OFDM在未来无线通信系统中的应用分析

OFDM在未来无线通信系统中的应用分析赵北雁谢伟良孙震强等0引言随着蜂窝移动通信、宽带无线接入技术、多媒体技术的迅速发展，简单的语音业务、低速数据业务已经不能满足人们的需求，电信运营商需要开发出更多新的增值业务来吸引与保留顾客，如多媒体彩信、LBS(位置业务)、游戏、移动视频、电视业务等。由于单载波技术存在严重的ISI并且均衡实现复杂，CDMA扩频调制技术的扩频增益低、抗噪声和ISI能力下降，不能满足宽带高速业务的要求。为了能在复杂的电磁环境和紧缺的频谱资源条件下，实现高速率、高质量、高效率的数据传输，必须采用更有效的无线传输技术。上世纪50年代末提出的正交频分复用（OFDM）技术，具有频谱利用率高、均衡实现简单和抗多径干扰能力强等优点，已越来越受到业界的广泛关注。OFDM技术最早应用于ETSI标准的数字音频广播（DAB）和数字视频广播（DVB）中。在宽带无线接入系统中，从面向个人区域网（PAN）的IEEE802.15（UWB）到面向局域网（LAN）的IEEE802.11（WiFi）、面向城域网（MAN）的IEEE802.16（WiMAX），直至提议面向广域网（WAN）的IEEE802.20（MBWA），均采用了OFDM/OFDMA技术。此外，在蜂窝移动通信系统中，3GPPLTE标准的下行链路将采用OFDMA，上行链路将采用具有低峰均比的改进型SC-FDMA，用于降低功放成本和延长电池寿命；3GPP2UMB（超级移动宽带）标准的上下行链路均采用了OFDMA技术。预计未来的B3G/4G技术也将会基于OFDM。总之，目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以OFDM技术为核心。1OFDM的基本原理OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术，它实际上是MCM（Multi-CarrierModulation），多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。图1所示为OFDM的收发信机结构。图1OFDM收发信机结构尽管OFDM在整个信道上是非平坦的，具有频率选择性衰落，但在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，可以看成是平坦性衰落，从而避免了频率选择性衰落和窄带干扰。OFDM系统可以灵活地选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集来获得最佳的系统性能。OFDM的调制与解调分别通过逆快速傅利叶变换(IFFT)与快速傅利叶变换（FFT）来实现，大大降低了设计的复杂度。在FFT后面加入保护间隔或循环前缀(CP)，可以抑制符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）。为了减少带外辐射，加快OFDM信号功率谱带外部分的下降速度，可以对每个OFDM符号进行加窗处理，使符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。OFDM的各个子信道之间相互正交，允许它们的频谱相互重叠。这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又最大限度地利用了频谱资源。以OFDM为基础的多址技术OFDMA（正交频分多址）可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效避免了用户间的干扰，使得OFDM系统可以实现较高的小区容量。然而，OFDM技术也存在一些缺陷，主要是存在较高的峰值平均功率比（PAPR）、容易受到频率偏移和相位噪声的影响以及严重的小区间干扰等问题。2OFDM信号参数的设计2.1参数的设计规则OFDM系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响。在OFDM系统中我们需要确定以下参数：循环前缀（CP）长度Tg、子载波间隔Tb和子载波数量N。在系统设计中应尽可能地避免ISI和ICI，或者至少将其抑制到可接受的程度。即要选择一个足够的CP以防止多径衰落而引起ISI和ICI，同时要选择适当的OFDM符号长度，防止高速移动引起多普勒频移，并使信道冲激响应（CIR）至少在一个OFDM符号期间是不变的。循环前缀（CP）的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。较长的CP有利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销也会相应增加，从而降低数据传输能力。此外，在提供多小区广播业务时，采用软合并方案，即终端收到各基站同时发出的信号，为了避免远处基站传输的较长延迟造成的干扰和基站定时误差，需要额外加长CP。所以CP的大小要根据具体的小区环境（室内、室外、宏小区、微小区、微微小区等）和业务类型（单播、多播/广播）来优化，在可靠性与有效性之间取得平衡。在实际设计中，CP长度一般取为时延扩展均方根值的2～4倍。由于OFDM系统对多谱勒频移fd和相位噪声非常敏感，所以子载波间隔（有效符号周期）选择时既不能太大也不能太小。在CP长度一定时，符号周期越大，频谱效率就会越高。因为每个OFDM符号前都要插入一个CP，CP是系统开销，不传输有效数据。OFDM符号周期和子载波带宽成反比，如果符号周期选择过大，子载波宽度就会过小，则会对频偏非常敏感，难以支持高速移动的终端（发生时间选择性衰落）；而子载波宽度过大，大于信道的相干带宽时会产生频率选择性衰落，所以子载波间隔应折中选择。在进行实际系统设计时，有效符号周期一般选取为CP长度的5倍。子载波数量可直接利用-3dB带宽除以子载波间隔得到，或者利用系统的比特速率除以每个子载波中的比特速率（由调制类型、编码速率和符号速率决定）。子载波个数满足约束条件：。其中：表示时延扩展，B表示信道带宽，fd表示多普勒频移。2.2不同网络中的OFDM参数不同网络中的OFDM的参数取值是不同的。表1列出了移动WiMAX、DAB、LTEFDD系统在下行链路中OFDM参数的取值。在参数设计中，DAB包含四种传输模式，采用的子载波间隔分别为1kHz、2kHz、4kHz和8kHz。间隔取值较小，有利于得到较高的频谱效率，但同时容易受多普勒频移的影响，难以支持高速移动。LTE出于对高移动性的考虑，采用了最大的子载波间隔（15kHz），移动WiMAX子载波间隔居中（10.94kHz）。LTE与WiMAX支持1.25MHz～20MHz带宽，以满足多种频谱分配和应用模型的需求。由于子载波间隔保持不变，带宽的可扩展性是通过改变FFT的大小来实现。DAB的CP最长，在SFN中可有效抵抗各发射台的时延信号所引起的ISI。LTE采用长、短两种循环前缀(CP)，其较短CP方案为基本选项，一般用于单播业务，较长CP方案用于支持多小区广播业务和具有较大时延扩展的区域。WiMAX采用4种可选的CP长度（分别取有效符号周期的1/4、1/8、1/16、1/32），以适应不同的应用场景。表1不同网络中OFDM参数的对比3OFDM的应用当前技术的发展无论是宽带数字广播、宽带无线接入，还是宽带移动通信都向着基于OFDM的基本技术汇聚，但是OFDMA并不可以代表所有多址方式。不同的技术体制，如WiMAX、LTE、B3G、DMB，都充分利用了OFDM的特点来提高系统的性能。3.1数字广播系统目前大多数数字广播系统，如欧洲的DAB系统、DVB系列、日本的ISDB、韩国的T-DMB、美国的MediaFLO、中国的CMMB等，都采用了OFDM调制技术，其中ETSI提出的DAB标准是第一个使用OFDM的标准。最近被批准成为移动电视ITU国际标准的DMB移动多媒体广播，它的上游标准DAB的物理层采用了编码正交频分复用COFDM技术，通过加入多媒体功能，来实现在高速移动过程中清晰地接收图像。在DAB中使用OFDM的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题，并可以单频组网（SFN），大大提高了系统的频谱效率。在单频网络中，不同发射机间的频率偏移，使接收信号丧失了子载波之间的正交性，减少了对抗移动接收的多普勒极限；发射机间的时偏，缩短了接收信号的保护间隔。基于这些原因，必须保证发射机间的频偏在子载波间隔的1%以内，时偏在保护间隔的10%以内。这些可以通过使用GPS作为时间和频率参考系统来满足。在SFN中，不同发射机几乎同时用同一频率把信号传输到接收机，由于不同发射机之间存在传播差异，不同发射机的到达信号之间会存在时延(时延等于距离差除以光速)。而对于用户来说，这种情况相当于不同径的衰落信道。只要两个信号之间的传播时延小于OFDM符号的循环前缀，就不会出现ISI和ICI。从而得出，发射机间隔是网络设计的一个重要因素，例如当两个发射机相距50km，信号的时延扩展就会达到166.7μs。另外，两个时间移位信号的叠加，将使得合成信号处于深度衰落的概率远远低于一个信号处于深度衰落的概率，故可获得分集接收的好处。而且，系统容易受多普勒频移和接收机内本地振荡器的频率波动的影响，这就要求在子载波之间必须存在最小的频率间隔，由此存在最大的符号周期长度限制。如对于工作于VHF频段200MHz的DAB系统来说，如果车辆移动速度为30m/s，则多普勒频移就可以达到20Hz。为了尽量减少由此造成的子载波间的干扰，子载波间隔必须远远大于多普勒频移。3.2宽带无线接入WiMAX宽带技术发展十分迅速，已经以OFDMAWMANTDD的名义被国际电信联盟（ITU）批准成为移动设备的全球标准之一，将可能成为3G高速无线网络接入的首选技术。移动WiMAX的空中接口标准是IEEE802.16e-2005，采用OFDM技术，增加了数据传输速率和网络吞吐量，工作在低于6GHz适宜于移动性的许可频段，使终端能够在不同基站间进行切换和漫游。OFDM作为WiMAX物理层技术，主要有两种实现方式：OFDM物理层和OFDMA物理层。OFDM物理层采用256载波的OFDM调制方式（正交频分多路复用）。正交载波集为单一用户并行传输数据流，上行链路采用TDMA多址方式，下行采用TDM复用方式。OFDMA物理层采用OFDMA（正交频分多址接入），可以支持2048点、1024点、512点、128点的FFT点数，以适应不同地理区域从20MHz到1.25MHz的不同载波带宽的需要。这种接口通过给每个接收机分配载波子集提供多路访问。OFDM调制技术提供了灵活的子载波分配调度能力，从而可以充分利用宽带多载波传输技术的频率选择特性。OFDMA支持子信道化。在下行中，一个子信道可以指定给不同的接收机；上行中，一个发信机可分配一个或多个子信道，多个发信机可同时发射。对于每一个子信道，编码和调制是独立自适应的，以便在更小的范围内优化信道（而不是在整个信道范围内优化）。组成一个子信道的多个子载波可以相邻也可以不相邻。协议规定了两种基本的子载波分配方式：集中式和分布式，如图2所示。集中式即将若干连续子载波分配给一个子信道，这种方式下系统可以通过频率选择性调度充分利用多用户之间的分集增益。集中方式也可以降低信道估计的难度，但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个信道，各用户的子载波交替排列，从而可以通过离散的频率选择性调度充分利用频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。在进行实际系统设计时，应在这两种方式中进行灵活选择。图2OFDMA的子载波分配：(i)集中式，（ii）分布式3.3下一代蜂窝移动通信网络未来蜂窝移动通信将以数据和多媒体通信为主，对数据速率的要求会越来越高，带宽的需求越来越大，对时延要求也越来越苛刻，并将以互联网作为承载网络，以IP协议为基础进行通信等等。这就需要一些关键技术的支持，如为了达到高速传输以及满足高QoS，必须提高频谱利用率、增强抗码间干扰能力，增强信号抗衰落能力，降低用户间的干扰等。这就需要OFDM作为物理层的调制技术。3G为了应对其他无线通信标准的竞争，在演进过程中发生了革命性转变，将以OFDM技术替代3G的核心技术CDMA。3GPPLTE多址接入的下行链路将选用OFDMA技术。OFDMA技术的PAPR较高，对放大器的线性度要求就会很高，从而会增大UE的功耗和功放成本，降低UE的功率利用率，并会减小上行的有效覆盖范围，所以在上行链路中采用了具有较低峰均比的SC-FDMA技术。DFT-S-OFD