OFDM学习笔记（一）（OFDM技术简介）_ofdm发展现状

1.移动通信的发展状况

人类采用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代。但直到19世纪末，人们都是采用十分直观的方式实现简单的信息传输。古代战争中的烽火台、金鼓和旌旗都是直观无线通信的例子。1864 年,英国物理学家J. C. Maxwell创造性地总结了人们已有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1886 年，德国物理学家H. Hertz用实验产生出电磁波，证明了J. C. Mexwell的预言。1897年，意大利科学家G.Marconi首次使用无线电波进行信息传输并获得成功。1897年,M.G.马可尼完成的无线通信实验就是在固定站与一艘轮船之间进行的，当时的距离为18海里。在后来一个世纪多时间里，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线移动通信的理论和技术不断取得进步。今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的重要通信方式之一。

现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代，但是一直到20世纪70年代中期才迎米了移动通信的蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状模拟移动通信网,大大提高了系统容量。与此同时，其他发达国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户要求迅速增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化。其次，提出并且形成了移动通信新体制。即贝尔实验室在70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓的小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容里。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理于控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统般被当作是第一代移动通信系统。第一代蜂窝移动通信系统出现于20世纪80年代早期。采用频分多址和模拟技术，包括模拟蜂窝和无绳电话系统。典型的系统有美国的AMPS、英国的TACS、前西德的C~450等。模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差等，但由于模拟技术十分成熟,因而在发展初期也得到了较为广泛的应用。模拟蜂窝技术由于不适合未来多媒体通信业务的需求,必将在日益激烈的市场竞争中被逐步淘汰。

从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统进人发展和成熟时期。蜂窝模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。80年代中期,欧洲首先推出了全球移动通信系统(GSM)。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通倍体制。20世纪90年代初,美国Qualcomnmn公司推出了窄带码分多址(CDMA)蜂窝移动通信系统,这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无线接人技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。除此之外,还有欧洲的DCS- 1900、美国的IS-54等。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二代移动通信系统。表l. I列出常用的第二代移动通信系统的简介。

\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad 表1 第二代移动通信系统简介

第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而i设计的。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高,已有的第二代移动通们网将很难满足新的业务要求。

为了适应新的市场需求，人们正化发展第三代(3G)移动通信系统。但是由于3G系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普遍认为3G系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光越来越多地投向超3G(beyond3G)的移动通信系统，该系统可以容纳庞大的用户数、改善现有通信质量，达到高速数据传输的要求。从技术层面来看，3G系统主要是以CDMA为核心技术，而在3G以后的移动通信系统中正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)最受瞩目，有不少专家学者正针对OFDM技术在无线通信技术上的应用从事研究。

目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，其中士要包括GSM系统、IS-136TDMA系统以及IS-95 CDMA系统。其中GSM系统占据全球移动通信市场份额的58%，可以提供2.4kbit/s~ 96kbit/s以及14.4kbit/s 的电路交换语音业务，还可以通过GPRS和EDGE分别提供144kbit/s和384 kbit/s的分组交换数据业务。IS- 136系统占有全球市场9%的份额，它可以提供9.6kbit/s lS-136的电路交换语音和传真业务，其最高数据传输速率可达40kbit/s ~ 60kbit/s。IS-95系统占有的市场份额是14%，它能够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达到9.6kbit/s和14.4kbit/s, 还可以通过使用蜂窝数子分组数据(CDPD, Cellular Digital Packet Data)网络来提供19.2kbit/s的数据业务。显然，基于支持话音业务电路交换模式的第二代移动通信系统不能满足多媒体业务的焉要。

对于高速数据业务来说，单载波时分多址接入(TDMA，Time Division Multiple Access)系统和窄带CDMA系统都存在很大的缺陷。由于无线信道存在时延扩展，高速信息流的符号宽度又相对较窄，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI, Inter- Symbol Interference),这对单载波TDMA系统中使用的均衡器提出了非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长,从而均衡算法的复杂度也会大大增加。对于窄带CDMA来说，其主要问题在于扩频增益与高速数据流之间的矛盾。在保证相同带宽的前提下，高速数据流所使用的扩频增益就不能太高，这样就大大限制了CDMA系统抵抗噪声的优点，从而使得系统的软容量受到-定的影响，如果保持原来的扩频增益，则必须要相应地提高带宽。此外，CDMA系统一个非常重要的特点是采用闭环的功率控制，这在电路交换系统中比较容易实现，但对于分组业务来说，对信道进行预测，然后再返回功率控制命令会导致较大的时延, 因此对于高速的无线分组业务来说，这种闭环的功率控制问题也存在缺陷。

因此，人们开始关注OFDM系统,希望通过这种方法来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以满足带宽要求更高的多种多媒体业务和更快的网络浏览速度。

2.OFDM的发展状况

OFDM的提出已有近40年的历史[, 第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线数据万面的应用却是近10年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音频和视频领域已得到广泛的应用。近年米，由于数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)技术的 飞速发展，OFDM 作为一 种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术已经成功地应用于非对称数字用户环路(ADSL,Asymmetric Digital Subscriber Line),无线本地环路(WLL，Wireless Local Loop)、数字音频广播(DAB，Digital Audio Broadcasting）、高清晰度电视(HDTV，High-definition Television)、 无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Network)等系统中，它可以有效地消除信号多径传播所造成的ISI现象，因此在移动通信中的运用也是大势所趋。1999 年IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中采用了OFDM调制技术并将其作为它的物理层标准。欧洲电信标准协会(ETSD的宽带射频接入网(BRAN, Broad Radio Access Network)的局域网标准也把OFDM定为它的标准调制技术。

1999年12月，包括Ericsson、Nokia和Wi-LAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，致力于策划一个基于OFDM技术的全球性统一 标准。现在OFDM论坛的成员已增加到46个会员，其中15个为主要会员。我国的信息产业部也已参加了OFDM论坛，可见OFDM在无线通信的应用已引起因内通信界的重视。2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入汇作组向IEEE802.16.3 的无线城域网委员会提交了一-份建议书，提议采用OFDM技术作为1EEB802.6.3城域网的物理层(PHY)标准。随着IEEE802.11a和BRANHyperlan/ 2两个标准在局域网的普及应用，OFDM技术将会进-步在无线数据本地环路的广域网领域做出重大贡献。OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越米越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到泛的应用。随着DSP芯片技术的发展,傅里叶变换/反变换、64/ 128 / 256QAM的高速Modem技术、格状编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计3G以后移动通信的主流技术将是OFDM技术。

DAB是在AM和FM等模拟广播基础上发展起来的，可以提供与CD相媲美的音质以及其他的新型数据业务。1995 年，由ETSI制定了DAB标准，这是第一个使用OFDM的标准。接着在1997年，基于OFDM的DVB标准也开始采用。在ADSL应用中，0FDM被当作典型的离散多音频调制(DMT Modulation技术)，成功地用于有线环境中，可以在1MHz带宽内提供高达8Mbit/s的数据传输速率。1998 年7月，经过多次的修改之后，IEEE802.11标准组决定选择OFDM作为WLAN( 工作于5GHz频段)的物理层标准，日标是提供6Mbit/s到54Mbt/s数据速率，这是OFDM第–次被应用于分组业务通信系统中。此后，ETSI、BRAN以及MMAC也纷纷采用OFDM作为其物理层的标准。

此外，OFDM还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制，自适应编码以及动态子载波分配，动态比特分配等技术，其性能可以进一步得到提高。

3.OFDM系统的优缺点

OFDM技术有以下优点:

①把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持缕长度相对增加，从而有效地减少由于无线信道的时间弥散所带来的ISI。 减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。

②传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的子频带来进行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。 而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统能最大限度地利用频谱资源。当子载波个数很大时,系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

③各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅里叶反变换(IDFT，InverseDiscrete Fourier Transform)和离散傅里叶变换(DFT, Discrete Fourier Transform)的方法来实现。 在子载波数很大的系统中，可以通过采用快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)来实现。而随着大规模集成电路技术与DSP技术的发展，快速傅里叶反变换(IFFT, Inverse FastFourier Transform)与FFT都是非常容易实现的。

④无线数据业务一般存在非对称性,即下行链路中的数据传输最要大于上行链路中的数据传输量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

⑤OFDM易于和其他多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA 、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户以同时利用OFDM技术进行信息的传输。

但是OFDM系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点:

①易受频率偏差的影响。 由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现的无线信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间十扰([CI，Inter-Channel Interference),这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统的主要缺点之一。

②存在较高的峰值平均功率比。 多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比(PAPR，Peak to-Average power Ratio)。这就对发射机内放人器的线性度提出了很高的要求，因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，产生干扰，使系统的性能恶化。

4.OFDM系统的关键技术

与下一代移动通信系统有关的OFDM系统的关键技术有以下几个方面:

4.1 时域和频域同步

OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中与FDMA、TDMA利CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字通信系统一样， 同步分为捕获和跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来白不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。

4.2 信道估计

在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题: 一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断地传送；二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计器的设计。伍实际设计中，导频信息的选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

4.3 信道编码和交织

为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于哀落信道中的随机错误，可以采用信道编码;对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。在OFDM系统中，如果信道衰落不是太严重，均衡处无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性估息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，其中卷积码的效果要比分组码好。

4.4 降低峰值平均功率比

由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高PAPR的OFDM信号，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高，从而导致发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。

4.5 均衡

在一般的衰落环境下， OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用多径信道的分集特性，因此在一般情况下，OFDM系统就不必再做均衡了.在高度敏射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀(CP，Cyelic Prefix)的长度必须很长，方能够使ISI尽量不出现，但是，CP长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。

此外，OFDM与空时编码、智能天线等技术的结合也备受关注，有关这方面在后面会详细论述。