OFDM在4G中的应用

一、正交频分复用OFDM的背景2二、OFDM 的原理及关键技术及特点. 4（一）OFDM的基本原理4（二）OFDM 系统的构成及主要功能模块. 5（三）OFDM 的关键技术. 61 同步技术. 62功率峰值与均值比（PARP）的解决.73 训练序列和导频及信道估计技术. 8（四）不同类型的 OFDM. 91 V-OFDM. 92 W-OFDM. 93 F-OFDM. 94 MIMO-OFDM. 105 Multiband OFDM. 10（五）OFDM 的特点. 101、OFDM 技术的优点. 102、OFDM 技术的缺陷. 11三、第四代通信技术. 12（一）4G发展背景12（二）4G 系统网络结构. 14（三）4G 关键技术. 141.正交频分复用（OFDM） . 152智能天线（SA ）与多入多出天线（MIMO）技术153、软件无线电技术. 16（四）第四代通信技术的特点. 171、主要优势. 172、存在的缺陷. 19（五）第四代通信技术的发展展望. 21四 OFDM 在 4G 中的应用论文建议：原理部分的书写，应该将OFDM的信号模型，系统模型（调制解调模型）的表达式，框图 写在论文中。OFDM的重难点：同步技术、峰均比技术等尽量写详细一点。在最后一章还可以将WIMAX、OFDMA等技术列入。正交频分复用OFAM在4G中的应用前言近年来移动通信技术飞速发展，已经历了 3 个主要发展阶段。每一代的发展 都是技术的突破和观念的创新。第一代起源于 20世纪 80 年代，主要采用模拟和 频分多址(FDMA)技术。第二代(2G)起源于90年代初期，主要采用时分多址 (TDMA)和码分多址(CDMA)技术。第三代移动通信系统(3G)可以提供更宽的频 带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。然而， 第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率 可高达2 Mb/s，但仍无法满足多媒体通信的要求，因此，第四代移动通信系统(4G) 的研究随之应运而生。第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技 术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大 容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议 等。移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展，它限制了数据速 率的提高，因为如果数据速率高于信道的相干带宽，信号将产生严重失真，信号 传输质量大幅度下降。而 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，是对高速数据传输的一种潜在 的解决方案，因此，OFDM技术已基本被公认为4G的核心技术之一。一、正交频分复用OFDM的背景正交频分复用 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的概念于20世纪5060年代提出，1970年OFDM的专利被发表， 其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用(FDM)方法来并行传送数据，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，传统 的FDM(频分复用)理论将带宽分成几个子信道，中间用保护频带来降低干扰，它们 同时发送数据。例如:有线电视系统和模拟无线广播等,接收机必须调谐到相应的 频率。而OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。由于使用无干扰 正交载波技术,单个载波间无需保护频带,这样使得可用频谱的使用效率更高。另 外,OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。为获得最大的数据吞吐量，多载波 调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。传统 OFDM 系统的结 构非常复杂,从而限制了其进一步推广。直到20世纪70年代，人们提出了采用DFT/IDFT（离散傅里叶变换/离散傅里 叶逆变换）来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得 OFDM 技术更趋于实用 化。80年代以后，OFDM的调制技术再一次成为研究热点。例如在有线信道的 研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了 16QAM 多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。进入90年代以后，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频（FM）和单边带 （SSB ）信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路（HDSL）、 非对称数字用户环路（ADSL）、超高速数字用户环路（VHDSL）、数字声广播 （DAB ）及高清晰度数字电视（HDTV ）和陆地广播等各种通信系统。近年来随着数字信号处理（DSP）技术的飞速发展和高速、高性能DSP芯 片的研制成功，移动通信技术从基于频分多址（FDMA）的模拟技术过渡到基于 时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）的数字技术，其经历了三个主要发展 阶段。第三代移动通信系统（3G）可以提供更宽的频带和更高的数据传输，从 而提供快捷方便的无线应用。然而，第三代移动通信系统仍无法满足多媒体通信 的要求。因此，人们需要寻找更先进的移动通信方式来提高数据传输率，要求在 保证服务质量的前提下，通信速率在一般情况下能达到50100 Mb/s，在极端恶 劣的情况下保证6Mb/s的通信速率。于是第四代移动通信系统（4G）的研究应运而 生。 到目前为止人们还无法对4G通信进行精确地定义，有人说4G通信的概 念来自其他无线服务的技术，从无线应用协定、全球袖珍型无线服务到3G；有 人说4G通信是一个超越2010年以外的研究主题，4G通信是系统中的系统，可 利用各种不同的无线技术；但不管人们对4G通信怎样进行定义，有一点我们能 够肯定的是4G通信将是一个比3G通信更完美的新无线世界，它将可创造出许 多消费者难以想象的应用。他采用栅格编码技术、软判决、信道自适应技术、 OFDM技术、MIMO技术来对抗无线信道对信号的干扰，提高信号的传输速率。 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（速率高、时延小）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。例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB ）等，都将采用OFDM技术。因此OFDM技术 作为 4G 的核心技术，已成为大家的共识。二、OFDM的原理关键技术及特点（一） OFDM 的基本原理（结合公式、图表说明）OFDM 的英文全称为 Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplexing, 中文义为 正交频分复用技术。OFDM技术属于多载波调制（Multi-Carrier Modula-tion,MCM） 的一种,是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线通常是非 平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道, 在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,每条链 路都可以独立调制,因而该系统不论在上行还是在下行链路上,都可以容易地同时 容纳多种混合调制方式。因此,尽管总的信道是非平坦的,且具有频率选择性,但是 每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道 的相应带宽,这样就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在 OFDM 系统中各个 子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间 的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信 号的能力,因此常常会被利用在容易被外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传 输环境中。OFDM 技术的推出是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波 的调制用的,它的特点是各子载波相互正交 ,使扩频调制后的频谱可以相互重叠 , 从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后 ,为了增加数据的 吞吐量,提高数据传输的速度,它又采用了一种叫作 HomePlug 的处理技术,来对所 有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独 立的传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它 可以利用离散傅里叶反变换/离散傅里叶逆变换（DFT/IDFT）代替多载波调制和解 调,而目前，采用DSP或FPGA实现DFT/IDFT的技术已非常成熟和方便。子载波间正交可以使载波间交叠而彼此间又不会因交叠失真,正交的子载波 可通过离散傅里叶变换（DFT）获得（在实际应用中，用快速傅里叶变换FFT）。在接 收端，对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波 频率的最大值，因为在每个子载波频率最大值处，所有其他子载波的频谱值恰好为 0,所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到 其他子信道的干扰。因此用正交子载波技术可以节省宝贵的频率资源，如图2,图3 所示。图2传统的频分复用（FDM）多载波技术（二） OFDM系统的构成及主要功能模块OFDM系统组成如图1所示。 再做详细一些。图 1 OFDM 系统的组成OFDM 系统的构成可根据 OFDM 数据处理流程分为发送部分的编码器、交 织器、调制映射、串并转换器、子载波调制器、循环前缀、数模转换及接收部分 的去除循环前缀、时间与频率同步器、子载波解调器、并串转换器、解调映射、 解交织、VB译码器等功能模块。OFDM 系统结构中各部分功能简述如下。(1) 编码器：信道编码采用卷积纠错码、或 Reed-Solomon 码、维特比码、TURBO码等；(2) 交织器：交织器用于降低在数据信道中的突发错误，分散丢失的比特， 达到降低误码率的目的；(3) 调制映射：将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IQ值，随之送 到缓冲器存储，准备送到IFFT上进行变换；(4) 串并转换器：用于将串行数据转换为并行数据；(5) 子载波调制器：IFFT快速、高效应用离散傅立叶变换功能生成用于OFDM 传输的正交载波。OFDM的核心为IFFT，IFFT调制每一个子信道到高精度的正 交载波上，信道化后的数据注入到一个并串缓冲器，串行数据通过加循环前缀和 DAC 变换为发送做准备；(6) 循环前缀：循环前缀为单个的 OFDM 符号个体创建一个保护带，可以在 信噪比边缘损耗中极大的减少 ISI；(7) 时间与频率同步器：接收系统中确定 OFDM 块有用数据信息的开始时刻， 使接收机和发射机的采样时钟频率保持一致，克服频率偏差；(8) VB 译码器：属于概率解码。用来把接收到的卷积纠错编码序列与所有可 能的发送序列进行比较，选择一种距离最小的序列作为发送序列。(三)OFDM的关键技术1 同步技术在OFDM系统中，N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对 时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的 频率偏移会使 OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有 很大的损害。由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏 离它正确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差破坏 子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时， 就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变 量，跟踪技术和差分