4G通信系统中OFDM技术的分析

1. 引言

　　在21世纪，移动通信技术和市场飞速发展，在新技术、市场需求的共同作用下，出现了第三代移动通信系统-3G,3G中采用码分多址（CDMA）技术来处理多径问题，以获得多径分集增益。

　　然而在该体制中，多径干扰和多用户干扰始终并存，在用户数较多的情况下，实现多用户检测是非常困难的。并且CDMA本身是一个自扰系统，所有的移动用户都占用相同的带宽和频率，所以在系统容量有限的情况下，用户数越多就越难达到较高的通信速率，因此3G系统所提供的2Mb/s带宽是共享式的，当多个用户同时使用时，平均每个用户可使用的带宽远低于2Mb/s,而这样的带宽并不能满足移动用户对一些多媒体业务的需求。

　　不同领域技术的综合与协作，伴随着全新无线宽带技术的智能化，以及定位于用户的新业务，这一切必将繁衍出新一代移动通信系统4G。相比于3G,4G可以提供高达100Mb/s的数据传输速率，支持从语音到数据的多媒体业务，并且能达到更高的频谱利用率以及更低的成本。

　　为了达到以上目标，4G中必须采用其他相对于3G中的CDMA这样的突破性技术，尤其是要研究在移动环境和有限频谱资源条件下，如何稳定、可靠、高效地支持高数据速率的数据传输。因此，在4G移动通信系统中采用了OFDM技术作为其核心技术，它可以在有效提高传输速率的同时，增加系统容量、避免高速引起的各种干扰，并具有良好的抗噪声性能、抗多径信道干扰和频谱利用率高等优点。

　　本文将对OFDM的基本原理以及其调制/解调技术的实现和循环前缀技术进行介绍，并在三个主要方面将OFDM与CDMA技术进行对比分析。

　　2 OFDM技术分析

　　2.1 OFDM基本原理

　　正交频分复用的基本原理可以概述如下：把一路高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输。在频域内将信道划分为若干相互正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立地进行传输。

　　由于多径传播效应会造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，形成符号间干扰，如果每个子信道的带宽被划分的足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的。如图1所示。

　　因此，每个子信道都可看作无符号间干扰的理想信道。这样，在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调。在OFDM系统中，通过在OFDM符号之间插入保护间隔来保证频域子信道之间的正交性，以及消除由于多径传播效应所引起的OFDM符号间的干扰。因此，OFDM特别适合于在存在多径衰落的移动无线信道中高速传输数据。OFDM的原理框图如2所示。

　　如图2所示，原始高速率比特流经过串/并变换后变为若干组低速率的比特流d（M），这些d（M）经过调制后变成了对应的频域信号，然后经过加循环前缀、D/A变换，通过RF发送出去；经过无线信道的传播后，在接收机以与发送机相反的顺序接收解调下来，从而得到原发送信号。

　　图2中d（M）为第M个调制码元；图中的OFDM已调制信号D（t）的表达式为：

　　式（1）中：T为码元周期加保护时间；fn为各子载波的频率，可表示为：

　　式（2）中：f0为最低子载波频率；Ts为码元周期。

　　在发射端，发射数据经过常规QAM调制形成基带信号。然后经过串并变换成M个子信号，这些子信号再调制相互正交的M个子载波，其中/正交0表示的是载波频率间精确的数学关系，其数学表示为QT0fx（t）fy（t）dt=0,最后相加成OFDM发射信号。实际的输出信号可表示为：

　　在接收端，输入信号分成M个支路，分别用M个子载波混频和积分，恢复出子信号，再经过并串变换和常规QAM解调就可以恢复出数据。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以有效地分离各子载波信道，如下式所示：

　　式中dc（m）为接收端第m支路子信号。在整个OFDM的工作流程中OFDM与其他技术的主要区别在于其采用的调制/解调技术以及循环前缀的加入这两个环节，下面将对其进行较为详细的分析。

　　2.2 OFDM调制/解调技术的实现

　　OFDM系统的调制和解调可以采用离散逆傅立叶变换（IDFT）以及离散傅立叶变换（DFT）来实现，在实际应用中，可以采用更加方便快捷的逆快速傅立叶变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）技术来实现调制和解调，这是OFDM的技术优势之一。

首先不考虑保护时间，将式（2）代入式（1）可得到如下等式：

由上面的分析可以看出OFDM的调制可以由IDFT实现，而解调可由DFT实现。当系统中的子载波数很大时，可以采用快速傅立叶变换（FFT/IF2FT）来实现调制和解调，以显着地降低运算复杂度，从而在数字信号处理器DSP上比较容易实现，因此能够达到简化4G通信系统中硬件实现