的在副載波頻率同步的限制，使OFDMOFDM在5G中的應(yīng)用受到進(jìn)一步的限制。特別是，同步是一個(gè)關(guān)鍵問題在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的上行分別在不同的移動(dòng)終端傳輸，而且在下行基站協(xié)調(diào)使用。例如，對旁瓣和CP的頻譜效率損失，在LTE喜用操作10MHz帶寬，只有9MHz的帶寬可以使用。此外，CP的損失在7%左右，所以累計(jì)損失總額為16%這些缺點(diǎn)，使許多OFDMOFDMA的優(yōu)勢,形成一個(gè)開放的基礎(chǔ)和激烈辯論的調(diào)制和多個(gè)訪問策略應(yīng)該在下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)。第五代蜂窩系統(tǒng)將一些創(chuàng)新策略對現(xiàn)有LTE系統(tǒng)，包括，廣泛采用的小細(xì)胞，使用毫米（mm波通信短程鏈接、大型天線陣列安