正交频分复用技术是什么

小白 QA 2020-05-05 10:57:59 阅读(...)

OFDM即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation),多载波调制的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力,能够支持多用户接入。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上 OFDM 是 MCM(Multi Carrier Modulation),多载波调制的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力,能够支持多用户接入。

OFDM是什么

OFDM 技术由 MCM(Multi-Carrier Modulation,多载波调制)发展而来。OFDM 技术是多载波传输方案的实现方式之一,它的调制和解调是分别基于 IFFT 和 FFT 来实现的,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。

基本原理

在通信系统中,信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的,为了能够充分利用信道的带宽,就可以采用频分复用的方法。

OFDM 主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上可以看成平坦性衰落,从而可以消除码间串扰,而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

OFDM 技术是 HPA 联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。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受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

通常的数字调制都是在单个载波上进行,如 PSK、QAM 等。这种单载波的调制方法易发生码间干扰而增加误码率,而且在多径传播的环境中因受瑞利衰落的影响而会造成突发误码。若将高速率的串行数据转换为若干低速率数据流,每个低速数据流对应一个载波进行调制,组成一个多载波的同时调制的并行传输系统。这样将总的信号带宽划分为 N 个互不重叠的子通道(频带小于Δf),N 个子通道进行正交频分多重调制,就可克服上述单载波串行数据系统的缺陷。在向 B3G/4G 演进的过程中,OFDM 是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了系统性能。包括以下类型:V-OFDM, W-OFDM, F-OFDM, MIMO-OFDM,多带-OFDM。

OFDM 中的各个载波是相互正交的,每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期,每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠,所以它比传统的 FDMA 提高了频带利用率。

在 OFDM 传播过程中,高速信息数据流通过串并变换,分配到速率相对较低的若干子信道中传输,每个子信道中的符号周期相对增加,这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外,由于引入保护间隔,在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。

在过去的频分复用(FDM)系统中,整个带宽分成 N 个子频带,子频带之间不重叠,为了避免子频带间相互干扰,频带间通常加保护带宽,但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点,OFDM 采用 N 个重叠的子频带,子频带间正交,因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。

OFDM 系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换(FFT/IFFT)实现调制和解调。对于 N 点的 IDFT 运算,需要实施 N^2 次复数乘法,而采用常见的基于 2 的 IFFT 算法,其复数乘法仅为(N/2)log2N,可显著降低运算复杂度。

在 OFDM 系统的发射端加入保护间隔,主要是为了消除多径所造成的 ISI。其方法是在 OFDM 符号保护间隔内填入循环前缀,以保证在 FFT 周期内 OFDM 符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生 ISI。由于 OFDM 技术有较强的抗 ISI 能力以及高频谱效率,2001 年开始应用于光通信中,相当多的研究表明了该技术在光通信中的可行性。

发展历史

20 世纪 70 年代,韦斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人应用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶方法(FFT)研制了一个完整的多载波传输系统,叫做正交频分复用(OFDM)系统。

OFDM 是一种特殊的多载波传输方案。OFDM 应用 DFT 和其逆变换 IDFT 方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。这就解决了多载波传输系统发送和传送的难题。应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低。从此 OFDM 技术开始走向实用。但是应用 OFDM 系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程,而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件,因此 OFDM 技术迟迟没有得到迅速发展。

近些年来,集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展,以及对无线通信高速率要求的日趋迫切,OFDM 技术再次受到了重视。

在 20 世纪 60 年代已经提出了使用平行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970 年美国申请和发明了一个专利,其思想是采用平行的数据和子信道相互重叠的频分复用来消除对高速均衡的依赖,用于抵制冲激噪声和多径失真,而能充分利用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。但在以后相当长的一段时间,OFDM 理论迈向实践的脚步放缓了。由于 OFDM 各个子载波之间相互正交,采用 FFT 实现这种调制,但在实际应用中,实时傅立叶变换设备的复杂度、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性要求等因素都成为 OFDM 技术实现的制约条件。在二十世纪 80 年代,MCM 获得了突破性进展,大规模集成电路让 FFT 技术的实现不再是难以逾越的障碍,一些其它难以实现的困难也都得到了解决,自此,OFDM 走上了通信的舞台,逐步迈向高速数字移动通信的领域。

80 年代后,OFDM 的调整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 调整技术,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,OFDM 的应用又涉及到了利用移动调频和单边带(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)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统。

1999 年,IEEE802.11a 通过了一个 5GHz 的无线局域网标准,其中 OFDM 调制技术被采用为物理层标准,使得传输速率可以达 54MbPs。这样,可提供 25MbPs 的无线 ATM 接口和 10MbPs 的以太网无线帧结构接口,并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准 HiperiLAN2 也把 OFDM 定为它的调制标准技术。

OFDM 技术的应用已有近 40 年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统。但是 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,人们采用离散傅立叶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,人们研究如何将 OFDM 技术应用于高速 MODEM。进入 90 年代以来,OFDM 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。

由于 OFDM 的频率利用率最高,又适用于 FFT 算法处理,近年来在多种系统得到成功的应用,在理论和技术上已经成熟。因此,3GPP/3GPP2 成员多数推荐 OFDM 作为第四代移动通讯无线接入技术之一。

目前,OFDM 技术在 4G LTE 技术中已得到使用,是 LTE 三大关键技术之一,预计在 5G 仍然作为主要的调制方式。

基本模型

OFDM 是一种多载波调制方式,通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落,其基本原理是将信号分割为 N 个子信号,然后用 N 个子信号分别调制 N 个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠,因而可以得到较高的频谱效率。下图是 OFDM 基带信号处理原理图。其中,(a)是发射机工作原理,(b)是接收机工作原理。

当调制信号通过无线信道到达接收端时,由于信道多径效应带来的码间串扰的作用,子载波之间不再保持良好的正交状态,因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展,则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间,从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时,为减小 ISI 的影响,需要采用多级均衡器,这会遇到收敛和复杂性高等问题。

在发射端,首先对比特流进行 QAM 或 QPSK 调制,然后依次经过串并变换和 IFFT 变换,再将并行数据转化为串行数据,加上保护间隔(又称“循环前缀”),形成 OFDM 码元。在组帧时,须加入同步序列和信道估计序列,以便接收端进行突发检测、同步和信道估计,最后输出正交的基带信号。

当接收机检测到信号到达时,首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后,经过 FFT 变换,进行整数倍频偏估计和纠正,此时得到的数据是 QAM 或 QPSK 的已调数据。对该数据进行相应的解调,就可得到比特流。

FDM/FDMA(频分复用/多址)技术其实是传统的技术,将较宽的频带分成若干较窄的子带(子载波)进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰,不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔(图(a)所示),大大降低了频谱效率。因此,频谱效率更高的 TDM/TDMA(时分复用/多址)和 CDM/CDMA 技术成为了无线通信的核心传输技术。近几年由于数字调制技术 FFT 的发展,使 FDM 技术有了革命性的变化。FFT 允许将 FDM 的各个子载波重叠排列,同时保持子载波之间的正交性(以避免子载波之间干扰)。如图(b)所示,部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率,因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。

通信模型

在通信系统中,例如我们用手机打电话的时候,通话数据被采样后,会形成 D0、D1、D2、D3、D4、D5……这样连续的数据流。

FDM 就是把这个序列中的元素依次地调制到指定的频率后发送出去。

OFDM 就是先把序列划分为 D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……这样 4 个子序列(此处子序列个数仅为举例,不代表实际个数),然后将第一个子序列的元素依次调制到频率 F1 上并发送出去,第二个子序列的元素依次调制到频率 F2 上并发送出去,第三个子序列的元素依次调制到频率 F3 上并发送出去,第四个子序列的元素依次调制到频率 F4 上并发送出去。F1、F2、F3、F4 这四个频率满足两两正交的关系,如下图所示。

系统设计

参数设计

一个好的系统设计必须可以避免 ISI 和 ICI,或者至少将他们抑制到可接受的程度。也就是说,要选择一个足够的 CP 以防止由频率选择性衰落而引起的 ISI 和 ICI,同时要选择适当的 OFDM 符号长度,使信道冲激响应(CIR)至少在一个 OFDM 符号期间是不变的。

由于 OFDM 系统对频偏和相位噪声敏感,因此 OFDM 子载波宽度必须仔细选定,既不能太大也不能太小。因为 OFDM 符号周期和子载波带宽成反比,所以在一定的 CP(Cycle Prefix 循环前缀)长度下,子载波宽度越小,则符号周期越大,频谱效率也越高(因为每个 OFDM 符号前都要插入一个 CP,CP 是系统开销,不传输有效数据)。但如果子载波宽度过小,则对频偏过于敏感,难以支持高速移动的终端。

CP 长度的选择与无线信道的时延扩展和小区的半径大小息息相关,时延扩展和小区半径越大,需要的 CP 也越长。另外,在宏分集(Macrodiversity)广播系统中,由于终端收到各基站同时发出的信号,为了避免由于传输延迟差造成的干扰,需要额外加长 CP。

优化设计对 OFDM 系统来说是非常重要的,实际系统需要处理各种不同的环境(信道参数很不同)。一个解决问题的办法是根据最差的情况(宏小区高速移动用户)优化参数,另一个可选的方法是根据各种不同的环境(室内、室外、宏小区、微小区、微微小区等)优化参数,但这就需要设计高度灵活的收发信机。

优缺点

优势

OFDM 存在很多技术优点见如下,在 3G、4G 中被运用,作为通信方面其有很多优势:

(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 CDMA 技术的进一步发展壮大的态势;

(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地进行成功的通信;

(3) 该技术可以自动地检测到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;

(4) 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。

(5) 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。

(6) 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。

(7) 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,则可以使系统性能得到提高。

(8) OFDM 技术抗窄带干扰性很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。

(9) 可以选用基于 IFFT/FFT 的 OFDM 实现方法;

(10) 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。 (baud 即 波特;1 Baud = log2M (bit/s) ,其中 M 是信号的编码级数)。

应用情况

在 20 世纪 90 年代,OFDM 广泛用于各种数字传输和通信中,如移动无线 FM 信道,高比特率数字用户线系统(HDSL),不对称数字用户线系统(ADSL),甚高比特率数字用户线系统(HDSI),数字音频广播(DAB)系统,数字视频广播(DVB)和 HDTV 地面传播系统。

2001 年,IEEE802.16 通过了无线城域网标准,该标准根据使用频段的不同,具体可分为视距和非视距两种。其中,使用 2~11GHz 许可和免许可频段,由于在该频段波长较长,适合非视距传播,此时系统会存在较强的多径效应,而在免许可频段还存在干扰问题,所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的 OFDM 调制,多址方式为 OFDMA。2006 年 2 月,IEEE802.16e 形成了最终的出版物,采用的调制方式仍然是 OFDM。

2004 年 11 月,根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求,3GPP 通过被称为 Long Term Evolution (LTE)即“3G 长期演进”的立项工作。项目以制定 3G 演进型系统技术规范作为目标。3GPP 经过激烈的讨论和艰苦的融合,终于在 2005 年 12 月选定了 LTE 的基本传输技术,即下行 OFDM,上行 SC(单载波)FDMA。OFDM 由于技术的成熟性,被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上,由于 OFDM 的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗,限制终端的使用时间,一些则认为可以通过滤波,削峰等方法限制峰均比。不过,经过讨论后,最后上行还是采用了 SC-FDMA 方式。拥有我国自主知识产权的 3G 标准——TD-SCDMA 在 LTE 演进计划中也提出了 TD-CDM-OFDM 的方案 B3G/4G 是 ITU 提出的目标,并希望在 2010 年予以实现。B3G/4G 的目标是在高速移动环境下支持高达 100Mb/S 的下行数据传输速率,在室内和静止环境下支持高达 IGb/S 的下行数据传输速率。而 OFDM 技术也将扮演重要的角色。

OFDM 技术凭借优点,在很多技术领域已经得到了广泛的应用,表现在以下方面。

在数字音频、视频广播业务方面

数字音频广播 (DAB) 与模拟广播相比可以提高更高质量的语音数字业务,在 1995 年, 欧洲电信标准协会通过了第一个 DAB 标准—ETS300401。此外,日本的 ISDB-T 和美国的 IBOC 方案也都包括了 OFDM 技术,在数字视频广播 (DVB) 的 DVB-T 标准中 OFDM 技术也得到了应用。

在无线局域网领域

在高速无线局域网的相关标准中,OFDM 技术应用在了 HiperLAN/2 物理层中,同时 IEEE802.11 标准的 ISM 频段中,在 2.4GHz 和 5.8GHz 两个频段均采用了该技术的 IEEE802.11a 和 IEEE802.11g 标准。

在 4G 蜂窝系统方案中

在考虑设计 4G 蜂窝网络的系统中的空中接口时,OFDM 技术凭借自身在对抗多径衰弱方面有着显著的优势而被采用。如日本 NTT DoCoMo 以及中国的 FuTURE 方案等,大大提高了系统的性能。

第五代移动通信 (5G) 中

与 OFDM 技术相比, OQAM-OFDM 技术更低带外频谱泄露,因此也成为 5G 关键技术的重要组成部分。由于 OQAM-OFDM 技术对各载波之间不需要同步,要求没有 OFDM 那么严格,因此具有更好的兼容性,从而适应更多的业务需求。

发展影响

随着 OFDM 技术的发展,也出现了一系列改进的 OFDM 技术,以解决 OFDM 本身的一些问题。下面对最主要的几个技术进行介绍。首先,OFDM 本身不具有多址能力,需要和其他的多址技术,如 TDMA、CDMA、FDMA 等结合实现多址,包括 OFDMA(正交频分复用)、MC-CDMA、MC-DS(直接序列扩频)-CDMA、VSF-OFCDM(可变扩频因子正交频码分复用)等技术。DFT-S-OFDM(离散傅丽叶变换扩展 OFDM)是一种为降低 PAPR 设计的 OFDM 改进技术。

子信道 OFDMA

将 OFDM 和 FDMA 技术结合形成的 OFDMA 技术是最常见的 OFDM 多址技术,又分为子信道 OFDMA 和跳频 OFDMA。子信道 OFDMA 即将整个 OFDM 系统的带宽分成若干子信道,每个子信道包括若干子载波,分配给一个用户(也可以一个用户占用多个子信道)。

跳频 OFDMA

子信道 OFDMA 对子信道(用户)的子载波分配相对固定,即某个用户在相当长的时长内使用指定的子载波组(这个时长由频域调度的周期而定)。这种 OFDMA 系统足以实现小区内的多址,但实现小区间多址却有一定的问题。因为如果各小区根据本小区的信道变化情况进行调度,各小区使用的子载波资源难免冲突,随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰,则需要在相邻小区间进行协调(联合调度),但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持,对网络结构的影响较大。

另一种选择就是采用跳频 OFDMA。在这种系统中,分配给一个用户的子载波资源快速变化,每个时隙,此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用,同一时隙中,各用户选用不同的子载波组(如图所示)。与基于频域调度的子信道化不同,这种子载波的选择通常不依赖信道条件而定,而是随机抽取。在下一个时隙,无论信道是否发生变化,各用户都跳到另一组子载波发送,但用户使用的子载波仍不冲突。跳频的周期可能比子信道 OFDMA 的调度周期短的多,最短可为 OFDM 符号长度。这样,在小区内部,各用户仍然正交,并可利用频域分集增益。在小区之间不需进行协调,使用的子载波可能冲突,但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来,即可将干扰白化为噪声,大大降低干扰的危害。随着各小区的负载的加重,冲突的子载波越来越多,这种“干扰噪声”也会积累,使信噪比降低,但在负载不是很重的系统中,跳频 OFDMA 可以简单而有效地抑制小区间干扰。

DFT-S-OFDM

DFT-S-OFDM 是基于 OFDM 的一种改进技术。由于传统 OFDM 技术的 PAPR 较高,在上行链路用户便携或手持终端有一定困难。OFDM 本身也可以采用一系列降低 PAPR 的附加技术,如子载波预留和削波等。另一种方法是在发射机的 IFFT 处理前对系统进行预扩展处理,其中最典型的就是用离散傅丽叶变换进行扩展,这就是 DFT-S-OFDM 技术。

如图所示,将每个用户所使用的子载波进行 DFT 处理,由时域转换到频域,然后将各用户的频域信号输入到 IFFT 模块,这样各用户的信号又一起被转换到时域并发送。经过这样的改进,我们发现每个用户的发送信号由频域信号(传统 OFDM)又回到了时域信号(和单载波系统相同),这样 PAPR 就被大大降低了。由于在这个系统中,每个用户的发送信号波形类似于单载波,也有人将其看作一种单载波技术,虽然它是从 OFDM 技术演变而来的。

在接收机端,系统先通过 IFFT 将信号转换到频域,然后用频域均衡器对每个用户的信号进行均衡(在发射机端须插入 CP 以实现频域均衡),最后通过 DFT 解扩展恢复用户数据

实现问题

虽然 OFDM 已成为新一代无线通信最有竞争力的技术,但这种技术也存在一些内在的局限和设计中必须注意的问题:

子载波的排列和分配

OFDM 子载波可以按两种方式排列:集中式(Locolized)和分布式(Distributed)。

集中式即将若干连续子载波分配给一个用户,这种方式下系统可以通过频域调度选择较优的子载波组(用户)进行传输,从而获得多用户分集增益。集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小,用户平均性能略差。

分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽,从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂,也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。

PAPR 问题

OFDM 系统由于发送频域信号,峰平比(PAPR)较高,从而会增加了发射机功放的成本和耗电量,不利于在上行链路实现(终端成本和耗电量受到限制)。在未来的上行移动通信系统中,很可能将采用改进型的 OFDM 技术,如 DFT-S(离散傅丽叶变换扩展)-OFDM 或带有降 PAPR 技术(子载波保留、削波)的 OFDM。

多小区多址和干扰抑制

OFDM 系统虽然保证了小区内用户间的正交性,但无法实现自然的小区间多址(CDMA 则很容易实现)。

如果不采取任何额外设计,系统将面临严重的小区间干扰(WiMAX 系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。可能的解决方案包括:跳频 OFDMA、小区间频域协调、干扰消除等。

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