刘巧平,董军堂

（延安大学物电学院通信工程专业，陕西延安,716000）

0 引言

随着移动通信技术的不断发展和逐渐成熟，人们渴望得到越来越高的数据传输速率，拥有更大的信道容量和带宽，来满足不同业务不同移动终端的需求。于是第四代移动通信系统(4G)的研究应运而生。4G移动通信系统采用了智能天线技术，正交频分复用（OFDM）技术，软件无线电（SDR）技术，MIMO技术，多用户检测技术，IPv6技术等。其中正交频分复用技术 (OFDM) 是一种多载波数字调制技术，该技术具备很高的频谱利用率，能够有效地对抗频率选择性衰落，对抗多径效应，消除符号间干扰。在移动通信系统中OFDM技术发挥着至关重要的作用，日后，该技术必定会成为4G移动通信系统的核心技术之一。

1 OFDM技术的基本原理

正 交 频 分 复 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术是一种无线信道高速数据传输技术，既属于多载波技术同时也属于复用技术。传输环境较差的情况下往往会用到OFDM技术，原因在于该技术具备有效的抵抗多种干扰的作用，即便是处于被外界信号干扰的环境下OFDM技术也可发挥其作用。图1是OFDM系统框图。

图1 OFDM系统框图

2 OFDM技术的优势

2.1 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强

这是OFDM系统最大的优点。OFDM技术把高速率数据流分解成多路低速率的子数据流,使调制符号的有效持续时间远大于信道的最大时延扩展,减少了系统对信道时延扩展的敏感程度,能在较大失真和突发脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效的保护,大大减小了 ISI。同时通过添加循环前缀,可以很好地克服多径效应引进的ICI ,保持子载波之间的正交性。

2.2 频谱利用率高

与常规的频分复用系统相比，OFDM系统更具优势，该系统能够最大限度的利用频谱资源，主要在于各个子载波之间存有正交性，而OFDM系统可以使子载波的频谱相互重叠。而当子载波数目达到很大时，系统的频谱利用率会趋向于2Baud/ Hz。在频谱资源有限的无线环境中OFDM系统具备的这一优势极为重要。

2.3 调制解调实现容易

通过离散傅里叶变换和离散傅里叶反变换可以分别实现各个子信道的正交调制和解调，此外，还能够采用快速傅里叶变换（FFT）和快速傅里叶反变换（IFFT）处理子载波数很多时出现的情况，进而实现调制解调。目前，IFFT 和FFT随着DSP技术和大规模集成电路技术的发展都是非常容易实现的，如图1所示。

2.4 OFDM系统支持非对称业务

无线数据业务中下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量，它一般存在着非对称性，而通过使用不同数量的子信道，OFDM系统便可以实现无线业务中上行和下行链路中的不同传输速率，因此物理层需要支持非对称高速率数据传输，进而确保了物理层支持非对称的高速率数据传输。

2.5 OFDM技术易与和其它多址方式结合使用

OFDM系统能与其它多种多址方式相结合使用，其中包括调频OFDM以及OFDM - TDMA，MIMO-OFDM、多载波码分多址MC -CDMA等，多个用户能够同时采用OFDM技术实现信息传输，使通信质量得以提高。

2.6 适合高速数据传输

OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道和噪音背景的不同自行选用适合的调制方式。当信道条件好的时候，可以采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率。当信道条件差的时候，为确保信噪比可选择抗干扰能力强的QPSK(四相移相键控)调制等低阶调制。这样，系统就可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。再有，OFDM 加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM 技术非常适合高速数据传输。

3 OFDM技术需要克服的缺陷

3.1 该系统对相位噪声和频率偏移很敏感

各个子载波之间的正交性皆因OFDM系统受到了格外严格的要求，该系统的主要缺点是对频率偏差很敏感。OFDM系统子载波之间的正交性都会因为无线传输信道存在的时变性遭到破坏，除此之外，也会因为发射机载波频率与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差受到破坏，进而使得子信道之间的信号相互受到干扰。

此外，在接收端进行FFT变换之前，必须估计并补偿频率偏差，从而确保子载波之间的正交性顺利的维持下去。对于频率的估计可以选择循环前缀的方法，利用这一特性，可将信号延迟后与原信号进行相关运算。

3.2 存在较高的峰值平均功率比

由于OFDM系统的输出是多个子信道信号的叠加,当多个信号同相时,所得叠加信号的瞬时功率就会远远超过信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAPR-Peak to Average Power Ratio)。目前降低OFDM信号PAPR的算法总体上可分为三类:信号预畸变算法（主要有压缩变换算法和限幅类算法）、编码类算法和概率类算法(主要包括选择映射法SLM、部分传输序列算法PTS等)。

4 OFDM 技术在4G移动通信系统中的应用

第4代移动通信系统 (4th Generation,4G)技术已成为目前移动通信领域的研究热点。与3G相比，4G更接近于个人通信，在技术上比3G更完善，4G将提供更高速、高容量、低网络建设成本和基于全IP的核心网平台。

目前，业界对4G移动通信技术的共识主要有以下几点：

具有很高的数据传输速率。最低数据传输速率为2Mb/s，最高可达100Mb/s。

2）实现真正的无缝漫游。4G移动通信系统实现全球统一的标准，能实现与各种网络、通信主机以及各类媒体之间进行“无缝连接”。

3）高度智能化的网络。4G网络将能够使用智能技术,自适应、动态地进行资源分配,以处理不断变化的业务及容量和适应不同的信道环境.在操作上和技术上有很强的智能性、适应性和灵活性。

4）良好的覆盖性能。4G系统应具有更广阔的的覆盖能力，并能提供高速可变速率传输。

5）实现不同QoS 的业务。4G通信系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供各种不同质量不同类型的业务,使用户在任何地方都可以获得所需的信息服务，将信息系统、广播和娱乐、个人通信等行业结合成一个整体，更加安全、快捷地向用户提供更丰富的服务与应用。

6）基于IP的网络。4G通信系统将会采用先进的IPv6技术，IPv6采用128位地址长度, 能够为所有网络设备提供一个全球唯一的地址并将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。

为了达到4G的目标，我们需要对其各个环节进行突破，其中包括网络的交换、数据的传输以及接入等，尤其是在频谱资源有限以及无线移动环境的条件下，大家的关注点都聚集在如何高效、稳定、可靠地进行高速率的数据传输。因此数据传输速率受到限制，难以得到提高。假如数据传输速率高于信道的相关带宽，信号将产生严重失真，信号传输质量将大幅度下降，所以普遍存在符号间干扰ISI。

4G系统中的关键技术之一便是正交频分复用技术，它可在有效进行数据传输速率提高的同时，避免高速引起的各种干扰（包括ISI）,并具OFDM技术具有良好的抗噪声性能、对抗频率选择性衰落和频谱利用率高等优点。特别是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采用OFDM传输可获得良好的性能。这点对4G移动通信系统尤为重要。

5 结束语

正是由于OFDM技术具备很高的频谱利用率，能够有效地对抗频率选择性衰落，对抗多径效应，消除符号间干扰。这才使它符合4G对于在无线条件下稳定可靠的实现高速率数据传输的要求，使它成为4G的核心技术。OFDM技术的应用潜力是巨大的，但还有许多问题需要解决，只有OFDM进行深入的研究，很好的克服其自身的缺陷，才能使OFDM技术在4G移动通信等诸多领域发挥更大的作用。

[1] 陈良明,韩泽耀.OFDM-第四代移动通信的主流技术[J].计算机技术与发展，2008年3月第18卷第3期：185-186.

[2] 覃凤清,郭洪容.正交频分复用系统及其关键技术研究[J].宜宾学院学报,2008,6:58

[3] 姚成风，葛万成。OFDM原理及其在现代高速无线数据传输中的新应用[J]。现代电视技术，2005.1:91