LTE基础:OFDM之基础介绍与优缺点

    在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为N个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将N个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用频谱资源。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式。常规频分复用与OFDM的信道分配情况如下图所示。可以看出OFDM至少能够节约二分之一的频谱资源。

    OFDM的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，如下图所示：

    OFDM利用快速傅立叶反变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）来实现调制和解调，如下图所示：

    OFDM的调制解调流程如下：

1.  发射机在发射数据时，将高速串行数据转为低速并行，利用正交的多个子载波进行数据传输；

2.  各个子载波使用独立的调制器和解调器；

3.  各个子载波之间要求完全正交、各个子载波收发完全同步；

4.  发射机和接收机要精确同频、同步，准确进行位采样；

5.  接收机在解调器的后端进行同步采样，获得数据，然后转为高速串行。

    在向B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。

    20世纪50年代OFDM的概念就已经被提出，但是受限于上面的步骤2、3，传统的模拟技术很难实现正交的子载波，因此早期没有得到广泛的应用。随着数字信号处理技术的发展，S.B.Weinstein和P.M.Ebert等人提出采用FFT实现正交载波调制的方法，为OFDM的广泛应用奠定了基础。此后，为了克服通道多径效应和定时误差引起的ISI符号间干扰，A.Peled和A.Ruizt提出了添加循环前缀的思想。

OFDM的优缺点

    OFDM系统越来越受到人们的广泛关注，其原因在于OFDM系统存在如下主要优点：

  把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带爱的ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。

  OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。

  各个子信道中这种正交调制和解调可以采用快速傅立叶变换（FFT）和快速傅立叶反变换（IFF）来实现。

  无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远大于上行链路中的数据传输量，如Internet业务中的网页浏览、FTP下载等。另一方面，移动终端功率一般小于1W，在大蜂窝环境下传输速率低于10kbit/s～100kbit/s；而基站发送功率可以较大，有可能提供1Mbit/s以上的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

  由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道的分配方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。

  OFDM系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传递。

  因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。

但是OFDM系统内由于存在多个正交子载波，而去其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点：

  易受频率偏差的影响：由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求，然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰，这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。

  存在较高的峰值平均功率比：与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的香味一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAPR）。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。