OFDM技術(shù)在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜喜寬

摘要：在現(xiàn)代4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，OFDM技術(shù)作為重要的物理傳輸技術(shù)在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在此背景下，本文首先介紹了OFDM技術(shù)及該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)描述了OFDM技術(shù)在4G通信中的應(yīng)用，其中包括信道估計(jì)、同步及同步誤差分析、多址技術(shù)等技術(shù)關(guān)鍵難題。最后，分析了OFDM技術(shù)在4G通信應(yīng)用過(guò)程中需要克服的技術(shù)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：OFDM技術(shù)；4G移動(dòng)通信；物理傳輸技術(shù)；信道估計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）07-0042-02

隨著近代社會(huì)市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于移動(dòng)通信需求越來(lái)越高。同時(shí)，通信技術(shù)的發(fā)展也使得其方式變化多樣。隨著有線通信、無(wú)線通信發(fā)展到現(xiàn)今的光纖通信，通信速率的需求不斷增長(zhǎng)。三代移動(dòng)通信技術(shù)逐漸被日益開(kāi)發(fā)成熟的第四代移動(dòng)通信技術(shù)所取代。特別是使用光纖通信的第四代移動(dòng)通信技術(shù)，具有數(shù)據(jù)、圖像通信的優(yōu)勢(shì)，室內(nèi)通信速率高達(dá)100Mb/s，在數(shù)據(jù)通信速率上擁有顯著提升。然而，這樣的高速通信狀況下將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的通信符號(hào)間的干擾現(xiàn)象，使得第四代移動(dòng)通信技術(shù)出現(xiàn)了技術(shù)障礙。

近年來(lái)，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)由于能夠在高速通信的情況下，有效抵消信號(hào)波形間干擾并能保證通信的穩(wěn)定、高效，從而引起了各國(guó)通信技術(shù)研究人員的廣泛關(guān)注。因此，通信技術(shù)領(lǐng)域中開(kāi)始大量研究和開(kāi)發(fā)如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用在移動(dòng)通信中。這種突破性的通信技術(shù)即OFDM技術(shù)將成為今后的主流移動(dòng)通信技術(shù)。

1 OFDM技術(shù)

OFDM技術(shù)又被稱為正交頻分復(fù)用技術(shù)，是多載波調(diào)制技術(shù)的一類分支技術(shù)。它是一種能夠顯著提高載波頻譜利用率并使每個(gè)載波能相互正交，穩(wěn)定、高效地在無(wú)線環(huán)境下進(jìn)行高速通信傳輸?shù)募夹g(shù)[1]。OFDM技術(shù)的核心是將頻域中的信道變?yōu)楦鱾€(gè)正交子的信道，通過(guò)子載波對(duì)各子信道調(diào)制。同時(shí)，由于每個(gè)子載波是采用的并行傳輸，所以移動(dòng)通信系統(tǒng)中的上、下行鏈路都將同時(shí)接收多種調(diào)制，極大地提高了載波頻譜的利用率并能使各個(gè)載波之間具有正交性，保證移動(dòng)通信過(guò)程中無(wú)失真。目前，針對(duì)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使用了OFDM技術(shù)，并在信道估計(jì)、同步及同步誤差、與多址技術(shù)的結(jié)合、編碼技術(shù)等技術(shù)層面做出了重大的突破[2]。OFDM技術(shù)在無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

OFDM之所被廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)中，是其擁有眾多的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。特別是在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，作為重要的技術(shù)它具有下面這些優(yōu)勢(shì)[3]：

（1）受寬帶帶寬影響較小，OFDM技術(shù)具有高效的數(shù)據(jù)通信能力，在帶寬較窄的情況下依然能夠進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的通信。正式其高效、大規(guī)模通信的特點(diǎn)，使其在歐洲、亞洲的通信運(yùn)營(yíng)商中受到廣泛的青睞；

（2）OFDM技術(shù)能顯著提升通信過(guò)程中的信道利用率，使得有限的載波頻譜資源得到了充分的利用，各個(gè)載波之間具有正交性；

（3）OFDM技術(shù)能夠適應(yīng)變化的移動(dòng)通信環(huán)境，抵抗移動(dòng)通信環(huán)境的變化沖擊。OFDM技術(shù)能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)信道數(shù)據(jù)傳輸能力的改變。特別是在高層建筑、人口集中地區(qū)等復(fù)雜環(huán)境下，OFDM技術(shù)能夠保證數(shù)據(jù)通信過(guò)程的穩(wěn)定抵消影響。

3 OFDM技術(shù)在4G中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)如今，移動(dòng)通信系統(tǒng)中4G移動(dòng)通信是個(gè)人通信的主要形式，并隨著人類社會(huì)的信息需求日趨發(fā)展。其日趨成熟的發(fā)展是離不開(kāi)OFDM這一關(guān)鍵技術(shù)在4G移動(dòng)通信中應(yīng)用的。

3.1 信道估計(jì)

OFDM技術(shù)的核心技術(shù)之一就是信道估計(jì)。信道估計(jì)是指在移動(dòng)數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，將信道模型參數(shù)進(jìn)行模擬預(yù)估。其中，OFDM技術(shù)的信道估計(jì)有參數(shù)化、非參數(shù)化信道估計(jì)，以及基于時(shí)間、頻率特性的信道估計(jì)等眾多方式。無(wú)線通信的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)就是能否準(zhǔn)確獲取詳細(xì)的信道信息，所以信道估計(jì)具有極大的研究意義。OFDM技術(shù)的核心就是基于信道估計(jì)，分配信道使每個(gè)子載波采用的并行傳輸，各載波之間正交。

由于在無(wú)線通信中信道具有隨機(jī)性接收時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，需要信道估計(jì)進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制，獲取實(shí)際需求的信號(hào)。信道估計(jì)中對(duì)信道模型參數(shù)的估計(jì)是通過(guò)部分特定參數(shù)獲取信道的信息。通常的信道估計(jì)是在非自適應(yīng)的環(huán)境中進(jìn)行的。但實(shí)際過(guò)程中變化的移動(dòng)通信環(huán)境下時(shí)域變化快速，此時(shí)使用自適應(yīng)信道估計(jì)才能有效應(yīng)對(duì)該通信環(huán)境。

3.2 同步及同步誤差

現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，同步機(jī)制作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵臋C(jī)制。其主要原因是該機(jī)制是直接影響數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，決定數(shù)據(jù)雙方的正常通信。信號(hào)通信過(guò)程中，首先，將發(fā)送的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后變?yōu)槟M信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸。隨后，接收端在接收到發(fā)送的模擬信號(hào)后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。最后，對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制完成通信過(guò)程。

因此，整個(gè)過(guò)程中涉及到時(shí)域和頻域的同步。同步過(guò)程中又將產(chǎn)生符號(hào)定時(shí)同步誤差、截波頻率同步誤差、采樣時(shí)鐘同步誤差這三種同步誤差，由于篇幅限制此次不詳細(xì)闡述這三種誤差。

3.3 OFDM和多址技術(shù)的結(jié)合

現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)，特別是支持多用戶同事進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，要保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性，就需要合理的多址技術(shù)。因此，OFDM技術(shù)和多址技術(shù)的結(jié)合順理成章。OFDM技術(shù)與多址技術(shù)結(jié)合，形成結(jié)合了CDMA、TDMA、FDMA等機(jī)制的系統(tǒng)。

3.4 MIMO和OFDM的結(jié)合

MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）技術(shù)，是一種具有多發(fā)射多接收天線提高通信質(zhì)量的移動(dòng)通信技術(shù)。現(xiàn)如今，由于半導(dǎo)體技術(shù)的突破性發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)中多天線結(jié)構(gòu)將成為主流，因而具有良好移動(dòng)通信以及優(yōu)秀信道建模特點(diǎn)的MIMO技術(shù)與OFDM相結(jié)合應(yīng)用于移動(dòng)通信?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度、質(zhì)量需求標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，同時(shí)無(wú)線移動(dòng)通信中的MIMO信道是實(shí)時(shí)變化的、非平穩(wěn)的系統(tǒng)。因而越來(lái)越多的研究中將MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合，來(lái)滿足移動(dòng)通信的需求，這樣結(jié)合的系統(tǒng)既具備OFDM技術(shù)的穩(wěn)定性又能降低MIMO技術(shù)時(shí)域運(yùn)行的繁復(fù)程度。

4 需要克服的缺陷

OFDM技術(shù)有眾多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些缺陷有待克服。首先，OFDM系統(tǒng)對(duì)于頻率偏差較為敏感，受其影響較大。通信中子信道之間相互覆蓋，需要子信道間有嚴(yán)格的正交性。但通信是實(shí)時(shí)變化地，因而容易導(dǎo)致頻率偏移、通信系統(tǒng)中信號(hào)相互干擾。其次，OFMD技術(shù)的峰值平均功率比非常高。與傳統(tǒng)通信機(jī)制相比，OFMD技術(shù)調(diào)制輸出疊加的多子信道信號(hào)，疊加信號(hào)將導(dǎo)致功率瞬時(shí)增大，破壞子信道通信的正交性，嚴(yán)重時(shí)將影響移動(dòng)通信的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

OFDM技術(shù)由于其穩(wěn)定、高效的通信機(jī)制，被廣泛應(yīng)用于4G移動(dòng)通信中。同時(shí)，其受寬帶帶寬影響較小、能夠進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)通信以及能夠適應(yīng)變化的移動(dòng)通信環(huán)境，抵抗移動(dòng)通信環(huán)境的變化沖擊的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。然而將其運(yùn)用到系統(tǒng)工程中還有諸多問(wèn)題，但即使如此，發(fā)展應(yīng)用了OFMD技術(shù)的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)勢(shì)在必行。

參考文獻(xiàn)

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