OFDM—第四代無線通信的技術核心
2019-11-03 09:33:26
供稿：網友
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歷了從模擬通信到數字通信、從FDMA到CDMA的巨大發展，目前又有新技術出現，比以CDMA為核心的第三代移動通信技術更加完善，我們稱之為“第四代移動通信技術”。
縱觀移動通信的發展史，第一代模擬系統僅提供語音服務，不能傳輸數據；第二代數字移動通信系統的數據傳輸速率也只有9.6bit/s，最高可達32kbit/s；第三代移動通信系統數據傳輸速率可達到2Mbit/s；而我們目前所致力研究的第四代移動通信系統可以達到10Mbit/s至20Mbit/s。雖然第三代移動通信可以比現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計劃以OFDM(正交頻分復用)為核心技術提供增值服務，它在寬帶領域的應用具有很大的潛力。較之第三代移動通信系統，采用多種新技術的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、數據、影像等大量信息的多媒體業務通過寬頻信道高品質地傳送出去
2 OFDM的發展史
OFDM并不是新生事物，它由多載波調制（MCM）發展而來。美國軍方早在上世紀的50、60年代就創建了世界上第一個MCM系統，在1970年衍生出采用大規模子載波和頻率重疊技術的OFDM系統。但在以后相當長的一段時間，OFDM理論邁向實踐的腳步放緩了。由于OFDM的各個子載波之間相互正交，采用FFT實現這種調制，但在實際應用中，實時傅立葉變換設備的復雜度、發射機和接收機振蕩器的穩定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素都成為OFDM技術實現的制約條件。后來經過大量研究，終于在20世紀80年代，MCM獲得了突破性進展，大規模集成電路讓FFT技術的實現不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實現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和數字移動通信的領域。20世紀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據通信，數字音頻廣播（DAB）、高清晰度數字電視(HDTV)和無線局域網（WLAN）。隨著DSP芯片技術的發展，格柵編碼技術、軟判決技術、信道自適應技術等成熟技術的應用，OFMD技術的實現和完善指日可待。
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送。OFDM棄用傳統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既可以當作調制技術，也可以當作復用技術。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統中，單個衰落或者干擾可能導致整條鏈路不可用，但在多載波系統中，只會有一小部分載波受影響。糾錯碼的應用可以幫助其恢復一些易錯載波上的信息。像這樣用并行數據傳送和頻分復用的思路早在20世紀60年代的中期就被提出來了。
在傳統的并行通信系統中，整個系統頻帶被劃分為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制，即N個子信道被頻分復用。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噪聲差錯，同時可以充分利用信道帶寬,節省了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學關系。如前所述，傳統的頻分復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，所以能夠實現各個載波的正交。盡管還是頻分復用，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，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統的優點之一。OFDM的接收機實際上是一組解調器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內積分，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果產生影響。OFDM的高數據速率與子載波的數量有關，增加子載波數目就能提高數據的傳送速率。OFDM每個頻帶的調制方法可以不同，這增加了系統的靈活性，大多數通信系統都能提供兩種以上的業務來支持多個用戶，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統。
4 OFDM的主要技術
4．1 調制方式
OFDM系統的各個載波可以根據信道的條件來使用不同的調制，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制方式可以提高頻譜利用率。眾所周知，可靠性是通信系統運行是否良好的重要考核指標，因此系統通常選擇BPSK或QPSK調制，這樣可以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調制的頻譜效率太低。如果使用自適應調制，那么在信道好的時候終端就可以使用較高的調制，同樣在終端靠近基站時，調制可以由BPSK（1bit/s/Hz）轉化成16QAM ~ 64QAM（4~6 bit/s/Hz），整個系統的頻譜利用率得到大幅度的改善，自適應調制能夠使系統容量翻番。但任何事物都有其兩面性，自適應調制也不例外。它要求信號必需包含一定的開銷比特，以告知接收端發射信號所采用的調制方式，并且，終端需要定期更新調制信息，這又勢必會增加更多的開銷比特。OFDM技術將這個矛盾迎刃而解，通過采用功率控制和自適應調制協調工作的技術。信道好的時候，發射功率不變，可以增強調制方式（如64QAM），或者在低調制（如QPSK）時降低發射功率。功率控制與自適應調制要取得平衡，也就是說對于一個遠端發射臺，它有良好的信道，若發送功率保持不變，可使用較高的調制方案如64QAM；若功率可以減小，調制方案也相應降低，可使用QPSK。
失真、頻偏也是在選擇調制時必須考慮的因素。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。自適應調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制方式，那么就會產生很高的誤碼率，影響系統的可靠性。多用戶OFDM系統的導頻信道或參考碼字可以用來測試信道的好壞。發送一個已知數據的碼字，在滿足通信極限的情況下測量出每條信道的信噪比，根據這個信噪比來確定最適合的調制方式。
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丟失的數據，但是會降低系統容量增加信號時延。
4.2.2 自適應跳頻
這是一種新的基于信道性能的跳頻技術。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生沖突。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應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。跳頻的開銷比特數量與用戶速率、用戶數量以及系統是全雙工還是半雙工有關。全雙工系統的接收機和發射機的工作頻率的間隔至少應大于40MHz，信道數量是用戶數的兩倍，發射的參考碼字的數量比用戶數多1個，也就是說除了每個用戶需要發送一個參考碼字外，基站的前向信道也必需發送一個。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，有100個速率為50kbit/s的用戶，調制方式是QPSK，其開銷比特將占整個數據的30%～50%。而時分半雙工系統可以減少開銷比特，只有10%~15%。
當信道變化太快，跳頻速度跟不上時，用隨機跳頻代替自適應跳頻。由于這種轉換非常快，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，所以系統不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網絡（SFN）可以用于寬帶OFDM系統，依靠多天線來實現，即采用由大量低功率發射機組成的發射機陣列消除陰影效應，來實現完全覆蓋。
多天線系統非常適用于無線局域網。一般的局域網由于陰影效應，信號無法完全覆蓋，需要使用中繼器。對于傳統系統來說，中繼器可能會帶來多徑干擾，但OFDM不存在這個問題，它的中繼器可以加在任何需要的地方，不僅可以完全覆蓋網絡，并且可以消除多徑干擾。
5 OFDM存在的不足
任何一種技術都不可能十全十美，OFDM也不例外，除了具有上述的優點，它也不可避免地存在下面一些缺點：
OFDM對頻偏和相位噪聲比較敏感，容易帶來衰耗；
OFDM的峰值平均功率比較大，會導致射頻放大器的功率效率比較低；
OFDM自適應跳頻技術會相應增加發射機和接收機的復雜度，當終端移動速度每小時高于30 km時，自適應跳頻就不是很適合了。
6 總結
本文闡述了多用戶OFDM的基本原理和一些能夠增強系統性能的新技術。多用戶OFDM系統適用于多業務、高靈活性的通信系統，頻譜利用率高，系統穩定性好。目前，OFDM已經廣泛用于歐洲和澳大利亞的數字寬帶音頻系統和數字寬帶視頻系統，可以預見其未來的應用會更加廣泛。
對于電信產業而言，OFDM仍有許多問題待解決，不過部分標準化的制定工作已經接近尾聲，從而很快就將投入商用(如數字音頻廣播)，但若要應用在移動通信領域則不會一蹴而就，尚需時日。選擇OFDM作為第四代移動通信的核心技術的主要理由包括頻譜利用率高、抗噪聲能力強、適合高速數據傳輸等因素。盡管第四代移動通信系統較之第三代有很大的提高，但花費巨大精力研制出的CDMA系統絕不會在第四代系統中消失，而是成為其應用技術的一部分。前文所提到的數字音頻廣播，其實真正運用的技術是OFDM與FDMA的整合技術。因此未來以OFDM為核心技術的第四代移動通信系統，或許會和CDMA相結合，取雙方所長，避雙方所短，共同服務于移動通信領域。
摘自《電信建設》2002.3
