OFDM：新一代无线技术风向标

　　【导读】在无线通信技术不长的发展历史中，每个发展阶段都曾出现过风行一时的核心技术。
　　　　　
　　在无线通信技术不长的发展历史中，每个发展阶段都曾出现过风行一时的核心技术。

　　过去的十年似乎成为了CDMA(码分多址技术)的时代，以CDMA为核心的IS-95系统成为2G技术的重要组成部分，3G技术更是成了CDMA的一统天下。

　　但是，近几年来，随着下一代无线通信系统的研发，OFDM(正交频分复用)技术大有取而代之之势。从WLAN到WiMAX、Flash-OFDM，从LTE到B3G，还有UWB，OFDM几乎成了新一代无线通信技术的标志。

　　这种革命性的变化因何而起？OFDM的制胜因素在何处呢？

　　OFDM技术优势

　　OFDM技术之所以有代替CDMA，成为新一代无线通信核心技术的趋势，是因为它具有如下的优点：

　　频谱效率高

　　由于FFT处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。以OFDM为基础的多址技术OFDMA(正交频分多址)可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。

　　带宽扩展性强

　　由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百kHz，大到几百MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化(将由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系统对大带宽的有效支持，成为其相对于单载波技术(如CDMA)的“决定性优势”。

　　抗多径衰落

　　由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽(如20MHz)。

　　频谱资源灵活分配

　　OFDM系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。

　　实现MIMO技术较简单

　　由于每个OFDM子载波内的信道可看作水平衰落信道，多天线(MIMO)系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平(随天线数量呈线性增加)。相反，单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO技术的应用。

　　OFDM技术实现中的问题

　　虽然基于上述优点，OFDM已成为新一代无线通信最有竞争力的技术，但这种技术也存在一些内在的局限和设计中必须注意的问题：

　　子载波的排列和分配

　　OFDM子载波可以按两种方式排列：集中式(Locolized)和分布式(Distributed)。

　　集中式即将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统可以通过频域调度(scheduling)选择较优的子载波组(用户)进行传输，从而获得多用户分集增益。

　　另外，集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。

　　分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。

　　PAPR问题

　　OFDM系统由于发送频域信号，峰平比(PAPR)较高，从而会增加了发射机功放的成本和耗电量，不利于在上行链路实现(终端成本和耗电量受到限制)。在未来的上行移动通信系统中，很可能将采用改进型的OFDM技术，如DFT-S(离散傅丽叶变换扩展)-OFDM或带有降PAPR技术(子载波保留、削波)的OFDM。

　　频偏问题和相位噪声

　　OFDM系统由于子载波宽度较窄，对频偏和相位噪声敏感(导致子载波间正交性恶化)。因此OFDM子载波宽度必须仔细选定，既不能太大(频谱效率较低)，也不能太小(难以支持高速移动)。

　　信道估计和导频设计

　　OFDM系统的信道估计，从某种意义上讲，比单载波复杂。需要考虑在获得较高性能的同时尽可能减小开销。因此导频插入的方式(时分复用还是频分复用)及导频的密度都需要认真考虑。

　　多小区多址和干扰抑制

　　OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间多址(CDMA则很容易实现)。

　　如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰(WiMAX系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。可能的解决方案包括：跳频OFDMA、小区间频域协调、干扰消除等。

　　OFDM技术的发展现状

　　较早采用OFDM技术包括DAB(数字广播)和DVB(数字电视)。随后，宽带无线接入系统IEEE802.11g/a、802.16d/e、802.20(可能基于Flash-OFDM)也以OFDM/OFDMA技术为基础。

　　同时，目前正在研发的3GPPLTE(长期演进)技术也很可能选用OFDM及其改进型(下行OFDM、上行DFT-S-OFDM)作为基本多址技术。

　　另外,近距离通信IEEE802.15.3aUWB技术的两个备选方案之一也采用了MB(多载波)-OFDM。预计未来的B3G技术也将基于OFDM。

　　总之，目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以OFDM为核心，OFDM技术已经成为下一代无线通信技术的风向标。

----《通信产业报》
作者：沈嘉