下一代移动通信系统中的OFDM技术

宋铁成 东南大学

　　摘要：本文介绍了下一代移动通信系统的基本要求，对普遍看好的OFDM技术进行了分析，归纳了OFDM技术的优缺点，给出了基于IFFT/FFT的OFDM系统实现方案，最后指出了OFDM系统的关键技术。

1 引言

　　第一代模拟移动通信系统正逐渐退出历史舞台，第二代数字移动通信系统正在以前所未有的速度发展，它们都是以传输语音业务为主要目的。第三代移动通信系统正处在大规模商用化的前夕，它将提出语音、数据以及视频等多媒体通信业务。继第三代以后的下一代移动通信系统“Beyond 3G”或“4G”的技术研究和标准建议工作目前也正在紧张开展。

　　从移动通信系统提供的传输速率来看，第一代模拟系统提供模拟语音服务和简单的信令；第二代数字N-CDMA两个系统为代表，主要传输数字语音，当然可以同时使用多个时隙实现相对较高速率的数据通信；而第三代移动通信系统数据传输速率最高可达2Mbps，其中，静止环境为2Mbps，慢速移动环境为384Mbps，快速移动环境为144Mbps，卫星移动通信为9.6Mbps；下一代（4G）移动通信系统预计系统速率可达到20Mbps，甚至更高，国际电信联盟正在着手有关标准的组织工作。为了实现这一目标，必须从通信网络的交换、传输和接入等各个环节进行研究和突破，尤其是在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定可靠高效地支持高速率的数据传输值得研究。正交频分复用（OFDM）技术因其网络结构高度可扩展，且有良好的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力以及频谱利用率高而被普遍认为是下一代移动通信系统必不可少的技术。

2 下一代移动通信系统与OFDM技术

　　关于下一代移动通信系统的研究工作已经提交给ITU-R第8研究组和世界无线电大会（WRC）。许多世界著名通信公司已经投入巨资研究下一代移动通信系统。早在1997年日本NTT DoCoMo公司已经启动第四代系统的开发研究工作，并于2001年6月15日向国际电联提交了有关建议：西门子正积极与国内外颇具实力的高校进行下一代系统的合作研究；爱立信也已宣布进行第四代手机的研发；AT&T公司正在研究以提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问因特风速率为目的的第四代移动通信系统。

总的来说，下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：

（1）用户速率在准静止（低速移动和固定）情况下达20Mbps，在高速移动情况下达2Mbps；

（2）容量要达到第三代系统的5-10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统；

（3）条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；

（4）具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；

（5）网络的每比特成本要比第三代低。

在功能方面主要有以下要求：

（1）支持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等；

（2）实现与固定网或专用网的无缝化连接；

（3）能通过中间件支持和开通多种多样的IP业务；

（4）能提供用户定义的个性化服务；

（5）按服务级别收费。

　　由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中，普遍存在着符号间干扰（ISI）。克服符号间干扰的措施通常是采用自适应均衡器，但是，在高速数字通信系统中，为了保证克服ISI，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是在城市，环境可能要求均衡器的抽头数上百个。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题，可采用频谱利用率高，抗多径衰落性能好的OFDM技术，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。近年来，由于DSP技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。OFDM技术已经成功地应用于数字音频广播（Digital Audio Broadcasting, DAB）、高淅晰度电视（High-definition Television, HDTV）、无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN），它在移动通信中的运用也是大势所趋。

　　OFDM技术属于多载波调制（Multi-Carrier Modulation, MCM）。有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法，在有线环境中，该技术通常称为离散多音（Discrete Multi-Tone,DMT）。

　　OFDM技术的主要思想是：将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。

　　OFDM的主要优点为：1）可以有效克服ISI，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输；2）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰能力；3）可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；4）信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

　　OFDM的不足之处为：1）峰均功率比大，对系统中的非线怀敏感；2）对定时和频率偏移敏感。近年来，围绕这两个问题进行了大量研究工作，并且已经取得了许我进展。

　　为了推动OFDM技术在下一代移动通信中的应用，诸多通信设备厂商组成了OFDM论坛，共同制定全球高速无线网络的OFDM标准。

3 基于IFFT/FFT的OFDM系统

　　对传统的频分复用（FDM）系统而言，为了避免载波间的相互干扰，载波间通常加保护频带而使频谱利用率下降。而正交频分复用（OFDM）系统则使各子载波早期采用正交滤波器将信道分成多个子信道，但要用尤其是当路数增多的时候。1971年，Weinstein及Ebert等将DFT应用在多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。

　　为了克服多径引起的OFDM符号帧之间的干扰（ISI），通常在每个符号帧之间插入循环前缀（Cyclic Prefix,CP），即将OFDM符号帧的最后几个码元拷贝插入到本符号帧的前面。如果CP所占时长大于或等于最大时延扩展Tmax，则所有多径信号将不会延伸到下一个OFDM帧周期。令插入CP对应G个码元，则发送符号帧s可表示为：

S={Xn-g,Xn-g+1,……Xn-1,X0,X1,……Xn-1}

经过信道后，接收端移走接收到的符号帧S'中的前G个码元，得到由N个码元组成的OFDM符号帧y。

　　再将Y经检测等处理恢复出原始信号。OFDM系统与相同传输速率的单载波系统比较，每个子载波上的码元宽度是单载波系统码元宽度的N倍，通常远远大于信道的时延扩展，因此，OFDM系统每个子载波均具有极强的抗码间干扰的能力。

　　由于OFDM系统传输高速数据，信道必然存在可辨多径，接收到的OFDM符号帧y存在多径干扰（MPI），接收端采用N点FFT和单抽头均衡可以有效克服MPI。

　　当然，为了进一步提高实际系统性能，通常还将增加频域交织、时域交织、导频和信道编解码等功能模块。

4 OFDM系统的关键技术

与下一代移动通信系统有关的OFDM系统关键系统技术有：

（1）时域和频域同步

　　前面已经提及，OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。

　　在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。

　　在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行同步。

（2）信道估计

　　在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。

　　在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。

（3）信道编码和交织

　　为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。

　　在OFDM系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利有了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。

（4）降低峰均功率比

　　由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值占相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）的OFDM信号，发送端对高功率放大器（HPA）的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际误应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。

（5）均衡

　　在一般的衰落环境下，OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，OFDM系统就不必再做均衡了。

　　在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，CP的长度必须很长，才能够使ISI尽量不出现。但是，CP长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。

5 结束语

　　下一代移动通信系统的技术研究和标准制定工作已经开始，OFDM技术被普遍认为是下一代通信系统必不可少的技术。我们应该跟踪OFDM技术的最新发展，加快相关关键技术的研究，以便在下一代移动通信系统的研发中具有竞争力。

摘自《移动通信（2001年第11期）》