新一代移动通信的核心技术OFDM调制技术.docx
新一代移动通信的核心技术OFDM调制技术OFDM的进展状况OFDM的历史要追溯到20世纪60年代中期，当时R.w.Chang发表了关于带限信号多信道传输合成的论文。他描述了发送信息可同时通过一个线性带限信道而不受信道问干扰(ICD与符号间干扰QIS1)的原理。此后不久，Sa1tZbCrg完成了性能分析。他提出“设计一个有效并行系统的策略应该是集中在减少相邻信道的交叉干扰(CroSStaIk)而不是完成单个信道，由于前者的影响是决定性的。2OFDM的基本原理OFDM是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，同时各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就能够大大消除信号波形间的干扰。OFDM相关于通常的多载波传输的不一致之处是他同意子载波频谱部分重叠，只要满足子载波问相互正交，则能够从混叠的子载波上分离出数据信号。由于OFDM同意子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。OFDM最简单的调制与解调结构如图1(a),图1(b)所示。为了表达简单，忽略了在通信系统中常用的滤波器。OFDM最常用的低通等效信号形式可写为一组并行发射的调制载波，为：=c.,4g4(-T,)(1)其中：Ieo,.)&=C(2)o其他及：*=÷A=O,1,Nf:其中Cn,k是第n个信号间隔的第k个子载波的发射符号，每个周期Ts,N是OFDM子载波数，fk是第k个子载波的频率，f是所用的最低频率。设Fn为第n个。FDM帧，TS是符号周期，则有：Sa)=ZF.(4),-B因此Fn(tK寸应于符号组Cnk(k=d1,，N-1),每个都是在相应子载波尔上调制发送.解调是基于载波gk的正交性，即：rr1Ttmng.(£)g：(f)df=J(5)0m因此解调器将完成以下运算：I<*H>T.CE=，Jrx(z)g;()dz(6)为了使一i0FDM系统实用化，可用DFT来完成调制和解调。通过对式(1而式(4)的低通等效信号用采样速率为N倍的符号速率1/TS进行采样，并假设f0=0(即该载波频率为最低子载波频率)，则OFDM帧可表示为：N-IF.(m)=2C"g,一订，)IijN”m=0.1,N-1(7)这样，利用前面的关系式，我们可得：N-IF.<m)=YgCZCjY=NIDFT(Cea)(8)这样，关于一个固定乘性因子N,采样OFDM帧可通过离散傅里叶反变换(InverseDiscreteFourierTrans-form,IDFT)来产生(调制过程)，而原始的发送数据可通过离散傅里叶变换(DFT)恢复出来(解调功能)。图2给出基于FFT的OFDM通信系统。（b）接（端3 图2基于FFT的OFDM通信浜说4 OFDM的同步问题OFDM系统对定时与频率偏移敏感，特别是实际应用中与其他多址方式结合使用时，时域与频率同步显得尤为重要。与其他数字通信系统一样，同步分为捕获与跟踪两个阶段。在下行链路中，基站向各个移动终端广播发送同步信号，因此，下行链路同步相对简单，较易实现。在上行链路中，来自不一致移动终端的信号务必同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动端发来的子载波携带信息进行时域与频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域与频域同步，也能够时域与频域同时进行同步。本文要紧探讨时域同步，时域同步要紧有两种，即基于导频（Pi1OtS）与基于循环前缀的同步。4.1 基于导频的同步在基于导频信息的时域同步方法中，OFDM信号是用调频（FM）的方式发送的。系统保留了一些子信道作为传送导频之用，这些子信道的相位与幅度都是已知的，在执行算法时将对这些子信道进行编码。算法包含3部分：功率检测、粗同步（捕获）与细同步（跟踪）。在功率检测中，接收端将检测接收到的信号功率，并将之与门限比较，从而推断OFDM信号是否已经到达接收端。在粗同步阶段，通过将接收信号与存储在本地的复制的同步信号作有关运算实现定时误差操纵在士0.5个抽样值以内。这时的性能还远不够，但这一步将有助于细同步（跟踪）的实现，由于细同步的前提是定时错误很小。在细同步阶段，每个子信道都有其导频信息，每个子信道都由导频信息提供的信道特征进行均衡。由于粗同步己经保证定时错误在±0.5个符号持频时间以内，信道中的冲激响应就应已经落在CP以内。导频子信道上剩下的相位错误是由定时错误引起的，能够通过线性回归来估计。4.2 基于CP的同步在OFDM的进展中，CP是一种很好的思想，他要紧有2个作用：(1)能够作为保护问隔，消除或者者至少能够大大减少ISI；(2)由于保持了各信道间的正交性，他大大减少了IC1由于使用CP,对定时的要求就不那么严格了。在基于CP的时域同步中，对时域估计器的要求是由CP与信道冲激响应长度之差决定的。假如定时错误(TimingEr-ror,也即时域偏移)较小，使得冲激响应长度小于CP长度，则各子载波之间的正交性仍能够维持。假如冲激响应长度小于CP长度，那么这个时候符号定时时延(即时域偏移)能够认为是由信道引起的一个相位偏移。这个时域偏移将导致子载波星座产生相位旋转，这种相位旋转在频带边缘达到最大，相位旋转的大小能够用信道估计器来估计。假如时延长度大于CP长度，则必定会出现ISIo5 OFDM的PAPR问题5.1 信号畸变技术这种方法的基本原理是将OFDM信号的峰值及其邻近区域进行非线性畸变，以减小峰值功率。对超出某一规定值的信号部分进行剪切(CIiPPing)是最简单的非线性畸变处理方法。但是，c1ipping显然会引起信号的失真从而使系统的误码率性能变差。同时，c1ipping处理还大大增加带外辐射而干扰工作在邻近频点的其他系统，同时会降低功率效率。为了减少C1iPPing的带外辐射，能够使用对峰值加窗(PeakWindoWing)的办法，实际加窗处理能够使用COSine,kaiser与harming等具有较好频谱特性的窗口。为了克服由CIiP-Ping与PeakWindoWing处理引起的误码率性能劣化，对话音通信，通常能够使用有效的信道编解码技术；对数据通信，再结合使用多种扰码与重发技术，以不一致峰值分布的信号传输同一组信息。另外，为了避免非线性畸变处理带来的带外辐射，能够选用与发送信号带宽相当的参考函数进行峰值取消(PeakCanCeUation)处理，事实上质与c1ip-ping后再加滤波(fi1tering)处理的功能相当。5.2 信号编码技术这种方法的基本原理是利用不一致编码产生PAPR较小的OFDM符号，显然，要求的PAPR越小，可用的码组就越少。他运用一种特殊的前向纠错技术剔除高PAPR的OFDM信号，具体涉及分组码、格雷(GO1ay)码与雷德密勒(Reed-mu11er)码等。Go1ay码开创了一种构造低PAPR码组的有效方法，同时已经成功地应用于无线ATM系统。另外，GO1ay码与信道编解码技术结合起来能够形成既有较低PAPR又有较好信道纠检错能力的码组。4. 3符号扰码技术亦称选择映射与部分发送技术，又能够作为信号编码技术的特例，这种方法的基本原理是对输入信号同时进行多种扰码处理，选择PAPR最小的输出信号发送出去，关于不有关的扰码序列，产生的OFDM信号与其对应的PAPR也是不有关的。因此，假如未经扰码的OFDM符号的PAPR超出某一值的概率为p,那么，通过k种扰码处理并优选后该概率降低到pk。因此，符号扰码技术并不保证PAPR降低到某一值下列，而是减小高PAPR发生的概率。选择映射是对所有子载波进行各自独立的扰码处理，部分发送技术仅对子载波组进行扰码处理。4.4信号空间扩展技术新近提出的基于信号空间扩展降低PAPR方法，其基本思想是在OFDM调制方案中，通过减少使用的载波数使信号空间得以扩展，然后，选择其中较低PAPR的组合与发送信号建立映射关系，从而降低整个OFDM系统的PAPR。该方法的关键是通过仿真得到不一致子载波数N,不一致信息速率下的最佳映射表，关于N较大的情况，同样能够直接通过最佳映射表实现，但仿真运算量巨大，也能够通过N值较小的几个系统并行搭建。当然，两种方法的降低PAPR性能与系统误码率性能会是完全不一致的。5结语目前，继3G之后的下一代移动通信系统4G的技术研究与标准建议工作正在紧张展开，国际电信联盟已经着手有关标准的制定工作。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，适合在多径传播与多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据，能有效对抗多径效应，消除IS1与ICI,对抗频率选择性衰落，而且信道利用率高，而被普遍认为是下一代移动通信系统必不可少的技术。但一直困扰其有用化的两个关键问题是系统同步问题与较高的PAPR问题，本文综述了目前解决OFDM系统的同步问题与PAPR问题的方法，这些方法会对OFDM技术的有用化起到一定的借鉴作用。
