趙婧華 酆廣增 1 緒論 無(wú)線通信與個(gè)人通信在短短的幾十年間經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信、從FDMA到CDMA的巨大發(fā)展，目前又有新技術(shù)出現(xiàn)，比以CDMA為核心的第三代移動(dòng)通信技術(shù)更加完善，我們稱之為“第四代移動(dòng)通信技術(shù)”，

OFDM—第四代無(wú)線通信的技術(shù)核心網(wǎng)絡(luò)知識(shí)

。 縱觀移動(dòng)通信的發(fā)展史，第一代模擬

   

   

    趙婧華 酆廣增

    1 緒論

    無(wú)線通信與個(gè)人通信在短短的幾十年間經(jīng)歷了從模擬通信到數(shù)字通信、從FDMA到CDMA的巨大發(fā)展，目前又有新技術(shù)出現(xiàn)，比以CDMA為核心的第三代移動(dòng)通信技術(shù)更加完善，我們稱之為“第四代移動(dòng)通信技術(shù)”。

    縱觀移動(dòng)通信的發(fā)展史，第一代模擬系統(tǒng)僅提供語(yǔ)音服務(wù)，不能傳輸數(shù)據(jù)；第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率也只有9.6bit/s，最高可達(dá)32kbit/s；第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到2Mbit/s；而我們目前所致力研究的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)可以達(dá)到10Mbit/s至20Mbit/s。雖然第三代移動(dòng)通信可以比現(xiàn)有傳輸速率快上千倍，但是仍無(wú)法滿足未來(lái)多媒體通信的要求，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的提出便是希望能滿足提供更大的頻寬需求。

    第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃以O(shè)FDM(正交頻分復(fù)用)為核心技術(shù)提供增值服務(wù)，它在寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力。較之第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用多種新技術(shù)的OFDM具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，它不僅僅可以增加系統(tǒng)容量，更重要的是它能更好地滿足多媒體通信要求，將包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、影像等大量信息的多媒體業(yè)務(wù)通過(guò)寬頻信道高品質(zhì)地傳送出去

    2 OFDM的發(fā)展史

    OFDM并不是新生事物，它由多載波調(diào)制（MCM）發(fā)展而來(lái)。美國(guó)軍方早在上世紀(jì)的50、60年代就創(chuàng)建了世界上第一個(gè)MCM系統(tǒng)，在1970年衍生出采用大規(guī)模子載波和頻率重疊技術(shù)的OFDM系統(tǒng)。但在以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM的各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制，但在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)時(shí)傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素都成為OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制約條件。后來(lái)經(jīng)過(guò)大量研究，終于在20世紀(jì)80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實(shí)現(xiàn)的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺(tái)，逐步邁入高速M(fèi)odem和數(shù)字移動(dòng)通信的領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代,OFDM開始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻廣播（DAB）、高清晰度數(shù)字電視(HDTV)和無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）。隨著DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應(yīng)技術(shù)等成熟技術(shù)的應(yīng)用，OFMD技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和完善指日可待。

    3 OFDM的基本原理

    OFDM是一種特殊的多載波傳送方案，單個(gè)用戶的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流（100 Hz ~ 50 kHz），每個(gè)碼流都用一條載波發(fā)送。OFDM棄用傳統(tǒng)的用帶通濾波器來(lái)分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，因此我們說(shuō)，OFDM既可以當(dāng)作調(diào)制技術(shù)，也可以當(dāng)作復(fù)用技術(shù)。OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或者干擾可能導(dǎo)致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會(huì)有一小部分載波受影響。糾錯(cuò)碼的應(yīng)用可以幫助其恢復(fù)一些易錯(cuò)載波上的信息。像這樣用并行數(shù)據(jù)傳送和頻分復(fù)用的思路早在20世紀(jì)60年代的中期就被提出來(lái)了。

    在傳統(tǒng)的并行通信系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)頻帶被劃分為N個(gè)互不混疊的子信道，每個(gè)子信道被一個(gè)獨(dú)立的信源符號(hào)調(diào)制，即N個(gè)子信道被頻分復(fù)用。這種做法，雖然可以避免不同信道互相干擾但卻以犧牲頻帶利用率為代價(jià)，這在頻帶資源如此緊張的今天尤其不能忍受。上個(gè)世紀(jì)中期，人們又提出了頻帶混疊的子信道方案，信息速率為a，并且每個(gè)信道之間距離也為a Hz，這樣可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯(cuò)，同時(shí)可以充分利用信道帶寬,節(jié)省了50%。為了減少各個(gè)子信道間的干擾，我們希望各個(gè)載波間正交。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。如前所述，傳統(tǒng)的頻分復(fù)用的載波頻率之間有一定的保護(hù)間隔，通過(guò)濾波器接收所需信息。在這樣的接收機(jī)下，保護(hù)頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。

    OFDM不存在這個(gè)缺點(diǎn)，它允許各載波間頻率互相混疊，采用了基于載波頻率正交的FFT調(diào)制，由于各個(gè)載波的中心頻點(diǎn)處沒(méi)有其他載波的頻譜分量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)載波的正交。盡管還是頻分復(fù)用，但已與過(guò)去的FDMA有了很大的不同：不再是通過(guò)很多帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。OFDM的接收機(jī)實(shí)際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其他載波由于與所積分的信號(hào)正交，因此不會(huì)對(duì)這個(gè)積分結(jié)果產(chǎn)生影響，

電腦資料

《OFDM—第四代無(wú)線通信的技術(shù)核心網(wǎng)絡(luò)知識(shí)》(http://www.shangyepx.com)。OFDM的高數(shù)據(jù)速率與子載波的數(shù)量有關(guān)，增加子載波數(shù)目就能提高數(shù)據(jù)的傳送速率。OFDM每個(gè)頻帶的調(diào)制方法可以不同，這增加了系統(tǒng)的靈活性，大多數(shù)通信系統(tǒng)都能提供兩種以上的業(yè)務(wù)來(lái)支持多個(gè)用戶，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統(tǒng)。

    4 OFDM的主要技術(shù)

    4．1 調(diào)制方式

    OFDM系統(tǒng)的各個(gè)載波可以根據(jù)信道的條件來(lái)使用不同的調(diào)制，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式可以獲得最大頻譜效率。多徑信道的頻率選擇性衰落會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)功率大幅下降，達(dá)到30dB之多，信噪比也大幅下降。使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式可以提高頻譜利用率。眾所周知，可靠性是通信系統(tǒng)運(yùn)行是否良好的重要考核指標(biāo)，因此系統(tǒng)通常選擇BPSK或QPSK調(diào)制，這樣可以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調(diào)制的頻譜效率太低。如果使用自適應(yīng)調(diào)制，那么在信道好的時(shí)候終端就可以使用較高的調(diào)制，同樣在終端靠近基站時(shí)，調(diào)制可以由BPSK（1bit/s/Hz）轉(zhuǎn)化成16QAM ~ 64QAM（4~6 bit/s/Hz），整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率得到大幅度的改善，自適應(yīng)調(diào)制能夠使系統(tǒng)容量翻番。但任何事物都有其兩面性，自適應(yīng)調(diào)制也不例外。它要求信號(hào)必需包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號(hào)所采用的調(diào)制方式，并且，終端需要定期更新調(diào)制信息，這又勢(shì)必會(huì)增加更多的開銷比特。OFDM技術(shù)將這個(gè)矛盾迎刃而解，通過(guò)采用功率控制和自適應(yīng)調(diào)制協(xié)調(diào)工作的技術(shù)。信道好的時(shí)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（如QPSK）時(shí)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(shuō)對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn)端發(fā)射臺(tái)，它有良好的信道，若發(fā)送功率保持不變，可使用較高的調(diào)制方案如64QAM；若功率可以減小，調(diào)制方案也相應(yīng)降低，可使用QPSK。

    失真、頻偏也是在選擇調(diào)制時(shí)必須考慮的因素。傳輸?shù)姆蔷�性會(huì)造成互調(diào)失真（IMD），此時(shí)信號(hào)具有較高的噪聲電平，信噪比一般不會(huì)太高；失步和多普勒平移所造成的頻率偏移使信道間失去正交特性，僅僅1％的頻偏就會(huì)造成信噪比下降30dB。信噪比限制了最大頻譜利用率只能接近5~7bit/s/Hz。自適應(yīng)調(diào)制要求對(duì)信道的性能有充分的了解，如果在差的信道上使用較強(qiáng)的調(diào)制方式，那么就會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可靠性。多用戶OFDM系統(tǒng)的導(dǎo)頻信道或參考碼字可以用來(lái)測(cè)試信道的好壞。發(fā)送一個(gè)已知數(shù)據(jù)的碼字，在滿足通信極限的情況下測(cè)量出每條信道的信噪比，根據(jù)這個(gè)信噪比來(lái)確定最適合的調(diào)制方式。

    4．2 信道分配

    為用戶分配信道有多種方式，最主要的兩種是分組信道分配、自適應(yīng)信道分配。

    4.2.1 分組信道

    最簡(jiǎn)單的方法是將信道分組分配給每個(gè)用戶，這樣可以使由于失真、各信道能量的不均衡和頻偏所造成的用戶間的干擾最小。但載波分組會(huì)使信號(hào)容易衰落。載波跳頻可以解決這個(gè)問(wèn)題。分組隨機(jī)跳頻空閑時(shí)間較短，約11個(gè)字符時(shí)間。利用時(shí)間交織和前向糾錯(cuò)可以恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，但是會(huì)降低系統(tǒng)容量增加信號(hào)時(shí)延。

    4.2.2 自適應(yīng)跳頻

    這是一種新的基于信道性能的跳頻技術(shù)。信道用來(lái)傳遞對(duì)它來(lái)說(shuō)具有最佳信噪比的信號(hào)。因?yàn)槊總�(gè)用戶的位置不同，所以信號(hào)的衰落模式也不相同，因此每個(gè)用戶收到的最強(qiáng)信號(hào)都不同于其他用戶，從而相互之間不會(huì)發(fā)生沖突。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應(yīng)跳頻可以大幅提高信號(hào)接收功率，能夠達(dá)到5~20dB，令人驚異。事實(shí)上，自適應(yīng)跳頻消除了頻率選擇性衰落。

    多徑信道中，速率為1Gbit/s的信號(hào)的頻響特性每15cm就會(huì)發(fā)生很大的變化，因此信號(hào)的頻率刷新速率要比15cm的移動(dòng)速率快很多，一般情況下終端每移動(dòng)5cm刷新一次就足夠了。比如終端以每小時(shí)60km的速度移動(dòng)，刷新速率就是大約330次/秒。跳頻的開銷比特?cái)?shù)量與用戶速率、用戶數(shù)量以及系統(tǒng)是全雙工還是半雙工有關(guān)。全雙工系統(tǒng)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的工作頻率的間隔至少應(yīng)大于40MHz，信道數(shù)量是用戶數(shù)的兩倍，發(fā)射的參考碼字的數(shù)量比用戶數(shù)多1個(gè)，也就是說(shuō)除了每個(gè)用戶需要發(fā)送一個(gè)參考碼字外，基站的前向信道也必需發(fā)送一個(gè)。采用并行通信可以減少參考碼字，20個(gè)用戶可以共用一個(gè)參考碼字。對(duì)于一個(gè)10Mbit/s帶寬全雙工系統(tǒng)，有100個(gè)速率為50kbit/s的用戶，調(diào)制方式是QPSK，其開銷比特將占整個(gè)數(shù)據(jù)的30%～50%。而時(shí)分半雙工系統(tǒng)可以減少開銷比特，只有10%~15%。

    當(dāng)信道變化太快，跳頻速度跟不上時(shí)，用隨機(jī)跳頻代替自適應(yīng)跳頻。由于這種轉(zhuǎn)換非�？�，所以衰落時(shí)間很短暫，采用時(shí)間交錯(cuò)和前向糾錯(cuò)能夠補(bǔ)償這種衰落。時(shí)間交錯(cuò)要求盡可能短，否則會(huì)增加時(shí)延。

    4．3 多天線

    ODFM由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）可以用于寬帶OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用由大

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