OFDM—第四代无线通信的技术核心

赵婧华 酆广增

　　1 绪论

　　无线通信与个人通信在短短的几十年间经历了从模拟通信到数字通信、从FDMA到CDMA的巨大发展，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”。

　　纵观移动通信的发展史，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9.6bit/s，最高可达32kbit/s；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s；而我们目前所致力研究的第四代移动通信系统可以达到10Mbit/s至20Mbit/s。虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足提供更大的频宽需求。

　　第四代移动通信系统计划以OFDM(正交频分复用)为核心技术提供增值服务，它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统，采用多种新技术的OFDM具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，将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去

　　2 OFDM的发展史

　　OFDM并不是新生事物，它由多载波调制（MCM）发展而来。美国军方早在上世纪的50、60年代就创建了世界上第一个MCM系统，在1970年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM理论迈向实践的脚步放缓了。由于OFDM的各个子载波之间相互正交，采用FFT实现这种调制，但在实际应用中，实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为OFDM技术实现的制约条件。后来经过大量研究，终于在20世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路让FFT技术的实现不再是难以逾越的障碍，一些其它难以实现的困难也都得到了解决，自此，OFDM走上了通信的舞台，逐步迈入高速Modem和数字移动通信的领域。20世纪90年代,OFDM开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播（DAB）、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网（WLAN）。随着DSP芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，OFMD技术的实现和完善指日可待。

　　3 OFDM的基本原理

　　OFDM是一种特殊的多载波传送方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流（100 Hz ~ 50 kHz），每个码流都用一条载波发送。OFDM弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，因此我们说，OFDM既可以当作调制技术，也可以当作复用技术。OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。纠错码的应用可以帮助其恢复一些易错载波上的信息。像这样用并行数据传送和频分复用的思路早在20世纪60年代的中期就被提出来了。

在传统的并行通信系统中，整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道，每个子信道被一个独立的信源符号调制，即N个子信道被频分复用。这种做法，虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价，这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。上个世纪中期，人们又提出了频带混叠的子信道方案，信息速率为a，并且每个信道之间距离也为a Hz，这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错，同时可以充分利用信道带宽,节省了50%。为了减少各个子信道间的干扰，我们希望各个载波间正交。这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。如前所述，传统的频分复用的载波频率之间有一定的保护间隔，通过滤波器接收所需信息。在这样的接收机下，保护频带分隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率低。

　　OFDM不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的FFT调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波的正交。尽管还是频分复用，但已与过去的FDMA有了很大的不同：不再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。OFDM的接收机实际上是一组解调器，它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，因此不会对这个积分结果产生影响。OFDM的高数据速率与子载波的数量有关，增加子载波数目就能提高数据的传送速率。OFDM每个频带的调制方法可以不同，这增加了系统的灵活性，大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户，OFDM适用于多用户的高灵活度、高利用率的通信系统。

　　4 OFDM的主要技术

　　4．1 调制方式

　　OFDM系统的各个载波可以根据信道的条件来使用不同的调制，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。选择满足一定误码率的最佳调制方式可以获得最大频谱效率。多径信道的频率选择性衰落会导致接收信号功率大幅下降，达到30dB之多，信噪比也大幅下降。使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频谱利用率。众所周知，可靠性是通信系统运行是否良好的重要考核指标，因此系统通常选择BPSK或QPSK调制，这样可以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制的频谱效率太低。如果使用自适应调制，那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制，同样在终端靠近基站时，调制可以由BPSK（1bit/s/Hz）转化成16QAM ~ 64QAM（4~6 bit/s/Hz），整个系统的频谱利用率得到大幅度的改善，自适应调制能够使系统容量翻番。但任何事物都有其两面性，自适应调制也不例外。它要求信号必需包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所采用的调制方式，并且，终端需要定期更新调制信息，这又势必会增加更多的开销比特。OFDM技术将这个矛盾迎刃而解，通过采用功率控制和自适应调制协调工作的技术。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制（如QPSK）时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡，也就是说对于一个远端发射台，它有良好的信道，若发送功率保持不变，可使用较高的调制方案如64QAM；若功率可以减小，调制方案也相应降低，可使用QPSK。

　　失真、频偏也是在选择调制时必须考虑的因素。传输的非线性会造成互调失真（IMD），此时信号具有较高的噪声电平，信噪比一般不会太高；失步和多普勒平移所造成的频率偏移使信道间失去正交特性，仅仅1％的频偏就会造成信噪比下降30dB。信噪比限制了最大频谱利用率只能接近5~7bit/s/Hz。自适应调制要求对信道的性能有充分的了解，如果在差的信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可靠性。多用户OFDM系统的导频信道或参考码字可以用来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字，在满足通信极限的情况下测量出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。

　　4．2 信道分配

　　为用户分配信道有多种方式，最主要的两种是分组信道分配、自适应信道分配。

　　4.2.1 分组信道

　　最简单的方法是将信道分组分配给每个用户，这样可以使由于失真、各信道能量的不均衡和频偏所造成的用户间的干扰最小。但载波分组会使信号容易衰落。载波跳频可以解决这个问题。分组随机跳频空闲时间较短，约11个字符时间。利用时间交织和前向纠错可以恢复丢失的数据，但是会降低系统容量增加信号时延。

　　4.2.2 自适应跳频

　　这是一种新的基于信道性能的跳频技术。信道用来传递对它来说具有最佳信噪比的信号。因为每个用户的位置不同，所以信号的衰落模式也不相同，因此每个用户收到的最强信号都不同于其他用户，从而相互之间不会发生冲突。初步研究表明，在频率选择性信道采用自适应跳频可以大幅提高信号接收功率，能够达到5~20dB，令人惊异。事实上，自适应跳频消除了频率选择性衰落。

　　多径信道中，速率为1Gbit/s的信号的频响特性每15cm就会发生很大的变化，因此信号的频率刷新速率要比15cm的移动速率快很多，一般情况下终端每移动5cm刷新一次就足够了。比如终端以每小时60km的速度移动，刷新速率就是大约330次/秒。跳频的开销比特数量与用户速率、用户数量以及系统是全双工还是半双工有关。全双工系统的接收机和发射机的工作频率的间隔至少应大于40MHz，信道数量是用户数的两倍，发射的参考码字的数量比用户数多1个，也就是说除了每个用户需要发送一个参考码字外，基站的前向信道也必需发送一个。采用并行通信可以减少参考码字，20个用户可以共用一个参考码字。对于一个10Mbit/s带宽全双工系统，有100个速率为50kbit/s的用户，调制方式是QPSK，其开销比特将占整个数据的30%～50%。而时分半双工系统可以减少开销比特，只有10%~15%。

　　当信道变化太快，跳频速度跟不上时，用随机跳频代替自适应跳频。由于这种转换非常快，所以衰落时间很短暂，采用时间交错和前向纠错能够补偿这种衰落。时间交错要求尽可能短，否则会增加时延。

　　4．3 多天线

　　ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。

　　多天线系统非常适用于无线局域网。一般的局域网由于阴影效应，信号无法完全覆盖，需要使用中继器。对于传统系统来说，中继器可能会带来多径干扰，但OFDM不存在这个问题，它的中继器可以加在任何需要的地方，不仅可以完全覆盖网络，并且可以消除多径干扰。

　　5 OFDM存在的不足

　　任何一种技术都不可能十全十美，OFDM也不例外，除了具有上述的优点，它也不可避免地存在下面一些缺点：

　　 OFDM对频偏和相位噪声比较敏感，容易带来衰耗；

　　 OFDM的峰值平均功率比较大，会导致射频放大器的功率效率比较低；

　　 OFDM自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度，当终端移动速度每小时高于30 km时，自适应跳频就不是很适合了。

　　6 总结

　　本文阐述了多用户OFDM的基本原理和一些能够增强系统性能的新技术。多用户OFDM系统适用于多业务、高灵活性的通信系统，频谱利用率高，系统稳定性好。目前，OFDM已经广泛用于欧洲和澳大利亚的数字宽带音频系统和数字宽带视频系统，可以预见其未来的应用会更加广泛。

　　对于电信产业而言，OFDM仍有许多问题待解决，不过部分标准化的制定工作已经接近尾声，从而很快就将投入商用(如数字音频广播)，但若要应用在移动通信领域则不会一蹴而就，尚需时日。选择OFDM作为第四代移动通信的核心技术的主要理由包括频谱利用率高、抗噪声能力强、适合高速数据传输等因素。尽管第四代移动通信系统较之第三代有很大的提高，但花费巨大精力研制出的CDMA系统绝不会在第四代系统中消失，而是成为其应用技术的一部分。前文所提到的数字音频广播，其实真正运用的技术是OFDM与FDMA的整合技术。因此未来以OFDM为核心技术的第四代移动通信系统，或许会和CDMA相结合，取双方所长，避双方所短，共同服务于移动通信领域。

摘自《电信建设》2002.3