基于OFDM的无线移动通信

     带宽在移动通信中是稀缺的资源，所以必须采用先进的技术有效利用频率资源，同时要克 服在无线信道下的多径衰落，降低噪声和多径干扰，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division MulTIplex，OFDM）是目前非常被看好的一种技术。他是一种高效并行多载波 传输技术，将所传送的高速串行数据分解并调制到多个并行的正交子信道中，从而使每个子 信道的码元宽度大于信道时延扩展，再通过加入循环扩展，保证系统不受多径干扰引起的码间干扰（ISI）的影响。他可以有效对抗多径传播。

1 多载波传输

1.1 多载波基本原理

　　多载波就是把传输的带宽分成许多窄带子载波来并行传输，多载波可以在有限的无线传播带宽中获得更高的传输速率。多载波和单载波的差别如图1所示。

　　比如要在无线环境中用BPSK调制信号，使数据速率达到10 Mb/s，传输时延为5μs，则带宽为5 MHz。若用单载波实现，则符号周期Tsymb,SC= 0.2 μs，τmax=25Tsymb，SC，也就是符号间干扰会持续25个符号。而如果用128个子载波的多载波来实现，每个符号的持续时间就是单载波的 N(128)倍，τmax=0.039NTsymb,SC(NTsymb,SC为多载波时的符号周期)，可见符号间干扰（ISI）减少了许多。

1.2 正交子载波

　　子载波间正交可以使载波间交叠而彼此间又不会因交叠失真。因此用正交子载波技术可以节省宝贵的频率资源，如图 2，图3所示。

2 正交频分复用（OFDM）

2.1基本原理

　　在正交频分复用系统中，正交的子载波可通过离散傅里叶变换（DFT）获得（在实际应用中，用快速傅里叶变换FFT），OFDM的基带信号为：

　　在接收端，对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的值，因为在每个子载波频率值处，所有其他子载波的频谱值恰好为0（图4为6个子载波的情况），所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰（假设有的同步）。

2.2 循环扩展

　　因为每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时出现该OFDM符号的时延信 号，所以无线信道间的符号间会存在干扰，如图5所示。

　　在系统带宽和数据传输速率给定的情况下，OFDM信号的符号速率远远低于单载波的传输模式，正因为这种低符号速率使OFDM系统可以自然抵抗多径传播导致ISI，另外，通过在每个符号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵制ISI，还可以减少在接收端的定时偏移错误，如图6所示。

2.3 OFDM系统

　　图7为传统的OFDM发射接收系统。发送端将被传输的数字信号转换成子载波幅度和相位的映射，并进行离散傅里叶反变换（IDFT）将数据的频谱表达式变到时域上，接收端进行与发送端相反的操作，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信号。

2.4 OFDM的缺点

　　(1) OFDM对系统定时和频率偏移敏感

　　定时偏差会引起子载波相位的旋转，如图8所示，而且相位旋转角度与子载波的频率有关，频率越高，旋转角度越大，如果定时的偏移量与时延扩展的长度之和仍小于循环前缀的长度，此时子载波之间的正交性仍然成立，没有ISI和ICI（信道间干扰），对解调出来的数据信息符号的影响只是一个相位的旋转。如果定时的偏移量与时延扩展的长度之和大于循环前缀的长度，这时一部分数据信息丢失了，而且为严重的是子载波之间的正交性破坏了，由此带来了ISI和ICI，这是影响系统性能的关键问题之一。

　　频率偏差是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频移等引起的，由子载波间 隔的整数倍和子载波间隔的小数倍偏移构成。子载波间隔整数倍不会引起ICI，但是解调出来的信息符号的错误率为50％，子载波间隔的小数倍的偏移由于抽样点不在顶点，如图9所示，破坏了子载波之间的正交性由此引起了ICI。

　　(2)存在较高的峰值平均功率比

　　多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号相位一致时，所得的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率，如图10所示。因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，子信道间正交性遭到破坏，产生干扰。

3结语

　　OFDM技术以其抗多径衰落、高的频谱利用率等诸多优势成为人们研究的热点，并有希望成 为第4代移动通信的关键技术。但OFDM存在两个致命缺点成为OFDM应用于移动通信的障碍，目前，许多科研工作者正致力于此，OFDM技术也正逐步成熟起来。