OFDM—第四代移動通信核心技術(shù)分析

摘 要：通信技術(shù)日新月異，給人們帶來不少享受。隨著數(shù)據(jù)通信與多媒體業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，適應(yīng)移動數(shù)據(jù)、在我們還沒有完全享受3G移動通信系統(tǒng)商所帶來服務(wù)的同時，第四代移動通信核心技術(shù)的研究已經(jīng)在逐步的進(jìn)行著。本文簡要分析了：（1）第四代移動通信系統(tǒng)簡介；（2）OFDM技術(shù)簡介；（3）OFDM信道估計(jì)；（4）OFDM信道估計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀；（5）OFDM信道估計(jì)新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：第四代移動通信核心技術(shù)；OFDM技術(shù)；信道估計(jì)；4G系統(tǒng)

中圖分類號：TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 14-0000-02

隨著3G在我國的商用以來，用戶在使用手機(jī)電視和視頻通話方面，出現(xiàn)信號不穩(wěn)，視頻通話效果不好等問題。所謂4G技術(shù)是第四代移動通信及其技術(shù)的簡稱，是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。人們開始期望第四代移動通信系統(tǒng)能夠解決這些問題，能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率，更大的容量和帶寬。從而使4G比3G更接近個人通信，在技術(shù)上比3G更完善。而在用戶最為關(guān)注的價(jià)格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價(jià)格方面不相上下，而且計(jì)費(fèi)方式更加靈活機(jī)動，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。此外，4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴(kuò)展到整個地區(qū)。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。

一、第四代移動通信系統(tǒng)簡介

（一）第四代移動通信系統(tǒng)定義

嚴(yán)格說來，現(xiàn)在還不能對第四代移動通信作出確切地定義，但可以肯定，4G通信將是一個比3G通信更完美的無線世界，它可以創(chuàng)造出許多難以想象的應(yīng)用。關(guān)于4G的一般描述為：“第四代移動通信的概念可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對稱的和超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)（基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng)）。此外，第四代移動通信系統(tǒng)將是由多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，也是寬帶接入IP系統(tǒng)”。

實(shí)際上，世界各國在對4G的設(shè)想上存在著巨大的差異。歐洲國家一般認(rèn)為4G是一種可以有效使用頻譜的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，并且以IPv6為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)上的所有單位都有自己的IP地址。通過在移動通信網(wǎng)絡(luò)中引入IPv6就可以把現(xiàn)有的各種不同的網(wǎng)絡(luò)融合在一起，如4G網(wǎng)絡(luò)將會融合衛(wèi)星和平流層通信系統(tǒng)、數(shù)字廣播電視系統(tǒng)、各種蜂窩和準(zhǔn)蜂窩系統(tǒng)#無線本地環(huán)路和無線局域網(wǎng)，并且可以和2G、3G兼容。與歐洲關(guān)于4G的觀點(diǎn)正相反。日本熱衷于建立一個單一的4G全球標(biāo)準(zhǔn)。美國則希望把WLAN技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，從而演進(jìn)為4G的基礎(chǔ)。

（二）第四代移動通信系統(tǒng)的目標(biāo)要求

（1）與已有的數(shù)字移動通信系統(tǒng)相比，4G系統(tǒng)應(yīng)具有更高的數(shù)據(jù)速率和傳輸質(zhì)量。更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量，更高的頻譜利用率，更高的安全性、智能性和靈活性；

（2）可以容納更多的用戶，應(yīng)能支持包括非對稱性業(yè)務(wù)在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)；

（3）4G系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)移動與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢，將在不同的固定和無線平臺以及跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中提供無線服務(wù)；

（4）能實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)多個移動網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游，包括網(wǎng)絡(luò)無縫＼終端無縫和內(nèi)容無縫；

（5）將是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，不僅聯(lián)系人與人，更將聯(lián)系人與機(jī)器、環(huán)境，人們將能夠隨時隨地的接入需要的多媒體信息，并可遠(yuǎn)端控制其他設(shè)備。

二、OFDM技術(shù)簡介

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是多載波調(diào)制的一種，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。其主要原理是：將待傳輸?shù)母咚俅袛?shù)據(jù)經(jīng)串并變換，變成在子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流，再用相互正交的載波進(jìn)行調(diào)制，然后疊加一起發(fā)送。接收端用相干載波進(jìn)行相干接收，再經(jīng)并串變換恢復(fù)為原高速數(shù)據(jù)。

OFDM技術(shù)的有很多優(yōu)點(diǎn)：可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率；適合高速數(shù)據(jù)傳輸；抗衰落能力強(qiáng)；抗碼間干擾（ISI）能力強(qiáng)。OFDM還易于結(jié)合空時編碼、分集、干擾（包括ISI和ICI）抑制以及智能天線等技術(shù)，最大限度地提高物理層信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

三、OFDM信道估計(jì)

（一）OFDM信道估計(jì)簡介

OFDM系統(tǒng)可通過插入循環(huán)前綴，有效抑止多徑傳輸帶來的符號間干擾，還可以通過對信道特性的準(zhǔn)確估計(jì)，減輕信道時變性質(zhì)對系統(tǒng)的影響。并且，由于它采用傅立葉變換，很大程度地降低了接收機(jī)復(fù)雜度，因此，OFDM技術(shù)在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。例如IEEE802.11a采用OFDM技術(shù)作為它的物理層標(biāo)準(zhǔn)。而且OFDM技術(shù)有望成為4G標(biāo)準(zhǔn)。雖然OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以消除部分符號間干擾，但仍需要精確的估計(jì)出信道信息來進(jìn)行信道的均衡，從而進(jìn)一步彌補(bǔ)多徑衰落和多普勒頻移的影響。因此信道估計(jì)和均衡技術(shù)對整個OFDM的系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響。

信道估計(jì)技術(shù)就是估計(jì)從發(fā)射天線到接收天線之間的無線信道的頻域響應(yīng)，而“好”的信道估計(jì)就是使得某種估計(jì)誤差最小化的信道估計(jì)算法。信道估計(jì)是進(jìn)行相干檢測、解調(diào)和均衡的基礎(chǔ)，是OFDM系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（二）OFDM信道估計(jì)的基本方法

信道估計(jì)從大的角度可以分為非盲估計(jì)和盲估計(jì)以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的半盲估計(jì)。所謂非盲估計(jì)是指在估計(jì)階段首先利用導(dǎo)頻來獲得導(dǎo)頻位置的信道信息，然后為下面獲得整個數(shù)據(jù)傳輸階段的信道信息做好準(zhǔn)備；盲估計(jì)是指不使用導(dǎo)頻信息，通過使用相應(yīng)信息處理技術(shù)獲得信道的估計(jì)值，與傳統(tǒng)的非盲信道估計(jì)技術(shù)相比，盲信道估計(jì)技術(shù)使得系統(tǒng)的傳輸效率大大提高，然而由于盲信道估計(jì)算法一般收斂速度較慢，這阻礙了它在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用；正是如此出現(xiàn)了半盲信道估計(jì)，它在數(shù)據(jù)傳輸效率和收斂速度之間做一個折中，即采用較少的訓(xùn)練序列來獲得信道的信息。

在基于OFDM的新一代無線通信系統(tǒng)中，由于傳輸速率較高，并且需要使用相干檢測（coherent detection）技術(shù)獲得較高的性能，因此通常使用非盲估計(jì)獲得較好的估計(jì)效果，這樣可以更好的跟蹤無線信道的變化，提高接收機(jī)性能。

四、OFDM信道估計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

其實(shí)，OFDM并不是如今發(fā)展起來的新技術(shù)，OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，主要用于軍用的無線高頻通信系統(tǒng)。但是，一個OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進(jìn)一步推廣。直到上世紀(jì)70年代，人們采用離散傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)多個載波的調(diào)制，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得OFDM技術(shù)更趨于實(shí)用化。80年代，人們研究如何將OFDM技術(shù)應(yīng)用于高速M(fèi)ODEM。進(jìn)入90年代以來，OFDM技術(shù)的研究深入到無線調(diào)頻信道上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸。

目前世界各國許多大公司、研究團(tuán)體已經(jīng)充分認(rèn)識到OFDM技術(shù)的應(yīng)用前景，紛紛加入世界性的OFDM論壇，專門討論OFDM在技術(shù)上、市場推廣上的各方面問題，從而進(jìn)一步推動了OFDM技術(shù)的商用化。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)，主要的應(yīng)用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）、ETSI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線局域網(wǎng)（WLAN）等。

五、OFDM信道估計(jì)新進(jìn)展

目前，在OFDM的信道估計(jì)中出現(xiàn)了一種基于EM（expectation maximiTafion）的迭代算法。它主要是通過迭代來進(jìn)行信道估計(jì)。該算法主要分為兩部分：E步驟和M步驟，最終通過多次迭代求得最優(yōu)的估計(jì)值。通過對迭代次數(shù)的選擇，可以在系統(tǒng)性能和復(fù)雜度之間求得平衡.當(dāng)然如何減少迭代次數(shù)和進(jìn)一步優(yōu)化EM算法來提高估計(jì)效果因是今后進(jìn)一步的改進(jìn)方向。

近來隨著分集技術(shù)，特別是空時碼的產(chǎn)生與發(fā)展，研究基于發(fā)送分集的OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)成為了新的研究熱點(diǎn)。基于分集的OFDM的結(jié)構(gòu)有3種情況，它們分別是延時發(fā)送分集，置換發(fā)送分集和空時編碼發(fā)送分集。模擬仿真表明空時編碼發(fā)送分級能夠提供最高的峰值速率，因此基于空時編碼發(fā)送分集的OFDM系統(tǒng)成為研究方向。當(dāng)然這些信道估計(jì)方法基本上基于慢變化的信道，即假設(shè)信道在一個或幾個符號之內(nèi)是不變的來進(jìn)行分析；如果信道變化較快，這些方法的估計(jì)效果將會下降甚至失效，因此如何解決高速移動下的快衰落信道的估計(jì)問題是一個值得討論的問題。

因此如何在估計(jì)效果和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性之間取得平衡是值得研究的問題，最近提出的EM迭代算法在這方面取得了較好進(jìn)展，它通過迭代次數(shù)的選擇在估計(jì)效果和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間取得折中；此外隨著分集技術(shù)的應(yīng)用，研究分集情況卞OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)也是一個重要的研究方向。總之，OFDM信道估計(jì)技術(shù)的的不斷發(fā)展將為基于OFDM的新一代移動通信系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的支持。

六、結(jié)束語

隨著人們對通信數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的需求，人們開始集中越來越多的精力開發(fā)OFDM技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用，OFDM技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹碓降玫綇V泛的應(yīng)用。可以預(yù)見，隨著人們對OFDM技術(shù)的不斷深入研究和完善，OFDM技術(shù)將成為第四代移動通信的主流技術(shù)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮建和，OFDM技術(shù)簡介[J].科技信息，2012（17）.

[2]周丹，馬楠.OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)[J/OL]，中國科技論文在線.

[3]陳淑君.OFDM信道估計(jì)與均衡技術(shù)研究[J].大連海事大學(xué)，2010.

[4]張繼東，鄭寶玉.基于導(dǎo)頻的OFDM信道估計(jì)及研究進(jìn)展[J].通信學(xué)報(bào)，2003（11）.

[5]陳良明，韓澤耀.OFDM——第四代移動通信的主流技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008（03）.

[作者簡介] 冉俐（1992.04-），女，重慶云陽人，本科，重慶大學(xué)城市科技學(xué)院工程造價(jià)專業(yè)2011級，研究方向：工程造價(jià)；吳舟（1992.12-），男，四川宜賓人，本科，重慶大學(xué)城市科技學(xué)院工程造價(jià)專業(yè)2011級，研究方向：工程造價(jià)；田桂平（1993.03-），女，重慶奉節(jié)人，本科，重慶大學(xué)城市科技學(xué)院工程造價(jià)專業(yè)2011級，研究方向：工程造價(jià)。