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

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

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。

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大, 而且收敛速度慢, 目前还难以实用化。 而半盲算法是对盲算法和基于导频法的折衷处理, 降低了运算复杂度。 可以预计, 对盲信道估计的研究将成为 MIMO -OFDM 系统信道估计的热点。

2同步

MIMO -OFDM 系统对定时和频偏敏感, 因此时域和频率同步特别重要。 MIMO -OFDM 系统同步问题包括载波同步、符号同步和帧同步。载波频率不同步会破坏子载波间的正交性, 不仅造成输出信号幅度衰减及信号相位旋转, 更严重是带来 ICI, 同时还会影响到符号定时和帧同步的性能。 所以载波同步对 MI -MO -OFDM 系统尤为重要。符号定时的目的是为了找到 FFT 窗的起始位置, 使子系统保持正交, 且 ISI 被完全消除或降至最小。 可以采用特殊的训练序列或用循环前缀的相关特性进行符号定时。帧同步是在 OFDM 符号流中找出帧的开始位置, 在帧头被检测到的基础上, 接收机根据帧结构的定义, 以不同方式处理一帧中具有不同作用的符号。

3分集技术

无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道时变和多径特性引起的, 如何在不增加功率和不牺牲带宽情况下, 同时减少多径衰落对基站和移动台的影响就显得很重要。 唯一方法是采用抗衰落技术, 克服多径衰落的有效方法是各种分集技术。分集技术目前分为时间分集、频率分集和空间分集等。时间分集是在时域内提供多个信号副本, 为获得好的分集效果, 要求发送冗余信号的若干时隙之间相互独立。 频率分集就是在不同载波频率上提供多个信号副本, 要求几个载波频率间隔要大于衰落信道的相干带宽, 从而获得比较好的分集增益。 空间分集就是采用多个天线发送和接收数据, 为保证多个发送或多个接收信号之间的独立性, 要求各个天线之间距离要足够大, 一般大于若干个波长。每一种分集技术都有它的适用的场合, 因此在新一代移动通信系统中, 必须考虑多种技术的结合。

4空时编码

空时编码是有效提高频谱利用率的重要方案之一。 目前空时编码方式主要有: 1)分层空时码 ( LST); 2)空时格形码 ( STTC) ; 3)空时分组码( STBC); 4)空时频编码( STFC) 。LST 的特点是其编解码的过程非常简单, 其编码性能是这几种编码方法中最差的, 最根本原因是由于它没有实现分集。STTC 是由 AT &T 实验室的 Tarokh博士领导的科研小组提出的, 它是利用格形编码原则, 对输入码元进行编码, 然后再通过天线阵发射, 其优点是具有高的分集增益和编码增益、发射带宽无损失 , 缺点是其解码复杂度随发射速率的增大而指数增加, 其解码过程极其复杂。STBC 支持最大似然检测( ML), 接收端采用线性处理技术, 优点是译码复杂度比 STTC 大大的降低, 而且有效的获得了分集增益, 并没有展宽带宽, 没有牺牲频谱效率, 缺点是不能提供任何实质上的编码增益。STFC 是 MIMO-OFDM 的一项新 技术。 STFC-OFDM系统将时间、空间和频率三种分集有效结合在一起, 在一定情况下能获得全满的分集增益, 从而提高系统的性能。

OFDM在第五代移动通信（5G）中的应用与展望

5G是一个面向信息社会需求的无线移动通信系统；5G发展的另一个目标是满足未来 1000倍及以上的流量增长需求及 10Gbit/s的峰值速率和 100Mbit/s的用户速率体验等；5G还需要可以持续的降低网络成本和能耗、 拓展业务的支持能力及提高网络的可靠性同时， 5G 不单单只是在速度和吞度量上有大的提高和飞跃， 更多的是建立一个更为完善的网络， 让用户全方位的体验科技带来的进步，实现网络一体化，各类设备之间的网络互联，并且网络具有更强的自我检测、 自我修复能力，大大地节省人力资源， 提高网络稳定性和适应性。比如， 通过手机终端可以与家里的高清电视进行通信，通过投影仪可以直接下载网络高清影响并进行播放， 这些更为人性化的功能会让用户更好地享受科技进步对日常生活质量带来的提高和便利。

不过,尽管这样一个有优势的属性,OFDM / OFDMA也有一定的缺陷,和他们在即将到来的一代无线网络所面临一定的挑战。事实上,OFDM是有限的频谱效率的需要循环前缀(CP)和大的旁瓣(需要一些空警卫队音调频谱边缘),OFDM团体——最终可能出现大peak-to-average-power比率值，并有严格的在副载波频率同步的限制，使OFDM和OFDMA在5G中的应用受到进一步的限制。特别是,同步是一个关键问题在蜂窝网络的上行分别在不同的移动终端传输,而且在下行基站协调使用。例如,对旁瓣和CP的频谱效率损失,在LTE喜用操作10 MHz带宽,只有9 MHz的带宽可以使用。此外,CP的损失在7%左右,所以累计损失总额为16%。这些缺点,使许多OFDM / OFDMA的优势,形成一个开放的基础和激烈辩论的调制和多个访问策略应该在下一代蜂窝网络。第五代蜂窝系统将一些创新策略对现有LTE系统,包括,广泛采用的小细胞,使用毫米(mm)波通信短程链接、大型天线阵列安装在宏观基站,基于云的无线接入网络,而且,可能机会开发频谱孔通过认知方法。所有这些策略将影响物理层使用的调制格式。同时,5 G移动网络将有更严格的要求比LTE延迟、能源效率、数据速率,又影响了采用调制方案。

在2G，3G，4G中都在运用FDM和OFDM，而5G的要求更高，需求更多，而OFDM本身也存在同步等一些技术难题，所以我认为，要想有更大更高的提升，需要有一种全新的高性能的技术来替代OFDM。现在5G个技术标准还未成形，所以除了新技术出现这个途径外，OFDM可以在保存自己优势的前提下，和4G 一样，联合其他技术来弥补自身的一些技术难题和不足之处。

OFDM在4G,5G中的应用于展望