OFDM在無線通信系統(tǒng)的發(fā)展范文

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1研究背景

無線通信即利用電磁波來傳播信息的方式,是依托于存在多徑傳播、多譜勒頻移、復(fù)雜電磁環(huán)境的無線衰落信道進(jìn)行的數(shù)據(jù)交互。新通信業(yè)務(wù)和寬帶業(yè)務(wù)得到飛速發(fā)展，進(jìn)一步推動人們對信息傳輸速率的要求。如果碼元傳輸速率的不斷提高，已調(diào)信號的帶寬也會越來越寬。但是信道在寬的頻帶上要保持理想的傳輸特性很難，如此可能造成信號的嚴(yán)重失真，尤其是在具有多徑衰落或有頻率選擇性衰落的信道上。為了解決這個問題，并行調(diào)制的體制再次受到極大關(guān)注。ofdm也是一類多載波并行調(diào)制的體制。它與傳統(tǒng)的FDM的區(qū)別主要表現(xiàn)在：首先，為了提高頻帶利用率和增大傳輸速率，各路子載波的已調(diào)信號頻譜有部分重疊。其次，各路已調(diào)信號是嚴(yán)格正交的，以便接收端能完全地分離出各路信號。此外，每路子載波的調(diào)制是多進(jìn)制調(diào)制。最后，每路子載波的調(diào)制制度可以不同，并且可以為適應(yīng)信道的變化而自適應(yīng)地改變。目前OFDM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻和視頻領(lǐng)域以及民用通信系統(tǒng)中，主要的應(yīng)用包括：非對稱的數(shù)字用戶環(huán)線(ADSL)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線局域網(wǎng)(WLAN)和第4代(4G)移動通信系統(tǒng)等。在無線通信系統(tǒng)中，正交頻分復(fù)用（OFDM）作為一種高速、可靠的傳輸方式正穩(wěn)步發(fā)展。

2OFDM工作原理

正交頻分復(fù)用也是多路復(fù)用技術(shù)的一種，多路復(fù)用技術(shù)使得數(shù)據(jù)通信的信道傳輸效率得到極大的提高，復(fù)用技術(shù)即一種在傳輸路徑上綜合多路信道，再在接收端進(jìn)行解復(fù)用的過程。多路復(fù)用技術(shù)就是在發(fā)送端將多路信號進(jìn)行組合(如廣電前端使用的混合器)，然后在一條專用的物理信道上實(shí)現(xiàn)傳輸，接收端再將復(fù)合信號分離出來。多路復(fù)用技術(shù)以頻分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用為主。除了這些常用的復(fù)用法外，當(dāng)然我們也會接觸到另外一些復(fù)用技術(shù)，像極化復(fù)用和空分復(fù)用等等。

正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，用N個子載波把整個信道分割成N個子信道，即將頻率上等間隔的N個子載波信號調(diào)制并相加后同時發(fā)送，實(shí)現(xiàn)N個子信道并行傳輸信息。這樣每個符號的頻譜只占用信道帶寬的1/N，且使各子載波在OFDM符號周期T內(nèi)保持頻譜的正交性。故各子載波合成后的頻譜密度曲線如圖1所示。每個子載波頻率最大處，所有其他子信道的頻譜值恰好為零。由于在對OFDM符號時行解調(diào)的過程中，需要計(jì)算這些點(diǎn)上所對應(yīng)的每個子載波頻率的最大值，所以可以從多個互相重疊的子信道符號中提取每一個子信道符號，而不會受到其他子信道的干擾。從圖1中可以看出，OFDM符號頻譜實(shí)際上可以滿足奈奎斯特準(zhǔn)則，即多個子信道頻譜之間不存在互相干擾。因此這種一個子信道頻譜出現(xiàn)最大值而其他子信道頻譜為零的特點(diǎn)可以避免載波間干擾（ICI）的出現(xiàn)。

從圖1上看，雖然各路子載波的頻譜是重疊的，但是實(shí)際上在一個碼元持續(xù)時間內(nèi)它們是正交的，因此在接收端很容易利用此正交特性將各路子載波分離開。采用如此密集的子載頻，并且也不需要子信道間的保護(hù)頻帶間隔，因此能夠充分地利用頻帶，這是OFDM最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。

3OFDM在無線通信中的應(yīng)用

由于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)解決了空中接口兼容性問題，從而有力推進(jìn)了無線局域網(wǎng)（WLAN）終端與接入點(diǎn)的互通，這便迅速地降低了設(shè)備成本。WLAN得到了飛速的發(fā)展，主要面向個人，通常部署在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求較大的公共場合，一般呈“熱點(diǎn)覆蓋。目前OFDM技術(shù)在WLAN中的運(yùn)用已經(jīng)比較成熟了，在有著復(fù)雜電磁環(huán)境的人類聚集地，顯然無線信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸要比在有線信道中更加難以實(shí)現(xiàn)的，此時，有著強(qiáng)大的抗衰落、抗干擾，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腛FDM自然成了不二的選擇。此外，我們都清楚無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有非對稱性，而OFDM系統(tǒng)恰好可以通過對子信道進(jìn)行分配來改變上行和下行鏈路的傳輸速率。

新型的高速無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11n計(jì)劃采用MIMO-OFDM技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以將無線局域網(wǎng)的傳輸速率提高到108Mbit/s以上，這正好切合了無線局域網(wǎng)的發(fā)展需求。MIMO與OFDM技術(shù)的結(jié)合可以說是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，它們的結(jié)合也是新一代無線局域網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。MIMO可以定義為發(fā)送端與接收端之間存在多個獨(dú)立信道，即各天線單元之間保有充分的時間間隔，從而使得天線之間信號的相關(guān)性得以消除，提高信號的鏈路性能增加數(shù)據(jù)吞吐量。

作者：陳小書 古婧 李昆 單位：成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院