趙婧華 酆廣增 1 緒論 無線通信與個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通信技術(shù)更加完善，我們稱之為“第四代移動通信技術(shù)”，

OFDM—第四代無線通信的技術(shù)核心網(wǎng)絡(luò)知識

。 縱觀移動通信的發(fā)展史，第一代模擬

   

   

    趙婧華 酆廣增

    1 緒論

    無線通信與個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通信技術(shù)更加完善，我們稱之為“第四代移動通信技術(shù)”。

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

    第四代移動通信系統(tǒng)計劃以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，將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等大量信息的多媒體業(yè)務(wù)通過寬頻信道高品質(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。美國軍方早在上世紀(jì)的50、60年代就創(chuàng)建了世界上第一個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)長的一段時間，OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM的各個子載波之間相互正交，采用FFT實現(xiàn)這種調(diào)制，但在實際應(yīng)用中，實時傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩(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)實現(xiàn)的制約條件。后來經(jīng)過大量研究，終于在20世紀(jì)80年代，MCM獲得了突破性進展，大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實現(xiàn)不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現(xiàn)的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁入高速Modem和數(shù)字移動通信的領(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，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流（100 Hz ~ 50 kHz），每個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，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，只會有一小部分載波受影響。糾錯碼的應(yīng)用可以幫助其恢復(fù)一些易錯載波上的信息。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了。

    在傳統(tǒng)的并行通信系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)頻帶被劃分為N個互不混疊的子信道，每個子信道被一個獨立的信源符號調(diào)制，即N個子信道被頻分復(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，這在頻帶資源如此緊張的今天尤其不能忍受。上個世紀(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，同時可以充分利用信道帶寬,節(jié)省了50%。為了減少各個子信道間的干擾，我們希望各個載波間正交。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間隔，通過濾波器接收所需信息。在這樣的接收機下，保護頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。

    OFDM不存在這個缺點，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，由于各個載波的中心頻點處沒有其他載波的頻譜分量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)各個載波的正交。盡管還是頻分復(fù)用，但已與過去的FDMA有了很大的不同：不再是通過很多帶通濾波器來實現(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)點之一。OFDM的接收機實際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內(nèi)積分，其他載波由于與所積分的信號正交，因此不會對這個積分結(jié)果產(chǎn)生影響，

電腦資料

《OFDM—第四代無線通信的技術(shù)核心網(wǎng)絡(luò)知識》(http://www.msguai.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)來支持多個用戶，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)的各個載波可以根據(jù)信道的條件來使用不同的調(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導(dǎo)致接收信號功率大幅下降，達到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，那么在信道好的時候終端就可以使用較高的調(diào)制，同樣在終端靠近基站時，調(diào)制可以由BPSK（1bit/s/Hz）轉(zhuǎn)化成16QAM ~ 64QAM（4~6 bit/s/Hz），整個系統(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。它要求信號必需包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號所采用的調(diào)制方式，并且，終端需要定期更新調(diào)制信息，這又勢必會增加更多的開銷比特。OFDM技術(shù)將這個矛盾迎刃而解，通過采用功率控制和自適應(yīng)調(diào)制協(xié)調(diào)工作的技術(shù)。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制（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，也就是說對于一個遠端發(fā)射臺，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)制時必須考慮的因素。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使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。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)制要求對信道的性能有充分的了解，如果在差的信道上使用較強的調(diào)制方式，那么就會產(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測試信道的好壞。發(fā)送一個已知數(shù)據(jù)的碼字，在滿足通信極限的情況下測量出每條信道的信噪比，根據(jù)這個信噪比來確定最適合的調(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

    最簡單的方法是將信道分組分配給每個用戶，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。但載波分組會使信號容易衰落。載波跳頻可以解決這個問題。分組隨機跳頻空閑時間較短，約11個字符時間。利用時間交織和前向糾錯可以恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，但是會降低系統(tǒng)容量增加信號時延。

    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)。信道用來傳遞對它來說具有最佳信噪比的信號。因為每個用戶的位置不同，所以信號的衰落模式也不相同，因此每個用戶收到的最強信號都不同于其他用戶，從而相互之間不會發(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接收功率，能夠達到5~20dB，令人驚異。事實上，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率要比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/秒。跳頻的開銷比特數(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)的接收機和發(fā)射機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，也就是說除了每個用戶需要發(fā)送一個參考碼字外，基站的前向信道也必需發(fā)送一個。采用并行通信可以減少參考碼字，20個用戶可以共用一個參考碼字。對于一個10Mbit/s帶寬全雙工系統(tǒng)，有100個速率為50kbit/s的用戶，調(diào)制方式是QPSK，其開銷比特將占整個數(shù)據(jù)的30%～50%。而時分半雙工系統(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，用隨機跳頻代替自適應(yīng)跳頻。由于這種轉(zhuǎn)換非常快，所以衰落時間很短暫，采用時間交錯和前向糾錯能夠補償這種衰落。時間交錯要求盡可能短，否則會增加時延。

    4．3 多天線

    ODFM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，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)，依靠多天線來實現(xiàn)，即采用由大

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