OFDM發(fā)展及簡介

在傳統(tǒng)的多載波通信系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)頻帶被劃分為若干個互相分離的子信道（載波）。載波之間有一定的保護間隔，接收端通過濾波器把各個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。而且當子信道數量很大的時候，大量分離各子信道信號的濾波器的設置就成了幾乎不可能的事情。上個世紀中期，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OFDM。OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含義為正交頻分復用技術。這種“正交”表示的是載波頻率間精確的數學關系。按照這種設想，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。

正交頻分復用OFDM是一種多載波并行傳輸系統(tǒng)，通過延長傳輸符號的周期，增強其抵抗回波的能力。與傳統(tǒng)的均衡器比較，它最大的特點在于結構簡單，可大大降低成本，且在實際應用中非常靈活，對高速數字通信量一種非常有潛力的技術。OFDM技術由于具備頻譜利用率高，有較強的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴散能力等特點，是一種非常適用于無線環(huán)境的高速數據傳輸技術。其中OFDM技術的特點是網絡結構高度可擴展，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據技術質量更高的服務和更好的性能價格比，能為4G無線網提供更好的方案。

OFDM優(yōu)點，不足之處，技術難題

1.OFDM主要優(yōu)點：

（1）OFDM技術的最大優(yōu)點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導致整個通信聯(lián)絡失敗，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行糾錯。

（2）通過各子載波的聯(lián)合編碼，可具有很強的抗衰落能力。OFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，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，適用于多經環(huán)境和衰落信道中的高速數據傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現(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，這點在目前頻譜資源稀缺的無線環(huán)境中非常重要。當子載波個數很大時，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)出大量的數據。

（6）基于DFT的OFDM有快速算法，而且算法的復雜度可以由DSP的發(fā)展來彌補。

（7）簡化了均衡器設計，或者根本不需要均衡器，且數據傳速率可調。

（8）OFDM還采用了功率控制和自適應調制相協(xié)調的工作方式。

2.OFDM主要的不足之處

（1）對頻率偏移、定時和相位噪聲比較敏感，容易帶來衰耗。傳輸的非線性會造成互調失真（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，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自適應跳頻技術會相應增加發(fā)射機和接收機的復雜度。

（4）引入的保護間隔降低了信道利用率。添加循環(huán)前綴技術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）。因為只能使用有效的樣值點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)前綴的值比信道內存更大一些。多徑信號引起先發(fā)信息碼字的滯后到達而影響當前信息碼字，從而產生碼間干擾。但是，事實上，碼間干擾僅僅會干擾當前新號碼的循環(huán)前綴。因此，使用適當大小的循環(huán)前綴就能夠使OFDM技術消除碼間干擾。眾所周知，可靠性的提高勢必會帶來有效性的降低。所以保護間隔就形成了OFDM的另外一個缺點—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，因為合并后的信號具有類似于高斯噪聲的幅度特性。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的主要技術難點

OFDM技術的主要技術難點是系統(tǒng)中的頻率和事件同步，基于導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、多載波技術的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究。

第四代移動通信所用MIMI-OFDM技術

4G提供高達 100Mb/ S 甚至更高的數據傳輸速率, 支持從語音到多媒體的業(yè)務, 實現(xiàn)商業(yè)無線網絡、局域網、藍牙、電視衛(wèi)星通信等的無縫連接, 相互兼容。 數據傳輸速率還可以根據所要的速率不同進行動態(tài)調整。 在有限的頻譜資源上實現(xiàn)如此 高速率和大 容量, 需要提 高頻譜效 率。OFDM 技術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 利用多個天線實現(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中關鍵技術之一。

MIMO是無線通信領域智能天線的重大突破, 它在發(fā)送端和接收端使用多天線( 或天線陣) 同時發(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獨立, M IMO 就可以創(chuàng)造多個并行的空間信道。 通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息, 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目的增加而線性增加, 如圖 2 所示。 由圖 2 可知, 當天線數目增多時, 系統(tǒng)容量和信噪比幾乎成線性關系, 同時也證明MIMO能改善系統(tǒng)性能。

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OFDM在4G-5G中的應用于展望.pdf