OFDM技術在4G移動通信系統中的應用

作者/王宇鵬，黑龍江同信通信股份有限公司

引言

隨著時代的發展，移動通信技術日新月異，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，因此業務速率更高、應用業務更多的4G移動通信技術受到了人們的廣泛關注。4G通信系統傳輸效率可以達到100Mb/s或者更快，因此可以提供給人們更多地業務，而且還可以實現全球無縫漫游。對此，OFDM、MIMO 等先進技術作為 4G 關鍵技術開始成為目前的研究熱點。

1. 4G通信技術面臨的問題

4G通信技術無論是在數據傳輸效率還是業務的多樣性方面，都要遠遠優勝于3G通信技術，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在有限的頻譜資源之上，提高數據傳輸的效率和增大數據傳輸的容量，以滿足多種業務的傳輸要求。在數據傳輸過程中，一個最大的問題就是無線信道下的多徑衰落，所以為了提高數據的傳輸效率，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通信系統更加完善。OFDM技術可以將頻率選擇性多徑衰落信道在頻域內轉化為平坦信道，從而在一定程度上降低了多徑衰落所帶來的影響。MIMO技術可以在空間上產生獨立的并行信道，與此同時還可以傳輸多路數據流，在已有的系統帶寬基礎之上來增加頻譜利用率，以此提高整個4G通信系統的數據傳輸效率，因此采用MIMO技術可以在一定程度上提高帶寬的利用率[1]。總的來說，4G通信技術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技術和MIMO技術相結合來進行有效的解決。

2. OFDM技術及其作用

OFDM 技術是4G通信系統中最核心的技術之一，具有重要的意義。OFDM技術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制和傳輸，這樣在進行數據傳輸時，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據傳輸的效率[2]。對于無線數據業務而言，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的數據量在很大程度上都大于上行鏈路中所傳輸的數據的量，因此對于數據傳輸就要求物理層支持非對稱高速數據傳輸。OFDM技術則可以實現，因為它可以將信道分為多個正交子信道，并通過不同數量的子信道來實現非對稱高速數據傳輸。

3. OFDM技術在4G移動通信系統中的應用

3.1 OFDM的FFT實現

隨著科學技術的不斷發展，可以通過快速傅立葉變換來實現OFDM的調制和解調[3]，以此來簡化整個系統實現的復雜度。圖1所示的是OFDM的FFT實現的系統框圖，由圖可知，在輸入數據比特通過反向傅立葉變換可以將所需傳輸的數據調制到多個正交字載波上。通過信道的傳輸，在輸出數據比特通過傅立葉變換，將數據從正交載波矢量中還原出原始數據。

3.2 信道估計

圖1 OFDM的FFT實現框圖

接收端實現調節的方式有非相解調和相干解調兩種，一般情況下在移動通信系統中常常采用的解調方式為相干解調，因為相干解調的各方面性能都要好于非相干解調。相干檢測的性能所依賴的是信道狀態信息，所以在進行相干解調時就必須對信道的狀態進行估計。在OFDM中，信道估計可以通過很多種方式來實現，如基于參數化或非參數化信道模型的信道估計，利用信道的時間或頻率的相關特性的信道估計，或基于訓練序列的信道估計，自適應或非自適應的信道估計等[4]。

3.3 OFDM 和多址技術的結合

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合使用，構成OFDM–CDMA、OFDM–TDMA、和OFDM–FDMA等系統，可以滿足多個用戶同時進行數據的傳輸[5]。在以往的3G移動通信中所使用的CDMA技術，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，其傳輸高速數據業務的能力不是很強。但是OFDM技術卻在高速數據傳輸的能力上具有很好的優勢，因此許多人將兩者相結合，以此來提高頻譜利用率和抗多徑衰落的能力。

3.4 MIMO和OFDM的結合

就現階段來看，5GHz以下頻率資源已經接近枯竭，同時由于半導體技術的不斷發展，在未來的移動通信系統中，采用多天線結構的發送和接受都是有可能的，因此人們對于MIMO技術在移動通信的應用方法的研究也逐漸成為重點。根據相關的實驗研究表明，MIMO系統的信道容量會隨著線性增長，而并非是對數增長，因此多天線技術可以在很大程度上擴大系統的容量。將MIMO技術和OFDM技術相結合可以提高移動通信數據的傳輸效率和質量，因為OFDM技術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技術所帶來的復雜度[6]。

3.5 OFDM系統的鏈路自適應技術

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

4. OFDM技術應用的優缺點

OFDM技術在4G移動通信系統中屬于核心技術之一，但是其也存在優點和缺點。它的優點主要包括以下內容：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轉化為平坦信道，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合使用。它的缺點主要包括以下內容：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.結語

OFDM技術是4G移動通信系統中的核心技術之一，因為它可以提高整個系統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相結合的能力，因此該技術給予了未來移動通信無限的可能。但是OFDM技術在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OFDM等，所以還需加強對OFDM 技術在移動通信應用的研究，相信該技術具有非常良好的發展前景，讓我們拭目以待。

* [1]劉巧平,董軍堂.OFDM技術在4G移動通信系統中的應用[J].電子測試,2014(5).

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

* [3]苗建軍.淺析OFDM 技術在移動通信系統中的應用[J].科技與創新 ,2016(16)∶154—154.

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

* [5]倪宏斌.4G移動通信系統中MIMO—OFDM技術的應用[J].科技傳播 , 2011(1)∶187—188.

* [6]張海濤.基于OFDM技術的4G通信網絡應用[C].建筑科技與管理學術交流會.2013.

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