淺談ＯＦＤＭ系統在移動通信應用中需解決的關鍵技術

摘 要：OFDM在技術上存在相當大的優勢，它越來越得到人們的重視，各項產業化工作也在不斷開展中。但是它本身也存在一些問題，探討了OFDM系統在移動通信中的應用中需要解決的幾個關鍵的問題。

關鍵詞：OFDM系統；移動通信；關鍵；技術

1 OFDM技術發展概況

OFDM的英文全稱為Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復用技術。OFDM并不是如今發展起來的新技術，OFDM技術的應用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統。但是，一個OFDM系統的結構非常復雜，從而限制了其進一步推廣。直到上世紀70年代，人們采用離散傅立葉變換來實現多個載波的調制，簡化了系統結構，使得OFDM技術更趨于實用化。80年代，人們研究如何將OFDM技術應用于高速MODEM。進入90年代以來，OFDM技術的研究深入到無線調頻信道上的寬帶數據傳輸。

2 OFDM的基本原理

OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

3 OFDM系統在移動通信中的應用有如下幾個關鍵的問題需要解決

（1）峰均值功率比過大問題。由于FDM信號在時域上為多個正弦波的疊加，當子載波個數多到一定程度時，根據中心極限定理OFDM信號波形將是一個高斯隨機過程，具有很大的峰均值功率比( PAPR )。這種現象在移動通信中的非線性帶限信道中特別不希望出現，因為OFDM信號經非線性信道傳輸后，擴展了信號的頻譜，其旁瓣將會干擾鄰近信道的信號在OFDM系統中將引起鄰信道干擾，破壞其載波問的正交性;如果不失真地傳輸這些高PAPR的OFDM信號，發送端對高功率放大器( HPA)的線性度要求很高且發送效率極低高的PAPR使得OFDM系統的性能大大下降甚至直接影響實際應用。為了解決這一問題，人們提出了許多降低PAPR技術，如墓于幅度限制和編碼設計(不但提供糾錯能力，還能降低峰值平均功率比)、選擇映射、墓于信號空間擴展等技術。

（2）信道估計問題。無線通信系統采用差分檢測和相干接收，在完善的信道估計條件下，后者的SNR性能可以提高3-4dB.在OFDM中差分檢測方法適合于較低速率，如歐洲的DAB系統，而對要求頻譜效率更高的OFDM系統，相干檢測更適合。采用分集接受的系統也需要進行信道估計，以達到多徑信號的最佳合并。信道估計器能夠極大的提高OFDM系統的性能，其設計主要有兩個問題:一是導頻信息的選擇，由于無線信道是衰落信道，需要不斷對信道進行跟蹤估計，因此導頻信息也必須不斷的傳送;二是既有較低的復雜度又有良好的導頻跟蹤能力的信道估計器的設計，即在確定導頻發送方式和估計準則條件下，尋找最佳的信道估計器結構。在實際設計中，導頻信息的選擇和最佳估計器的設計通常又是相互關聯的，因為估計器的性能與導頻信息的傳輸方式有關。

（3）時城和頗域同步。由于OFDM系統子載波問的頻譜是正交的，且解調又是按照FFT數據塊來進行的，所以OFDM系統對定時和頻率偏移敏感，特別是實際應用中可能與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結合使用時，時域和頻率同步顯得尤為重要。與其它數字通信系統一樣，OFDM系統的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。在下行鏈路中，基站通過廣播式向各個移動終端發同步信號，所以，下行鏈路同步相對簡單，較易實現。在上行鏈路中，來自不同移動終端的信號必須同步到達基站，才能保證子載波問的正交性。基站根據各移動終端發來的子載波攜帶信息進行時域和頻域同步信息的提取，再由基站發回移動終端，以便讓移動終端進行同步。具體實現時，同步將分為時域同步和頻域同步，也可以時頻域同時進行同步。

（4）多用戶接入問題。OFDM系統是多載波傳輸方式的一種，在廣播和單用戶的方式下不需考慮多用戶同時接入系統的問題。但是在移動通信中多用戶接入時系統資源的分配和用戶之問干擾是整個系統良好運轉的關健。由于OFDM系統各子載波的頻譜是重疊的，不同的用戶間將比傳統的FDMA方式對其他用戶產生更大的干擾，多用戶接入問題是OFDM系統在移動通信中應用的關健。

在移動通信系統中需要支持多個用戶，碼分多址COMA是支持多用戶通信的有效手段。多載波CDMA方案可以分為兩大類:頻域擴頻與時域擴頻。頻域擴展是用擴頻碼把原始的數據流進行擴頻，然后用不同的碼片去對不同的載波進行調制，一般稱為OFDM-CDMA；另一種是方法是對進行串行并換后的數據使用擴頻碼進行擴頻，然后使用每路數據調制各路載波，這是時域擴頻。在第二類中又分為兩種，兩者之間的不同之處在于子載波間的頻率間隔。用ts和tb分別代表碼片和比特持續時間，在一個系統中載波間的頻率間隔是1/ts，另一個系統的子載波間隔是1/tb，前者的名稱叫做MC-DS-CDMA，后面的一種稱作多音頻COMA(MT-CDMA )， OFDM-CDMA系統在具有比OFDM系統更好的抗衰性能的同時也存在類似于CDMA系統中的自擾問題。