OFDM在4G中的应用.docx
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OFDM在4G中的应用
一、正交频分复用OFDM的背景...2
二、OFDM的原理及关键技术及特点...4
（一）OFDM的基本原理...4
（二）OFDM系统的构成及主要功能模块...5
（三）OFDM的关键技术...6
1同步技术...6
2功率峰值与均值比（PARP）的解决...7
3训练序列和导频及信道估计技术...8
（四）不同类型的OFDM.9
1 V-OFDM...9
2 W-OFDM...9
3 F-OFDM...9
4 MIMO-OFDM...10
5 MultibandOFDM...10
（五）OFDM的特点...10
1、OFDM技术的优点...10
2、OFDM技术的缺陷...11
三、第四代通信技术...12
（一）4G发展背景...12
（二）4G系统网络结构...14
（三）4G关键技术...14
1.正交频分复用（OFDM）...15
2.智能天线（SA）与多入多出天线（MIMO）技术...15
3.软件无线电技术...16
（四）第四代通信技术的特点...17
1、主要优势...17
2、存在的缺陷...19
（五）第四代通信技术的发展展望...21
四OFDM在4G中的应用
论文建议：
原理部分的书写，应该将OFDM的信号模型，系统模型（调制解调模型）的表达式，框图写在论文中。
OFDM的重难点：
同步技术、峰均比技术等尽量写详细一点。
在最后一章还可以将WIMAX、OFDMA等技术列入。
正交频分复用OFAM在4G中的应用
前言
近年来移动通信技术飞速发展，已经历了3个主要发展阶段。
每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。
第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址（FDMA）技术。
第二代（2G）起源于90年代初期，主要采用时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术。
第三代移动通信系统（3G）可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。
然而，第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2Mb/s，但仍无法满足多媒体通信的要求，因此，第四代移动通信系统（4G）的研究随之应运而生。
第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。
移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展，它限制了数据速率的提高，因为如果数据速率高于信道的相干带宽，信号将产生严重失真，信号传输质量大幅度下降。
而OFDM技术由于具备频谱利用率高，有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力等特点，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案，因此，OFDM技术已基本被公认为4G的核心技术之一。
一、正交频分复用OFDM的背景
正交频分复用OFDM是一种多载波并行传输系统，通过延长传输符号的周期，增强其抵抗回波的能力。
与传统的均衡器比较，它最大的特点在于结构简单，可大大降低成本，且在实际应用中非常灵活，对高速数字通信量一种非常有潜力的技术。
OFDM的概念于20世纪50～60年代提出，1970年OFDM的专利被发表，其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法来并行传送数据，主要用于军用的无线高频通信系统。
但是,传统的FDM（频分复用）理论将带宽分成几个子信道,中间用保护频带来降低干扰,它们同时发送数据。
例如:
有线电视系统和模拟无线广播等,接收机必须调谐到相应的频率。
而OFDM系统比传统的FDM系统要求的带宽要少得多。
由于使用无干扰正交载波技术,单个载波间无需保护频带,这样使得可用频谱的使用效率更高。
另外,OFDM技术可动态分配在子信道上的数据。
为获得最大的数据吞吐量,多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。
传统OFDM系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。
直到20世纪70年代,人们提出了采用DFT/IDFT（离散傅里叶变换/离散傅里叶逆变换）来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。
80年代以后，OFDM的调制技术再一次成为研究热点。
例如在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调制技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM。
进入90年代以后，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频（FM）和单边带（SSB）信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路（HDSL）、非对称数字用户环路（ADSL）、超高速数字用户环路（VHDSL）、数字声广播（DAB）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。
近年来随着数字信号处理（DSP）技术的飞速发展和高速、高性能DSP芯片的研制成功，移动通信技术从基于频分多址（FDMA）的模拟技术过渡到基于时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）的数字技术，其经历了三个主要发展阶段。
第三代移动通信系统（3G）可以提供更宽的频带和更高的数据传输，从而提供快捷方便的无线应用。
然而，第三代移动通信系统仍无法满足多媒体通信的要求。
因此，人们需要寻找更先进的移动通信方式来提高数据传输率，要求在保证服务质量的前提下，通信速率在一般情况下能达到50—100Mb/s，在极端恶劣的情况下保证6Mb/s的通信速率。
于是第四代移动通信系统（4G）的研究应运而生。
到目前为止人们还无法对4G通信进行精确地定义，有人说4G通信的概念来自其他无线服务的技术，从无线应用协定、全球袖珍型无线服务到3G；有人说4G通信是一个超越2010年以外的研究主题，4G通信是系统中的系统，可利用各种不同的无线技术；但不管人们对4G通信怎样进行定义，有一点我们能够肯定的是4G通信将是一个比3G通信更完美的新无线世界，它将可创造出许多消费者难以想象的应用。
他采用栅格编码技术、软判决、信道自适应技术、OFDM技术、MIMO技术来对抗无线信道对信号的干扰，提高信号的传输速率。
其中OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供比目前无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。
例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，都将采用OFDM技术。
因此OFDM技术作为4G的核心技术，已成为大家的共识。
二、OFDM的原理关键技术及特点
（一）OFDM的基本原理（结合公式、图表说明）
OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivi-sionMultiplexing,中文义为正交频分复用技术。
OFDM技术属于多载波调制（Multi-CarrierModula-tion,MCM）的一种,是一种无线环境下的高速传输技术。
无线信道的频率响应曲线通常是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就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,并且各子载波并行传输。
这样,每条链路都可以独立调制,因而该系统不论在上行还是在下行链路上,都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。
因此,尽管总的信道是非平坦的,且具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,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应带宽,这样就可以大大消除信号波形间的干扰。
由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易被外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输环境中。
OFDM技术的推出是为了提高载波的频谱利用率,或者是为了改进对多载波的调制用的,它的特点是各子载波相互正交,使扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。
在对每个载波完成调制以后,为了增加数据的吞吐量,提高数据传输的速度,它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术,来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。
另外OFDM之所以备受关注,其中一条重要的原因是它可以利用离散傅里叶反变换/离散傅里叶逆变换（DFT/IDFT）代替多载波调制和解调,而目前,采用DSP或FPGA实现DFT/IDFT的技术已非常成熟和方便。
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,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）。
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最大值,因为在每个子载波频率最大值处,所有其他子载波的频谱值恰好为0,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。
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。
图2传统的频分复用（FDM）多载波技术
图3OFDM多载波调制技术
（二）OFDM系统的构成及主要功能模块
OFDM系统组成如图1所示。
再做详细一些。
信道
信宿
解符号映射
发送滤波器
信源
符号隐射
串\并转换
编码交织
插入导频
IFFT
插保护间隔
并串转换
D\A
发送滤波器
去交织解码
并\串转换
信道均衡
频串补偿
去导频
去保护间隔
串\并转换
A\D
FFT
图1 OFDM系统的组成
OFDM系统的构成可根据OFDM数据处理流程分为发送部分的编码器、交织器、调制映射、串并转换器、子载波调制器、循环前缀、数模转换及接收部分的去除循环前缀、时间与频率同步器、子载波解调器、并串转换器、解调映射、解交织、VB译码器等功能模块。
OFDM系统结构中各部分功能简述如下。
（1）编码器：
信道编码采用卷积纠错码、或Reed-Solomon码、维特比码、TURBO码等；
（2）交织器：
交织器用于降低在数据信道中的突发错误，分散丢失的比特，达到降低误码率的目的；
（3）调制映射：
将符号映射到相应的星座点上。
这一过程产生IQ值，随之送到缓冲器存储，准备送到IFFT上进行变换；
（4）串并转换器：
用于将串行数据转换为并行数据；
（5）子载波调制器：
IFFT快速、高效应用离散傅立叶变换功能生成用于OFDM传输的正交载波。
OFDM的核心为IFFT，IFFT调制每一个子信道到高精度的正交载波上，信道化后的数据注入到一个并串缓冲器，串行数据通过加循环前缀和DAC变换为发送做准备；
（6）循环前缀：
循环前缀为单个的OFDM符号个体创建一个保护带，可以在信噪比边缘损耗中极大的减少ISI；
（7）时间与频率同步器：
接收系统中确定OFDM块有用数据信息的开始时刻，使接收机和发射机的采样时钟频率保持一致，克服频率偏差；
（8）VB译码器：
属于概率解码。
用来把接收到的卷积纠错编码序列与所有可能的发送序列进行比较，选择一种距离最小的序列作为发送序列。
（三）OFDM的关键技术
1同步技术
在OFDM系统中，N个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。
对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。
由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它正确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差破坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。
当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。
相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引入一定量的信道间干扰（ICI），因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/T了。
载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。
OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。
无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。
多普勒展宽会导致频率发生弥散，引起信号发生畸变。
从频域上看，信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。
因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰（ICI）加以克服，系统的性能很难得到改善。
OFDM中的同步通常包括3方面的内容：
①帧检测，②载波频率偏差及校正，③采样偏差及校正。
由于同步是OFDM技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，其中ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。
对OFDM技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。
OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4%，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1%～2%，系统产生的3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0.01%～0.1%。
2功率峰值与均值比（PARP）的解决
OFDM包络的不恒定性可以用PAPR来表示。
PAPR（PeaktoAveragePowerRatio）是峰值功率与平均功率之比。
PAPR越大，系统的包络的不恒定性越大。
因此要改善系统性能，就是要设法减小PAPR。
由于OFDM信号为多个正弦波的叠加，当子载波个数多到一定程度时，由中心极限定理，OFDM符号波形将是一个高斯随机过程，其包络是不恒定的。
这种现象在非线性限带信道中是不希望出现的，经非线性放大器后，包络中的起伏虽然可以减弱或消除，但与此同时却使信号频谱扩展，其旁瓣将会干扰临近频道的信号。
这在OFDM系统中将引起相邻信道之间的干扰，破坏其正交性。
一般而言，发射机中的高频放大器HPA具有很强的非线性特征。
为了不使频谱扩展得太厉害，HPA必须工作在有很大回退量（BacKOFf）的状态，这样会浪费很大功率。
因此如果没有改善OFDM对非线性的敏感性的措施，OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统，如手机等移动设备。
一般通过以下几种技术解决。
（1）限幅（Clipping）技术：
是一种简单而有效的降低PAPR的方法，但是它可以导致带内信号的失真和带外频谱弥散，从而使误码率性能恶化。
高速率编码是一种对信码进行的简单编码，它可以从统计特性上降低大的PAPR出现的概率。
（2）编码技术：
分组编码的方法既可以绝对地降低PAPR，也具有一定的纠错能力。
OFDM信号的复包络依赖于发送数据信号序列的非周期自相关函数旁瓣。
如果旁瓣小，则信号的起伏就小，即PAPR小，就可以得到准恒定（Quasi-Constant）幅度信号。
因此，需要寻找自相关函数旁瓣小的发送信号序列。
Golay二进制序列（即Complementary）就是一种旁瓣小的序列。
即使是它扩展到多相位序列，也仍然满足旁瓣小的特性。
可以证明，Golay序列的PAPR不超过3dB。
基于互余序列的分组码的基木思想就是避免使用PAPR高的码子。
通过采用基于互余序列的分组码，在PAPR的控制在3-6dB情况下，系统可以得到很大的编码增益，并改善了error-floor性能。
（3）扰码技术：
采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0，从而使OFDM的PAPR减少。
这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置，典型的有PTS和SLM。
3训练序列和导频及信道估计技术
接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。
尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。
在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。
此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。
在OFDM系统中，导频信号是时频二维的。
为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。
导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。
在实际应用中，导频模式的设计要根据具体情况而定。
（四）不同类型的OFDM
采用OFDM技术的一个主要障碍是现在存在许多不兼容版本且没有统一标准。
目前主要的OFDM技术有以下几种。
4.1 V-OFDM
由宽带产品供应商Iospan公司和Cisco系统公司开发V-OFDM（VectorOFDM）。
该系统使用空间分集技术,利用多重信号发射以提高带宽,通过使用特殊天线和信号处理来实现。
天线接收信号再进行信号处理,使延迟信号合并变为更高的数据流。
V-OFDM大多用于固定无线城域网（MAN）。
4.2 W-OFDM
目前,W-OFDM（WidebandOFDM）已经正式通过IEEE组织的认证,成为IEEE802.16a标准（无线城域网的国际通用标准）物理层调制技术。
OFDM论坛称Wi-LAN公司的W-OFDM应该是标准版本。
W-OFDM使用的不是紧压缩正交载波,而是在正交信道之间引入额外频率空间。
通过在W-OFDM数据的每一帧插入一些已知数据计算出传输信道的“估计”（这个“估计”就是理论中的“传输函数”）,并利用这个“估计”来纠正选频衰落的影响。
这能更好地减少干扰,并且对OFDM传输中存在的一些问题（如抖动）有了更高的容忍度。
无线互联网商务服务供应商在城域网中使用W-OFDM,因为城域网中的收发信机往往是在室外并需要更高的容错能力。
4.3 F-OFDM
F-OFDM（FlashOFDM）是1998年由Bell实验室发明,后来由朗讯科技下设的Flarion公司推出商用化产品。
相对V-OFDM、W-OFDM而言,它的特点是能在移动环境下工作,是一种移动宽带接入Internet解决方案。
F-OFDM在OFDM中引入快速跳频扩频技术,该技术在传输中不断变换频率,即在每个时隙中可以根据跳频图样来选择每个用户所用的子载波频率。
这种系统在比OFDM所需频带更宽的频带上传输信号,将信号能量扩展到更宽频谱上,提高了信号的抗干扰能力。
且由于高速切换子载波,因而相邻节点可以使用相同频率的子载波,可提高频率利用效率。
该技术与GSM后向兼容,可以为蜂窝电话用户和其他移动用户提供宽带服务。
4.4 MIMO-OFDM
MIMO（MultipleInputMultipleOutput,多输入多输出）-OFDM是一种将OFDM和MIMO相结合的技术。
MIMO是该项技术的核心,是在收发两端使用多个天线,每个收发天线对之间形成一个MIMO子信道,若各发射接收天线间的通道响应独立,则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。
通过这些并行空间信道独立地传输信息使得数据传输率得以提高。
而OFDM技术有极好的抗衰落特性,通过在OFDM传输系统中采用阵列天线实现空间分集。
通过结合MI-MO和OFDM技术的优点,利用时间、频率和空间三种分集技术,使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加,而且大大提高频谱利用率和业务覆盖范围[5]。
为了进一步提高系统传输速率,使用OFDM技术的无线通信网需要增加载波的数量,而这种方法会造成系统复杂度的增加,并增大系统的带宽,这对今天的带宽受限和功率受限的无线通信网系统就不太适合了。
而MIMO技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,因此将MIMO技术与OFDM技术相结合是适应下一代无线网络发展要求的。
因此,MIMO和OFDM的结合成为第四代移动通信系统中有效对抗频率选择性衰落、提高数据传输速率、增大系统容量的关键技术。
4.5 MultibandOFDM
谈M-OFDM时，要说道实质的问题,比如，它为什么使用多带oFDM技术，使用M-OFDM技术解决什么问题、与传统OFDM有什么区别，等，诸如此类的问题多多考虑一下。
MultibandOFDM联盟由50多个世界知名企业所组成,手机芯片制造商德州仪器（TI）是该联盟的发起人之一。
Samsung,Panasonic及Nokia都是该联盟的成员。
MultibandOFDM联盟称,与W-OFDM相比,该技术产品的数据将更为强大,其中包括能轻松处理视频流的能力。
（五）OFDM的特点
1、OFDM技术的优点
（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。
OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎。
（2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续进行成功的通信。
该技术可以自动地检测到在传输介质下，哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。
（3）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。
在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。
对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。
OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。
高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。
（4）OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。
当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。
（5）OFDM技术通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。
OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。
通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。
（6）OFDM技术可以使用硬件模块集成基于IFFT/FFT的算法，通过这种方式实现的OFDM系统的运行速度，主要取决于硬件电路的运行速度，同时也简化了系统实现的复杂程度。
（7）OFDM技术的信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2baud/Hz。
2、OFDM技术的缺陷
建议将缺陷写得详细一些。
（1）对频偏和相位噪声比较敏感。
OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。
频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。
因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。
（2）功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。
与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的功率峰值与均值比，简称峰均值比。
对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，
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