OFDM在4G,5G中的应用于展望 

OFDM在4G和5G通信中的应用和展望

OFDM发展及简介

在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道（载波）。载波之间有一定的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。这样虽然可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。上个世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作子载波，也就是我们所说的OFDM。OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用技术。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。

正交频分复用OFDM是一种多载波并行传输系统，通过延长传输符号的周期，增强其抵抗回波的能力。与传统的均衡器比较，它最大的特点在于结构简单，可大大降低成本，且在实际应用中非常灵活，对高速数字通信量一种非常有潜力的技术。OFDM技术由于具备频谱利用率高，有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力等特点，是一种非常适用于无线环境的高速数据传输技术。其中OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供比目前无线数据技术质量更高的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。 OFDM优点，不足之处，技术难题

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1.OFDM主要优点：

（1）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信联络失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。

（2）通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就可以通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。

（3）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多经环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。

（4）高的频谱利用率，这点在目前频谱资源稀缺的无线环境中非常重要。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

（5）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。

（6）基于DFT的OFDM有快速算法，而且算法的复杂度可以由DSP的发展来弥补。

（7）简化了均衡器设计，或者根本不需要均衡器，且数据传速率可调。

（8）OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调的工作方式。 2.OFDM主要的不足之处

（1）对频率偏移、定时和相位噪声比较敏感，容易带来衰耗。传输的非线性会造成互调失真（IMD），此时信号具有较高的噪声电平，信噪比一般不会太高，失步和多普勒平移所造成的频率偏移是信道间失去正交特性，仅仅1%的频偏就会造成信噪比下降30db。所以精确

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定时和减少频偏对OFDM尤为重要。如果做不到这点，OFDM的正交性将无法保证，必须引起各子载波之间的相互干扰和ISI。

（2）峰值与平均值比较相对大，这个比值增大和降低射频放大器的功率效率。而且由于输出信号的峰均比（PAR）高，正交频分复用信号输出信号有较大的动态范围，所以对放大器的线性要求较高。

（3）OFDM自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度。 （4）引入的保护间隔降低了信道利用率。添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。我们知道，在连续时间域，两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，在这离散时域的情况下一般是不成立的，除非使用无限大的样值点N或者知道一个卷积信号时周期性的（在该情况下，信号可以被圆周卷积）。因为只能使用有效的样值点N，所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在我们感兴趣的时间区内呈现周期性。循环前缀的另外一个好处是可以消除码间干扰。我们要求循环前缀的值比信道内存更大一些。多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。但是，事实上，码间干扰仅仅会干扰当前新号码的循环前缀。因此，使用适当大小的循环前缀就能够使OFDM技术消除码间干扰。众所周知，可靠性的提高势必会带来有效性的降低。所以保护间隔就形成了OFDM的另外一个缺点—信道利用率低。

（5）对系统中的非线性问题敏感。在基于DFT的OFDM系统中，所有调制器的输出都自动的联合加在一起，然后这个合并后的信号被放大。使得基于DFT的OFDM系统对放大器的非线性敏感，因为合并后的信号具有类似于高斯噪声的幅度特性。这在OFDM系统中将引起相邻信道之间的干扰，破坏其正交性。

3.OFDM的主要技术难点

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OFDM技术的主要技术难点是系统中的频率和事件同步，基于导频符号辅助的信道估计，峰平比问题和多普勒频偏的影响以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。 第四代移动通信所用MIMI-OFDM技术

4G提供高达 100Mb/ S 甚至更高的数据传输速率, 支持从语音到多媒体的业务, 实现商业无线网络、局域网、蓝牙、电视卫星通信等的无缝连接, 相互兼容。 数据传输速率还可以根据所要的速率不同进行动态调整。 在有限的频谱资源上实现如此 高速率和大 容量, 需要提 高频谱效 率。OFDM 技术是可以高效地利用频谱资源并有效地对抗频率选择性衰落。 MIMO 利用多个天线实现多发多收, 在不增加带宽和发送功率的情况下, 可以成倍地提高信道容量。 MI-MO 和OFDM 结合可以克服无线信道频率选择性衰落、增加系统容量、提高频谱利用率, 成为4G中关键技术之一。

MIMO是无线通信领域智能天线的重大突破, 它在发送端和接收端使用多天线( 或天线阵) 同时发送、接收信号, 如图 1所示, 若各发送、接收天线之间的信道冲激响应独立, M IMO 就可以创造多个并行的空间信道。 通过这些并行空间信道独立地传输信息, 传输速率必然可以增加。由于各发送天线同时发送的信号占用同一频段, 所以在没有增加带宽的情况下, 成倍地提高了系统的容量和频谱利用率, 信道容量将会随天线数目的增加而线性增加, 如图 2 所示。 由图 2 可知, 当天线数目增多时, 系统容量和信噪比几乎成线性关系, 同时也证明MIMO能改善系统性能。

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MIMO 系统可以抗多径衰落, 但对于频率选择性衰落, MIMO 仍无能为力, 在4G中采用均衡技术和 OFDM 技术来解决。 4G 需要高的频谱利用率的技术, 但 OFDM 提高频谱利用率的能力有限, 若结合 MIMO 技术, 可以在不增加带宽的情况下提高频谱效率。 它利用时间、频率和空间三种分集技术, 使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。

MIMO- OFDM 系统关键技术 1信道估计

信道估计, 就是利用信号的确知信息来估计出实际信道的径数和径的系数, 目的是识别每副发送天线与接收天线之间的信道冲激响应。目前信道估计有两类: 一类是基于训练序列或导频的方法, 此类方法在时变信道中, 需要周期性地发送训练序列, 训练序列的发送要占用信道容量, 从而降低了信道利用率, 它的好处是估计误差小, 收敛速度快; 另一类是采用盲方法来进行信道辨别, 分为全盲和半盲信道估计。 全盲信道估计是利用信道的输出与输入有关的统计信息, 在无需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数, 好处是传输效率高, 不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢, 而且运算量较大。 半盲是结合盲处理和少量导频信号或训练序列, 可以克服由码间干扰和不同信号源干扰引起的对盲处理的限制。盲方法可以提高信道利用率, 更适合于高速数字通信信道, 但全盲算法运算量相对较

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