基于OFDM技術(shù)的4G通信網(wǎng)絡(luò)應用

引言

　　在21世紀，移動通信技術(shù)和市場飛速發(fā)展，在新技術(shù)、市場需求的共同作用下，出現(xiàn)了第三代移動通信系統(tǒng)-3G,3G中采用碼分多址（CDMA）技術(shù)來處理多徑問題，以獲得多徑分集增益。

　　然而在該體制中，多徑干擾和多用戶干擾始終并存，在用戶數(shù)較多的情況下，實現(xiàn)多用戶檢測是非常困難的。并且CDMA本身是一個自擾系統(tǒng)，所有的移動用戶都占用相同的帶寬和頻率，所以在系統(tǒng)容量有限的情況下，用戶數(shù)越多就越難達到較高的通信速率，因此3G系統(tǒng)所提供的2Mb/s帶寬是共享式的，當多個用戶同時使用時，平均每個用戶可使用的帶寬遠低于2Mb/s,而這樣的帶寬并不能滿足移動用戶對一些多媒體業(yè)務的需求。

　　不同領(lǐng)域技術(shù)的綜合與協(xié)作，伴隨著全新無線寬帶技術(shù)的智能化，以及定位于用戶的新業(yè)務，這一切必將繁衍出新一代移動通信系統(tǒng)4G。相比于3G,4G可以提供高達100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持從語音到數(shù)據(jù)的多媒體業(yè)務，并且能達到更高的頻譜利用率以及更低的成本。

　　為了達到以上目標，4G中必須采用其他相對于3G中的CDMA這樣的突破性技術(shù)，尤其是要研究在移動環(huán)境和有限頻譜資源條件下，如何穩(wěn)定、可靠、高效地支持高數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。因此，在4G移動通信系統(tǒng)中采用了OFDM技術(shù)作為其核心技術(shù)，它可以在有效提高傳輸速率的同時，增加系統(tǒng)容量、避免高速引起的各種干擾，并具有良好的抗噪聲性能、抗多徑信道干擾和頻譜利用率高等優(yōu)點。

　　本文將對OFDM的基本原理以及其調(diào)制/解調(diào)技術(shù)的實現(xiàn)和循環(huán)前綴技術(shù)進行介紹，并在三個主要方面將OFDM與CDMA技術(shù)進行對比分析。

　　2 OFDM技術(shù)分析

　　2.1 OFDM基本原理

　　正交頻分復用的基本原理可以概述如下：把一路高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進行傳輸。在頻域內(nèi)將信道劃分為若干相互正交的子信道，每個子信道均擁有自己的載波分別進行調(diào)制，信號通過各個子信道獨立地進行傳輸。

　　由于多徑傳播效應會造成接收信號相互重疊，產(chǎn)生信號波形間的相互干擾，形成符號間干擾，如果每個子信道的帶寬被劃分的足夠窄，每個子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的。如圖1所示。

　　因此，每個子信道都可看作無符號間干擾的理想信道。這樣，在接收端不需要使用復雜的信道均衡技術(shù)即可對接收信號可靠地進行解調(diào)。在OFDM系統(tǒng)中，通過在OFDM符號之間插入保護間隔來保證頻域子信道之間的正交性，以及消除由于多徑傳播效應所引起的OFDM符號間的干擾。因此，OFDM特別適合于在存在多徑衰落的移動無線信道中高速傳輸數(shù)據(jù)。OFDM的原理框圖如2所示。

　　如圖2所示，原始高速率比特流經(jīng)過串/并變換后變?yōu)槿舾山M低速率的比特流d（M），這些d（M）經(jīng)過調(diào)制后變成了對應的頻域信號，然后經(jīng)過加循環(huán)前綴、D/A變換，通過RF發(fā)送出去；經(jīng)過無線信道的傳播后，在接收機以與發(fā)送機相反的順序接收解調(diào)下來，從而得到原發(fā)送信號。

　　圖2中d（M）為第M個調(diào)制碼元；圖中的OFDM已調(diào)制信號D（t）的表達式為：

　　式（1）中：T為碼元周期加保護時間；fn為各子載波的頻率，可表示為：

　　式（2）中：f0為最低子載波頻率；Ts為碼元周期。

　　在發(fā)射端，發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)QAM調(diào)制形成基帶信號。然后經(jīng)過串并變換成M個子信號，這些子信號再調(diào)制相互正交的M個子載波，其中/正交0表示的是載波頻率間精確的數(shù)學關(guān)系，其數(shù)學表示為QT0fx（t）fy（t）dt=0,最后相加成OFDM發(fā)射信號。實際的輸出信號可表示為：

　　在接收端，輸入信號分成M個支路，分別用M個子載波混頻和積分，恢復出子信號，再經(jīng)過并串變換和常規(guī)QAM解調(diào)就可以恢復出數(shù)據(jù)。由于子載波的正交性，混頻和積分電路可以有效地分離各子載波信道，如下式所示：

　　式中dc（m）為接收端第m支路子信號。在整個OFDM的工作流程中OFDM與其他技術(shù)的主要區(qū)別在于其采用的調(diào)制/解調(diào)技術(shù)以及循環(huán)前綴的加入這兩個環(huán)節(jié)，下面將對其進行較為詳細的分析。

　　2.2 OFDM調(diào)制/解調(diào)技術(shù)的實現(xiàn)

　　OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以采用離散逆傅立葉變換（IDFT）以及離散傅立葉變換（DFT）來實現(xiàn)，在實際應用中，可以采用更加方便快捷的逆快速傅立葉變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）技術(shù)來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，這是OFDM的技術(shù)優(yōu)勢之一。

　　首先不考慮保護時間，將式（2）代入式（1）可得到如下等式：

　　式中ts為串并變換前的信號周期，顯然，ts=1MTs;令X（t）為復等效基帶信號：

　　對X（t）進行抽樣，抽樣頻率為1ts,即tk=kts,則有：

　　由上式可知X（t）=X（tk）為d（n）的傅立葉逆變換。同樣在接收端可以采用相反的方法，即離散傅立葉變換得到：

　　由上面的分析可以看出OFDM的調(diào)制可以由IDFT實現(xiàn)，而解調(diào)可由DFT實現(xiàn)。當系統(tǒng)中的子載波數(shù)很大時，可以采用快速傅立葉變換（FFT/IF2FT）來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，以顯著地降低運算復雜度，從而在數(shù)字信號處理器DSP上比較容易實現(xiàn)，因此能夠達到簡化4G通信系統(tǒng)中硬件實現(xiàn)的復雜度并減少設(shè)備成本的效果，現(xiàn)存的還有諸如矢量變換方式、基于小波變換的離散小波多音頻調(diào)制方式等，但這些方式與OFDM相比，實現(xiàn)復雜度相對較高，因而一般不會用于4G通信系統(tǒng)。