OFDM_4G中的OFDM关键技术

第23卷第5期 辽 宁 工 学 院 学 报 Vo l. 23　No. 6 2 0 03年 12月 JOU RNAL OF LIAONING INST ITU TE OF T ECHNOLOGY Dec. 2 0 0 3 ¹ OFDM : 4G 中的 OFDM 关键技术 李　利,易　丹,谈振辉,金晓军 (北京交通大学 现代通信研究所,北京　100044) 摘　要: OFDM( Or thogonal Fr equency Div ision M ultiplex ing) 是未来 4G 中的关键技术之一。OFDM 的各个 子载波存在正交性, 极大的利用了频谱资源,在一定程度上解决了未来频谱资源紧张的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ; OFDM 有良好的抗码 间干扰能力, 能够适应未来无线通信无失真高速传播的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ; OFDM 能用 FFT / IFFT 来实现, 灵活多变, 因而能够 满足无线通信系统中的业务要求。本文 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了 OFDM 的基本原理和性能及 FFT / IFFT 实现; 最后介绍了以 OFDM 为基础的三种多载波 CDMA 方式,并给出了简单比较 。 关键词: OFDM ; ISI; ICI ; FFT / IFFT ;多载波 CDM A 中图分类号: TN914　　　文献标识码: A　　　文章编号: 1005-1090( 2003) 06-0004-03 OFDM:Key Technique of OFDM in 4G LI Li, Y I Dan, T AN Zhen-hui, JIN Xiao-jun ( Moder n Communicat ion In st itute, Beijing Traf fic U nivers ity, Beijing 100044, China) Key words : OFDM ; ISI; ICI; FFT / IFFT ; mult icarr ier CDMA Abstract: OFDM w ill be the key technique in 4G. OFDM features it s ev er y individual subcarrier hav ing orthogono l nature of making use of f requency resources to full extent , w hich solves the pr oblem on lackness of f requence resources to a certain degree. So OFDM has good perfo rmance in resist ing interference and is able to meet the need of future w ireless high speed transm ission w ithout any distort ion. OFDM can be realized through FFT / IFFT , and be made flex ible, changeable and sat isfactory w ith business requirement in radio communicat ion. The basic pr inciple, per formance and FFT / IFFT r ealizat ion ar e analyzed. Finally, three kinds of mult icarriers′CDMA modes are int roduced on the basis of OFDM , w ith simple compar isions among the three propo sed. 　　无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了 巨大的变化。目前又有新技术出现,比以CDMA 为 核心的第三代移动通信技术更加完善,我们称之为 “第四代移动通信技术”。第一代模拟系统仅提供语 音服务,不能传输数据。第二代数字移动通信系统的 数据传输速率也只有 9. 6 kbit / s ,最高可达 32 kbit / s 第三代移动通信系统数据传输速率可达到 2 M bit / s. 第四代移动通信系统可以达到 10 M bit / s 至 20 M bit / s. 第四代移动通信系统计划以 OFDM (正交频分 复用)为核心技术。OFDM 有更高的频谱利用率和 良好的抗多径干扰能力, 它不仅仅可以增加系统容 量, 更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求。 OFDM 早在 30年代就被提出来了, 近几年数字信 号处理( DSP )和超大规模集成电路( VLSI )技术的 发展极大的促进了 OFDM 技术在消费类电子产品 ¹ 收稿日期: 2003-05-16 基金项目: 国家自然科学基金资助研究课题(项目批准号: 90104016)。 作者简介: 李利( 1979-) , 女,辽宁北镇人, 硕士生。 中的应用。 1　移动无线环境 ( 1)移动无线环境中的主要损耗分别是:路径传 播损耗、平坦衰落损耗和快衰落损耗。 路径传播损耗: 指的是电波在空间传播时产生 的损耗,它反映的是传播在大范围空间距离上的接 收信号电平平均值的变化趋势。 平坦衰落损耗: 是由于电波传播路径上受到建 筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损 耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的 均值变化而产生的损耗。 快衰落损耗: 主要是由多径传播而产生的衰落。 反映的是数十波长量级范围内接收电平的均值变化 产生的损耗。快衰落会引起在不同空间、频率和时间 其衰落特性不一样。 多径损耗会导致码间干扰。信号的传输速率越 大,码间干扰越严重。这也是限制无线通信速率的原 因之一。 ( 2)由于无线物理信道自身条件的限制,在物理 层提供高速率的无线解决方案, 是实现未来移动通 信系统的基本条件之一。目前提供高速率传输的无 线解 决方 案主要 有三 种: 单 载波 时分 多址 ( T DMA) , 直扩码分多址( DS-CDMA)以及多载波 正交频分复用( OFDM )方案。单载波 TDMA 方案 的主要缺点是在高传输速率时, 即使是采用先进的 干扰抑制和空时信号处理技术, 也需要抽头数很长 的时域均衡器及较长的训练时间, 故在快速移动的 工作环境下很难实现很高的传输速率。制约 DS- CDMA 方案中高速传输的障碍主要在于低的扩频 增益和扩频码之间的相互矛盾。而 OFDM 方案则可 以较好地解决这些问题。 2　OFDM 系统 2. 1　OFDM基本原理 它是将传输的高速数据分解并调制到多个相互 交叠并相互正交的子载波中如图 1. 使每个子信道 上的码元宽度展宽。当传输信道中出现多径传播时, 在接收子载波间的正交性将被破坏,使得每个子载 波上的前后传输符号间以及各子载波之间发生相互 干扰。为了解决这个问题, 就在每个 OFDM 传输信 号前插入一保护间隔。只要多径时延不超过保护间 隔, 子载波间的正交性就不会被破坏。一般地说, OFDM 的上述特点使其特别适合于在存在多径衰 落的移动无线信道中高速传输数据。 OFDM 调制信号可 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为: D ( t ) = 6 M - 1 n= 0 d( n) exp( j 2Pf nt )　　t∈ [ 0, T ] ( 1) 式中　d( M )为第 M 个调制码元, T s为码元周期, T 为码元周期加保护时间。 图 1　OFDM的载波幅度及原理框图 各子载波的频率为: f n = f 0 + n T s ( 2) 式中　f 0为最低子载波频率。 在发射端, 发射数据经过常规 QAM 调制形成 速率为R 的基带信号。然后经过串并变换成M 个子 信号,再去调制相互正交的 M 个子载波, 最后相加 成 OFDM 发射信号。实际的输出信号可表示为 D ( t) = R e{6 M- 1 n= 0 d( n) exp( j w nt) } ( 3) 在接收端, 输入信号分成 M 个支路,分别用各子载 波混频和积分, 恢复出子信号,再经过并串变换和常 规 QAM 解调就可以恢复出数据。由于子载波的正 交性,混频和积分电路可以有效地分离各子载波信 道,如下式所示: 5第 6期 李利等: OFDM : 4G中的 OFDM 关键技术 d′(m ) =∫T s0 6M- 1 n= 0 d( n) exp( j w nt ) exp( - j w n t) dt = 6 M - 1 n= 0 d( n)∫T s0 exp[ j ( w n - w m) t ] dt = 6 M - 1 n= 0 d( n)∫T s0 exp[ j 2P( n - m )T s t] dt = d(m) ( 4) 式中 d′(m )为接收机的第 m 支路子信号。 2. 2　OFDM的 FFT实现 OFDM 系统可以用离散傅立叶变换( DFT )来 实现,并能采用高效率的快速傅立叶变换( FFT )技 术。这是OFDM 的优点之一。下面详细阐述。 首先不考虑保护时间。根据式( 2) ,公式( 1)可以 写成 D ( t) = [6 M- 1 n= 0 d( n) exp j 2P M ts nt ) ] ej2Pf 0t = X ( t) j 2Pf 0t ( 5) 式中　t s为串并变换前的信号周期, ts= 1 M T s; X ( t) 为复等效基带信号 X ( t ) = 6 M - 1 n= 0 d( n) exp( j 2P M ts nt ) ( 6) 对 X ( t)进行抽样,抽样频率为 1/ ts ,即 tk= kts ,则有 X ( tk) = 6 M- 1 n= 0 d( n) exp( j 2P M nk)　0 F k F M - 1 ( 7) 　　由上式可知 X ( t ) = X ( tk)恰恰是d( n)的反傅立 叶变换。同样在接收端可以采用相反的方法,即离散 傅立叶变换得到: d( n) = 6 M- 1 n= 0 X kexp( - j 2Pnk M )　0 F k F M - 1 ( 8) 　　即是OFDM 的调制可以由 IDFT 实现,而解调 可由 DFT 实现。在实际实现中,我们可以用 DSP 经 FFT / IFFT 来完成。 3　OFDM 的主要优缺点 3. 1　主要优点 ( 1)由于 OFDM 的各个子载波之间存在正交 性,因而可以最大限度地利用频谱资源,这样就可以 解决未来无线频谱资源紧张的问题。( 2) OFDM 经 串/并变换之后,大大降低了符号在各子载波上的速 率,同时由于在各子载波上插入了保护间隔,几乎可 以全部消除符号间的串扰( ISI) . ( 3)由于OFDM 可 以用 FFT / IFFT 来实现, 因而有利于简化系统结 构,设计灵活,能够满足通信系统中的各种业务的需 求。一般的系统都是上行业务量少于下行业务量。 OFDM 通过使上行子载波数量少于下行子载波数 量,可以很容易的实现。( 4) OFDM 作为一种并行传 输技术,对抽样时间的敏感度比串行技术要低。 3. 2　主要缺点 ( 1)由于 OFDM 插入了保护间隔,因而将带来 有效功率降低和信息传输速率下降的问题。( 2)由于 OFDM 的各个子载波是相互正交的, 因而对同步提 出了很高的要求。无线信道的频率偏移或者发射端 与接收端的振荡频率不同时, 子载波间的正交性将 遭到破坏。从而导致 ICI 的产生。目前有一些解决 ICI 的办法。包括插入导频的方法、频率均衡方法、 时域加窗方法、ICI 干扰自消除方法等等。但是这些 方法都存在一些缺点,例如插入导频方法牺牲了信 息传输效率,时域加窗方法降低了系统所能容忍的 时延扩展, ICI 干扰自消除方法牺牲了系统的带宽 利用率。( 3)由于是一种多载波技术, 因而 OFDM 的 峰均比大。现有的解决方案有信号畸变技术、编码方 法和选择性映射方法。 4　OFDM 在移动通信中的应用 OFDM 应用于移动通信,主要是指与各种多址 方式的结合。目前,引起广泛研究兴趣的是 OFDM 与 DS-CDMA 的结合。这样可以综合二者的长处, 构造出更为高速的有效方式。结合的方式主要有三 种: MC-CDMA、MC-DS-CDMA 以及 MT -CDMA, 统称为多载波 CDMA. 5　结束语 OFDM 以其高频谱利用率和抗多径衰落能力 已经获得了越来越多的注意, 特别是 OFDM 与 CDMA 的结合,更是成为研究的热点。若能很好的 解决 OFDM 的高峰均功率比和有效克服 ICI 的影 响, OFDM 必将成为在未来通信中关键技术。 参考文献: [ 1] L . T . Cimini. Analysis and simulation of a digital mobile channel using o rt hogonal fr equency div ision multiplexing [ J] . IEEE Trans. On Commu. 1985; 33( 6) . [ 2 ] M . Russell, G . L . Stuber . Inter channel inter ference analy sis o f OFDM in a mobile environm ent [ J] . IEEE VTC. 1995, ( 6) . [ 3]李建东. 个人通信[ M ] .北京: 人民邮电出版社, 1999. [ 4]纪红, 佟学俭,郝建军等. OFDM : 适合于未来移动通信系 统的解决方案[ J] .无线通信 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 , 2002, 32( 7) . 责任编辑: 刘亚兵 6 辽宁工学院学报 第 23 卷