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1 緒論
無(wú)線(xiàn)通信與個(gè)人通信在短短的幾十年間經(jīng)歷了從模擬通信到數字通信、從FDMA到CDMA的巨大發(fā)展，目前又有新技術(shù)出現，比以CDMA為核心的第三代移動(dòng)通信技術(shù)更加完善，我們稱(chēng)之為“第四代移動(dòng)通信技術(shù)”。
縱觀(guān)移動(dòng)通信的發(fā)展史，第一代模擬系統僅提供語(yǔ)音服務(wù)，不能傳輸數據；第二代數字移動(dòng)通信系統的數據傳輸速率也只有9.6bit/s，最高可達32kbit/s；第三代移動(dòng)通信系統數據傳輸速率可達到2Mbit/s；而我們目前所致力研究的第四代移動(dòng)通信系統可以達到10Mbit/s至20Mbit/s。雖然第三代移動(dòng)通信可以比現有傳輸速率快上千倍，但是仍無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)多媒體通信的要求，第四代移動(dòng)通信系統的提出便是希望能滿(mǎn)足提供更大的頻寬需求。
第四代移動(dòng)通信系統計劃以OFDM(正交頻分復用)為核心技術(shù)提供增值服務(wù)，它在寬帶領(lǐng)域的應用具有很大的潛力。較之第三代移動(dòng)通信系統，采用多種新技術(shù)的OFDM具有更高的頻譜利用率和良好的抗多徑干擾能力，它不僅僅可以增加系統容量，更重要的是它能更好地滿(mǎn)足多媒體通信要求，將包括語(yǔ)音、數據、影像等大量信息的多媒體業(yè)務(wù)通過(guò)寬頻信道高品質(zhì)地傳送出去.
2 OFDM的發(fā)展史
OFDM并不是新生事物，它由多載波調制（MCM）發(fā)展而來(lái)。美國軍方早在上世紀的50、60年代就創(chuàng )建了世界上第一個(gè)MCM系統，在1970年衍生出采用大規模子載波和頻率重疊技術(shù)的OFDM系統。但在以后相當長(cháng)的一段時(shí)間，OFDM理論邁向實(shí)踐的腳步放緩了。由于OFDM的各個(gè)子載波之間相互正交，采用FFT實(shí)現這種調制，但在實(shí)際應用中，實(shí)時(shí)傅立葉變換設備的復雜度、發(fā)射機和接收機振蕩器的穩定性以及射頻功率放大器的線(xiàn)性要求等因素都成為OFDM技術(shù)實(shí)現的制約條件。后來(lái)經(jīng)過(guò)大量研究，終于在20世紀80年代，MCM獲得了突破性進(jìn)展，大規模集成電路讓FFT技術(shù)的實(shí)現不再是難以逾越的障礙，一些其它難以實(shí)現的困難也都得到了解決，自此，OFDM走上了通信的舞臺，逐步邁入高速Modem和數字移動(dòng)通信的領(lǐng)域。20世紀90年代,OFDM開(kāi)始被歐洲和澳大利亞廣泛用于廣播信道的寬帶數據通信，數字音頻廣播（DAB）、高清晰度數字電視(HDTV)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）。隨著(zhù)DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，格柵編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、信道自適應技術(shù)等成熟技術(shù)的應用，OFMD技術(shù)的實(shí)現和完善指日可待。
3 OFDM的基本原理
OFDM是一種特殊的多載波傳送方案，單個(gè)用戶(hù)的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流（100 Hz ~ 50 kHz），每個(gè)碼流都用一條載波發(fā)送。OFDM棄用傳統的用帶通濾波器來(lái)分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，因此我們說(shuō)，OFDM既可以當作調制技術(shù)，也可以當作復用技術(shù)。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統中，單個(gè)衰落或者干擾可能導致整條鏈路不可用，但在多載波系統中，只會(huì )有一小部分載波受影響。糾錯碼的應用可以幫助其恢復一些易錯載波上的信息。像這樣用并行數據傳送和頻分復用的思路早在20世紀60年代的中期就被提出來(lái)了。
在傳統的并行通信系統中，整個(gè)系統頻帶被劃分為N個(gè)互不混疊的子信道，每個(gè)子信道被一個(gè)獨立的信源符號調制，即N個(gè)子信道被頻分復用。這種做法，雖然可以避免不同信道互相干擾但卻以犧牲頻帶利用率為代價(jià)，這在頻帶資源如此緊張的今天尤其不能忍受。上個(gè)世紀中期，人們又提出了頻帶混疊的子信道方案，信息速率為a，并且每個(gè)信道之間距離也為a Hz，這樣可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯，同時(shí)可以充分利用信道帶寬,節省了50%。為了減少各個(gè)子信道間的干擾，我們希望各個(gè)載波間正交。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數學(xué)關(guān)系。如前所述，傳統的頻分復用的載波頻率之間有一定的保護間隔，通過(guò)濾波器接收所需信息。在這樣的接收機下，保護頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。
OFDM不存在這個(gè)缺點(diǎn)，它允許各載波間頻率互相混疊，采用了基于載波頻率正交的FFT調制，由于各個(gè)載波的中心頻點(diǎn)處沒(méi)有其他載波的頻譜分量，所以能夠實(shí)現各個(gè)載波的正交。盡管還是頻分復用，但已與過(guò)去的FDMA有了很大的不同：不再是通過(guò)很多帶通濾波器來(lái)實(shí)現，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統的優(yōu)點(diǎn)之一。OFDM的接收機實(shí)際上是一組解調器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個(gè)碼元周期內積分，其他載波由于與所積分的信號正交，因此不會(huì )對這個(gè)積分結果產(chǎn)生影響。OFDM的高數據速率與子載波的數量有關(guān)，增加子載波數目就能提高數據的傳送速率。OFDM每個(gè)頻帶的調制方法可以不同，這增加了系統的靈活性，大多數通信系統都能提供兩種以上的業(yè)務(wù)來(lái)支持多個(gè)用戶(hù)，OFDM適用于多用戶(hù)的高靈活度、高利用率的通信系統。
4 OFDM的主要技術(shù)
4．1 調制方式
OFDM系統的各個(gè)載波可以根據信道的條件來(lái)使用不同的調制，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。選擇滿(mǎn)足一定誤碼率的最佳調制方式可以獲得最大頻譜效率。多徑信道的頻率選擇性衰落會(huì )導致接收信號功率大幅下降，達到30dB之多，信噪比也大幅下降。使用與信噪比相匹配的調制方式可以提高頻譜利用率。眾所周知，可靠性是通信系統運行是否良好的重要考核指標，因此系統通常選擇BPSK或QPSK調制，這樣可以確保在信道最壞條件下的信噪比要求，但是這兩種調制的頻譜效率太低。如果使用自適應調制，那么在信道好的時(shí)候終端就可以使用較高的調制，同樣在終端靠近基站時(shí)，調制可以由BPSK（1bit/s/Hz）轉化成16QAM ~ 64QAM（4~6 bit/s/Hz），整個(gè)系統的頻譜利用率得到大幅度的改善，自適應調制能夠使系統容量翻番。但任何事物都有其兩面性，自適應調制也不例外。它要求信號必需包含一定的開(kāi)銷(xiāo)比特，以告知接收端發(fā)射信號所采用的調制方式，并且，終端需要定期更新調制信息，這又勢必會(huì )增加更多的開(kāi)銷(xiāo)比特。OFDM技術(shù)將這個(gè)矛盾迎刃而解，通過(guò)采用功率控制和自適應調制協(xié)調工作的技術(shù)。信道好的時(shí)候，發(fā)射功率不變，可以增強調制方式（如64QAM），或者在低調制（如QPSK）時(shí)降低發(fā)射功率。功率控制與自適應調制要取得平衡，也就是說(shuō)對于一個(gè)遠端發(fā)射臺，它有良好的信道，若發(fā)送功率保持不變，可使用較高的調制方案如64QAM；若功率可以減小，調制方案也相應降低，可使用QPSK。
失真、頻偏也是在選擇調制時(shí)必須考慮的因素。傳輸的非線(xiàn)性會(huì )造成互調失真（IMD），此時(shí)信號具有較高的噪聲電平，信噪比一般不會(huì )太高；失步和多普勒平移所造成的頻率偏移使信道間失去正交特性，僅僅1％的頻偏就會(huì )造成信噪比下降30dB。信噪比限制了最大頻譜利用率只能接近5~7bit/s/Hz。自適應調制要求對信道的性能有充分的了解，如果在差的信道上使用較強的調制方式，那么就會(huì )產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統的可靠性。多用戶(hù)OFDM系統的導頻信道或參考碼字可以用來(lái)測試信道的好壞。發(fā)送一個(gè)已知數據的碼字，在滿(mǎn)足通信極限的情況下測量出每條信道的信噪比，根據這個(gè)信噪比來(lái)確定最適合的調制方式。
4．2 信道分配
為用戶(hù)分配信道有多種方式，最主要的兩種是分組信道分配、自適應信道分配。
4.2.1 分組信道
最簡(jiǎn)單的方法是將信道分組分配給每個(gè)用戶(hù)，這樣可以使由于失真、各信道能量的不均衡和頻偏所造成的用戶(hù)間的干擾最小。但載波分組會(huì )使信號容易衰落。載波跳頻可以解決這個(gè)問(wèn)題。分組隨機跳頻空閑時(shí)間較短，約11個(gè)字符時(shí)間。利用時(shí)間交織和前向糾錯可以恢復丟失的數據，但是會(huì )降低系統容量增加信號時(shí)延。
4.2.2 自適應跳頻
這是一種新的基于信道性能的跳頻技術(shù)。信道用來(lái)傳遞對它來(lái)說(shuō)具有最佳信噪比的信號。因為每個(gè)用戶(hù)的位置不同，所以信號的衰落模式也不相同，因此每個(gè)用戶(hù)收到的最強信號都不同于其他用戶(hù)，從而相互之間不會(huì )發(fā)生沖突。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應跳頻可以大幅提高信號接收功率，能夠達到5~20dB，令人驚異。事實(shí)上，自適應跳頻消除了頻率選擇性衰落。
多徑信道中，速率為1Gbit/s的信號的頻響特性每15cm就會(huì )發(fā)生很大的變化，因此信號的頻率刷新速率要比15cm的移動(dòng)速率快很多，一般情況下終端每移動(dòng)5cm刷新一次就足夠了。比如終端以每小時(shí)60km的速度移動(dòng)，刷新速率就是大約330次/秒。跳頻的開(kāi)銷(xiāo)比特數量與用戶(hù)速率、用戶(hù)數量以及系統是全雙工還是半雙工有關(guān)。全雙工系統的接收機和發(fā)射機的工作頻率的間隔至少應大于40MHz，信道數量是用戶(hù)數的兩倍，發(fā)射的參考碼字的數量比用戶(hù)數多1個(gè)，也就是說(shuō)除了每個(gè)用戶(hù)需要發(fā)送一個(gè)參考碼字外，基站的前向信道也必需發(fā)送一個(gè)。采用并行通信可以減少參考碼字，20個(gè)用戶(hù)可以共用一個(gè)參考碼字。對于一個(gè)10Mbit/s帶寬全雙工系統，有100個(gè)速率為50kbit/s的用戶(hù)，調制方式是QPSK，其開(kāi)銷(xiāo)比特將占整個(gè)數據的30%～50%。而時(shí)分半雙工系統可以減少開(kāi)銷(xiāo)比特，只有10%~15%。
當信道變化太快，跳頻速度跟不上時(shí)，用隨機跳頻代替自適應跳頻。由于這種轉換非?？?，所以衰落時(shí)間很短暫，采用時(shí)間交錯和前向糾錯能夠補償這種衰落。時(shí)間交錯要求盡可能短，否則會(huì )增加時(shí)延。
4．3 多天線(xiàn)
ODFM由于碼率低和加入了時(shí)間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護間隔，所以系統不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò )（SFN）可以用于寬帶OFDM系統，依靠多天線(xiàn)來(lái)實(shí)現，即采用由大量低功率發(fā)射機組成的發(fā)射機陣列消除陰影效應，來(lái)實(shí)現完全覆蓋。
多天線(xiàn)系統非常適用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。一般的局域網(wǎng)由于陰影效應，信號無(wú)法完全覆蓋，需要使用中繼器。對于傳統系統來(lái)說(shuō)，中繼器可能會(huì )帶來(lái)多徑干擾，但OFDM不存在這個(gè)問(wèn)題，它的中繼器可以加在任何需要的地方，不僅可以完全覆蓋網(wǎng)絡(luò )，并且可以消除多徑干擾。
5 OFDM存在的不足
任何一種技術(shù)都不可能十全十美，OFDM也不例外，除了具有上述的優(yōu)點(diǎn)，它也不可避免地存在下面一些缺點(diǎn)：
OFDM對頻偏和相位噪聲比較敏感，容易帶來(lái)衰耗；
OFDM的峰值平均功率比較大，會(huì )導致射頻放大器的功率效率比較低；
OFDM自適應跳頻技術(shù)會(huì )相應增加發(fā)射機和接收機的復雜度，當終端移動(dòng)速度每小時(shí)高于30 km時(shí)，自適應跳頻就不是很適合了。
6 總結
本文闡述了多用戶(hù)OFDM的基本原理和一些能夠增強系統性能的新技術(shù)。多用戶(hù)OFDM系統適用于多業(yè)務(wù)、高靈活性的通信系統，頻譜利用率高，系統穩定性好。目前，OFDM已經(jīng)廣泛用于歐洲和澳大利亞的數字寬帶音頻系統和數字寬帶視頻系統，可以預見(jiàn)其未來(lái)的應用會(huì )更加廣泛。
對于電信產(chǎn)業(yè)而言，OFDM仍有許多問(wèn)題待解決，不過(guò)部分標準化的制定工作已經(jīng)接近尾聲，從而很快就將投入商用(如數字音頻廣播)，但若要應用在移動(dòng)通信領(lǐng)域則不會(huì )一蹴而就，尚需時(shí)日。選擇OFDM作為第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)的主要理由包括頻譜利用率高、抗噪聲能力強、適合高速數據傳輸等因素。盡管第四代移動(dòng)通信系統較之第三代有很大的提高，但花費巨大精力研制出的CDMA系統絕不會(huì )在第四代系統中消失，而是成為其應用技術(shù)的一部分。前文所提到的數字音頻廣播，其實(shí)真正運用的技術(shù)是OFDM與FDMA的整合技術(shù)。因此未來(lái)以OFDM為核心技術(shù)的第四代移動(dòng)通信系統，或許會(huì )和CDMA相結合，取雙方所長(cháng)，避雙方所短，共同服務(wù)于移動(dòng)通信領(lǐng)域。
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