OFDM技術(shù)在4G移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者/王宇鵬，黑龍江同信通信股份有限公司

引言

隨著時代的發(fā)展，移動通信技術(shù)日新月異，逐漸成為人們生活中不可或缺的部分。近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，對于移動通信的要求也越來越高，因此業(yè)務(wù)速率更高、應(yīng)用業(yè)務(wù)更多的4G移動通信技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。4G通信系統(tǒng)傳輸效率可以達到100Mb/s或者更快，因此可以提供給人們更多地業(yè)務(wù)，而且還可以實現(xiàn)全球無縫漫游。對此，OFDM、MIMO 等先進技術(shù)作為 4G 關(guān)鍵技術(shù)開始成為目前的研究熱點。

1. 4G通信技術(shù)面臨的問題

4G通信技術(shù)無論是在數(shù)據(jù)傳輸效率還是業(yè)務(wù)的多樣性方面，都要遠遠優(yōu)勝于3G通信技術(shù)，但是它仍然存在一些問題，主要包括帶寬利用率和多徑衰落問題。對于移動通信而言，帶寬是一種極其少的資源，所以提高帶寬的利用率是非常必要的。為了提高帶寬利用率，就必須采用先進的技術(shù)在有限的頻譜資源之上，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎驮龃髷?shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘?，以滿足多種業(yè)務(wù)的傳輸要求。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，一個最大的問題就是無線信道下的多徑衰落，所以為了提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，就必須要克服這一問題，降低噪音和多徑干擾，從而使得整個4G通信系統(tǒng)更加完善。OFDM技術(shù)可以將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)化為平坦信道，從而在一定程度上降低了多徑衰落所帶來的影響。MIMO技術(shù)可以在空間上產(chǎn)生獨立的并行信道，與此同時還可以傳輸多路數(shù)據(jù)流，在已有的系統(tǒng)帶寬基礎(chǔ)之上來增加頻譜利用率，以此提高整個4G通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，因此采用MIMO技術(shù)可以在一定程度上提高帶寬的利用率[1]?？偟膩碚f，4G通信技術(shù)所面臨的主要問題是帶寬利用率和多徑衰落，這兩個問題可以通過OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)相結(jié)合來進行有效的解決。

2. OFDM技術(shù)及其作用

OFDM 技術(shù)是4G通信系統(tǒng)中最核心的技術(shù)之一，具有重要的意義。OFDM技術(shù)最主要的作用就是可以將信道分成多個正交子信道，每一個子信道都可以進行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣在進行數(shù)據(jù)傳輸時，不僅可以減少每個子信道之間的相互干擾，還可以在一定程度上提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蔥2]。對于無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，在進行傳輸時都存在非對稱性，換言之就是下行鏈路中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量在很大程度上都大于上行鏈路中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的量，因此對于數(shù)據(jù)傳輸就要求物理層支持非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM技術(shù)則可以實現(xiàn)，因為它可以將信道分為多個正交子信道，并通過不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)非對稱高速數(shù)據(jù)傳輸。

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

3.1 OFDM的FFT實現(xiàn)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以通過快速傅立葉變換來實現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)[3]，以此來簡化整個系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。圖1所示的是OFDM的FFT實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖，由圖可知，在輸入數(shù)據(jù)比特通過反向傅立葉變換可以將所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)調(diào)制到多個正交字載波上。通過信道的傳輸，在輸出數(shù)據(jù)比特通過傅立葉變換，將數(shù)據(jù)從正交載波矢量中還原出原始數(shù)據(jù)。

3.2 信道估計

圖1 OFDM的FFT實現(xiàn)框圖

接收端實現(xiàn)調(diào)節(jié)的方式有非相解調(diào)和相干解調(diào)兩種，一般情況下在移動通信系統(tǒng)中常常采用的解調(diào)方式為相干解調(diào)，因為相干解調(diào)的各方面性能都要好于非相干解調(diào)。相干檢測的性能所依賴的是信道狀態(tài)信息，所以在進行相干解調(diào)時就必須對信道的狀態(tài)進行估計。在OFDM中，信道估計可以通過很多種方式來實現(xiàn)，如基于參數(shù)化或非參數(shù)化信道模型的信道估計，利用信道的時間或頻率的相關(guān)特性的信道估計，或基于訓(xùn)練序列的信道估計，自適應(yīng)或非自適應(yīng)的信道估計等[4]。

3.3 OFDM 和多址技術(shù)的結(jié)合

對于4G移動通信來說，它需要支持和保障多個用戶同時接入和信息傳輸，因此需要滿足多址接入的條件。OFDM技術(shù)其本身具有頻分的特點，因此其可以與其他多種接入方式結(jié)合使用，構(gòu)成OFDM–CDMA、OFDM–TDMA、和OFDM–FDMA等系統(tǒng)，可以滿足多個用戶同時進行數(shù)據(jù)的傳輸[5]。在以往的3G移動通信中所使用的CDMA技術(shù)，雖然具有抗多徑衰落的能力，但是由于多址干擾和碼間干擾的原因，其傳輸高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力不是很強。但是OFDM技術(shù)卻在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ι暇哂泻芎玫膬?yōu)勢，因此許多人將兩者相結(jié)合，以此來提高頻譜利用率和抗多徑衰落的能力。

3.4 MIMO和OFDM的結(jié)合

就現(xiàn)階段來看，5GHz以下頻率資源已經(jīng)接近枯竭，同時由于半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，在未來的移動通信系統(tǒng)中，采用多天線結(jié)構(gòu)的發(fā)送和接受都是有可能的，因此人們對于MIMO技術(shù)在移動通信的應(yīng)用方法的研究也逐漸成為重點。根據(jù)相關(guān)的實驗研究表明，MIMO系統(tǒng)的信道容量會隨著線性增長，而并非是對數(shù)增長，因此多天線技術(shù)可以在很大程度上擴大系統(tǒng)的容量。將MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合可以提高移動通信數(shù)據(jù)的傳輸效率和質(zhì)量，因為OFDM技術(shù)可以將帶寬的頻率選擇性信道等效分為多個并行的平坦性衰落信道，可以減小MIMO技術(shù)所帶來的復(fù)雜度[6]。

3.5 OFDM系統(tǒng)的鏈路自適應(yīng)技術(shù)

OFDM 系統(tǒng)的鏈路自適應(yīng)技術(shù)可以有效提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和帶寬利用率，因此它是未來移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。就一般而言，鏈路自適應(yīng)技術(shù)所針對的對象是時域，它被稱為自適應(yīng)調(diào)制編碼，在OFDM系統(tǒng)中，其主要作用是為每個用戶分配合適的子載波數(shù)[7]。

4. OFDM技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)缺點

OFDM技術(shù)在4G移動通信系統(tǒng)中屬于核心技術(shù)之一，但是其也存在優(yōu)點和缺點。它的優(yōu)點主要包括以下內(nèi)容：第一，可以提高頻譜的利用率；第二，通過將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)化為平坦信道，減小多徑衰落的影響，有利于無線接收；第三，OFDM具有頻分的特點，可以與其他多種接入方式結(jié)合使用。它的缺點主要包括以下內(nèi)容：第一，易受頻率偏差的影響；第二，存在較高的峰值平均功率比。

5.結(jié)語

OFDM技術(shù)是4G移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，因為它可以提高整個系統(tǒng)的帶寬利用率和抗多徑衰落能力，同時其還具有與多種技術(shù)相結(jié)合的能力，因此該技術(shù)給予了未來移動通信無限的可能。但是OFDM技術(shù)在4G移動通信中還存在一些問題需要解決，如上行同步和多小區(qū)OFDM等，所以還需加強對OFDM 技術(shù)在移動通信應(yīng)用的研究，相信該技術(shù)具有非常良好的發(fā)展前景，讓我們拭目以待。

* [1]劉巧平,董軍堂.OFDM技術(shù)在4G移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測試,2014(5).

* [2]吳梅,胡華瑞,翟玲紅.MIMO—OFDM技術(shù)在4G移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石河子科技,2010(4)∶61—63.

* [3]苗建軍.淺析OFDM 技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新 ,2016(16)∶154—154.

* [4]李柔夢.多入多出的OFDM技術(shù)在4G移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].信息通信 ,2015(6)∶216—216.

* [5]倪宏斌.4G移動通信系統(tǒng)中MIMO—OFDM技術(shù)的應(yīng)用[J].科技傳播 , 2011(1)∶187—188.

* [6]張海濤.基于OFDM技術(shù)的4G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[C].建筑科技與管理學(xué)術(shù)交流會.2013.

* [7]王猛,呂晨光,金會彬.OFDM技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中的運用分析[J].科學(xué)與信息化,2017(4).