资源描述
1、移动通信发展的背景移动通信是移动用户之间，或移动用户与固定用户之间的通信。随着电子技术的发展，特别是半导体、集成电路和计算机技术的发展，移动通信得到了迅速的发展。随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。20世纪80年代以来，移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。 在移动通信领域，每10年就发生一次革命性变化。80年代的第一代模拟移动通信系统和90年代的第二代蜂窝移动通信系统主要用于话音业务和支持电路交换类型的业务，这两代系统的空中接口速率只有几百kbit/s。将在21世纪初投入使用的3G系统IMT-2000在室内环境下能提供2Mbit/s的速率，在车载情况下速率至少为144kbit/s。移动通信已成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。当今移动通信系统正向高数据率、高度移动性和大范围覆盖方向发展。回顾移动通信的发展历程，移动通信的发展大致经历了几个发展阶段：第一代移动通信技术主要指蜂窝式模拟移动通信，技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量低、活动范围受限的问题。第二代移动通信是蜂窝数字移动通信，使蜂窝系统具有数字传输所能提供的综合业务等种种优点。第三代移动通信的主要特征是除了能提供第二代移动通信系统所拥有的各种优点，克服了其缺点外，还能够提供宽带多媒体业务，能提供高质量的视频宽带多媒体综合业务，并能实现全球漫游。 尽管3G系统标准比现有无线技术更强大，但也将面临竞争和标准不兼容等问题。人们呼吁移动通信标准的统一，期望通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。国际电信联盟（ITU）目前已开始研究制定4G系统标准，把移动通信系统同其他系统（如无限局域网，WLAN）结合起来，产生4G技术，2010年前使数据传输速率达到100Mbit/s。提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容。4G应具有更高的数据率和频谱利用率，更高的安全性、智能性和灵活性，更高的传输质量和服质量（QoS）。4G系统应体现移动与无线接入网及IP网络不断融合的发展趋势。因此4G 系统应当是一个全IP的网络。2、4G移动通信简介 第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。未来的通信网络构想：用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入网络中来；移动终端可以是任何类型的；用户可以自由地选择业务、应用和网络；可以实现非常先进的移动电子商务；新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。一 OFDM产生的背景第四代移动通信（4G）中系统的速度可以达到1020Mb/s，最高可以达到100Mb/s。能够实现全球无缝漫游。未来的移动通信业务将从话音发展到数据、图像、视频等多媒体业务，因此，对服务质量和传输速率的要求越来越高。这对移动通信系统的性能提出了更高的要求。而宽带在移动通信中是非常稀缺的资源，因此，必须采用先进的技术有效地利用宝贵的频率资源，以满足高速率，大容量的业务需求。无线信道（特别是陆地移动信道）由于地面情况的复杂性，发射的信号往往是经过多条路到达接收端，即产生多径效应。从而造成接受信号相互重叠，产生信号符号间相互干扰，致使接收端判断错误，严重影响信号的传输质量，这种特征为信号传输的弥散性。特别是当信号的传输速率较高是更是如此。这是因为当信号的周期很短而信号传输速率又非常高时，在接收端信号符号重叠的程度将进一步加深，从而信号的干扰就更加严重。从另一角度看，当信号符号的传输速率较高时，信号带宽较宽，当信号带宽接近和超过信道相干带宽是，信道的时间弥散性将对接受信号造成频率选择性衰落。多径效应造成频率选择性衰落引起码间干扰，使得接收端正确解调困难。严重时，单靠增加发射功率提高接收端的信噪比并不能降低误码率，而OFDM（Orthogonai Frequency Division Multipiexing,正交频分复用）技术是目前进行无线高速数据传输时提高资源利用率、克服多径效应的最有效的方法。二 OFDM的定义OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用技术。这种技术实际上是 MCM(Multi Carrier Modulation)多载波调制的一种（将要传送的数字信号分解成多个低速比特流，再用这些比特流去分别调制多个正交的载波）。其主要思想是：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。每个子信道上得信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上得可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一部分，信道均衡变得相对容易。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。三 OFDM的基本原理OFDM的工作原理简介，输入数据心愿的速率为R，经过串并转换后，分成M个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/M，在每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决于对应子载波上的调制方式，如PSKQAM等。M个并行的子数据信源编码交织后进行IFFT变换，将频域信号转换到时域，IFFT块的输出是N个时域的样点，在将长为Lp的CP(循环前缀)加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元，因此，实际发送的OFDM信元的长度为Lp+N，经过并/串转换后发射。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换后移去CP，如果CP长度大于信号的记忆长度时，ISI仅仅影响CP，而不影响有用数据，去掉CP也就去掉了ISI的影响。 OFDM系统图示 由于OFDM信号时经过IFFT得到食的，发送的数据在频域被充分随机化，OFDM信号可以认为是独立同步分布的随机变量的线性组合。当子载波非常大时，由中心极限定理知OFDM信号近似服从复高斯分布，从而OFDM信号具有较大的峰值平均功率比（PAPR），此为OFDM系统的一个缺点。由于OFDM系统各个子载波间相互正交，OFDM系统另外一个缺点就是对系统频偏比较敏感。四 OFDM的关键技术1. 峰值平均功率由于OFDM信号在时域上位N个正交子载波信号的叠加，当着N个信号恰好都以峰值出现并将相加时，OFDM信号也产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。这样，为了不失真地传输这些高峰均值比的OFDM信号，对发送端和接收端的功率放大器和A/D变换器的线性度要求较高，且发送功率较低。解决方法一般有下述三种途径：（1）信号失真技术采用峰值修剪技术和峰值窗口去除技术，使峰值振幅值简单地非线性去除；（2）采用编码方法将峰值功率控制和信道编码结合起来，愿用合适的编码和解码方法，以避免出现较大的峰值信号；（3）采用扰码技术，对所产生OFDM信号的相位重新设置，使互相关性为0，这样可以减少OFDM的PAPR。这里所采用的典型方法为PTS（Partial Transmit Sequence）和SLM(Selective Mapping)。2.同步与其它数字通信系统一样，OFDM系统需要可靠的同步技术，包括定时同步、频率同步和相位同步，其中频率同步对系统的影响最大。移动无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号和频率偏移，这会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，使子信道间的信号相互干扰，因此频率同步是OFDM系统的一个重要问题。为了不破坏子载波间的正交性，在接收端进行FFT变换前，必须对频率偏差进行估计和补偿。可采用循环前缀方法对频率进行估计，即通过在时城内吧OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。利用这一特性，可将信号延迟后与原信号进行相关运算，这样循环前缀的相关输出就可以用来估计频率偏差。3.信道编码和交织为了抗无线衰落信道中的随机错误和突发错误，通常采用信道编码和交织技术。OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性已被OFDM调整方式所利用，可以在子载波间进行编码，形成编码的OFDM(COFDM),OFDM技术和信道编码、频率时间交织结合起来，提高系统的性能，其编码可以采用各种码（如分组码和卷积码）。4.训练序列/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，导频信号是时频二维的，为了提高估计的精度和系统复杂度的折衰。导频信号之间的间隔取决于相干时间和相干带宽，在时域上，导频间隔应小于相干时间。在频域上，导频间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频的模式的设计要根据具体情况而定。五、OFDM的性能分析1.OFDM的主要优点（1）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联络失败，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。（2）通过各子载波的联合编码，可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，就可以通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。（3）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多经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。（4）高的频谱利用率，这点在目前频谱资源稀缺的无线环境中非常重要。当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。（5）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，正式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，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大WFLAN工学院也开始使用这项技术。（6）基于DFT的OFDM有快速算法，而且算法的复杂度可以由DSP的发展来弥补。（7）简化了均衡器设计，或者根本不需要均衡器，且数据传速率可调。（8）OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调的工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡。也就是说对于一个发射台，去过他有良好的信道，在发射功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案去64QAM；如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用QPSK方式等。正是因为OFDM具有如此显著的优点，OFDM可以应用于速率高于10Mb/s的宽带无线接入系统。然而在宽带无线接入领域一些公司开发的技术虽然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些专利技术。如VectorOFDM(VOFDM),WidebandOFDM(WOFDM),flashOFDM等。2.OFDM主要的不足之处（1）对频率偏移、定时和相位噪声比较敏感，容易带来衰耗。传输的非线性会造成互调失真（IMD），此时信号具有较高的噪声电平，信噪比一般不会太高，失步和多普勒平移所造成的频率偏移是信道间失去正交特性，仅仅1%的频偏就会造成信噪比下降30db。所以精确定时和减少频偏对OFDM尤为重要。如果做不到这点，OFDM的正交性将无法保证，必须引起各子载波之间的相互干扰和ISI。（2）峰值与平均值比较相对大，这个比值增大和降低射频放大器的功率效率。而且由于输出信号的峰均比（PAR）高，正交频分复用信号输出信号有较大的动态范围，所以对放大器的线性要求较高。（3）OFDM自适应跳频技术会相应增加发射机和接收机的复杂度。多径信道中，速率为1Gb/s的信号的频响特性每15cm就会发生很大的变化，因此信号的频率刷新速度要比15cm的移动速率快很多，一般情况下终端每移动5cm刷新一次就足够了。比如终端以每小时60Km的速度移动，刷新速率就是大约330次/s。当终端移动速率每小时高于30Km时，自适应跳频就不是很适合了。当信道变化太快，跳频速度跟不上时，用随机跳频代替自适应跳频。（4）引入的保护间隔降低了信道利用率。添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。我们知道，在连续时间域，两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，在这离散时域的情况下一般是不成立的，除非使用无限大的样值点N或者知道一个卷积信号时周期性的（在该情况下，信号可以被圆周卷积）。因为只能使用有效的样值点N，所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在我们感兴趣的时间区内呈现周期性。循环前缀的另外一个好处是可以消除码间干扰。我们要求循环前缀的值比信道内存更大一些。多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。但是，事实上，码间干扰仅仅会干扰当前新号码的循环前缀。因此，使用适当大小的循环前缀就能够使OFDM技术消除码间干扰。众所周知，可靠性的提高势必会带来有效性的降低。所以保护间隔就形成了OFDM的另外一个缺点信道利用率低。（5）对系统中的非线性问题敏感。在基于DFT的OFDM系统中，所有调制器的输出都自动的联合加在一起，然后这个合并后的信号被放大。使得基于DFT的OFDM系统对放大器的非线性敏感，因为合并后的信号具有类似于高斯噪声的幅度特性。这在OFDM系统中将引起相邻信道之间的干扰，破坏其正交性。3.OFDM的主要技术难点OFDM技术的主要技术难点是系统中的频率和事件同步，基于导频符号辅助的信道估计，峰平比问题和多普勒频偏的影响以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。六、OFDM的应用1.高清晰度数字电视广播OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播（DAB）标准是一个正式使用OFDM的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM(coded OFDM:编码OFDM)技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。因此不难看出，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的DAB系统使用的OFDM调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显的改善了移动中接受无线广播的效果，用于DAB的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使OFDM接收机的价格大大降低，其市场前景非常好看。2.无线局域网大家知道，HiperLNA/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbps，实际应用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段，分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54Mbps。技术的不断发展，引发了融合。一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线区域网中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。而对今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbps的数据传输速率还远远不够。为了进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有线与无线局域网的无缝结合，IEEE成立了IEEE802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准。IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.1a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps,成为802.11b/a/g之后的另一场重头戏。和以往的802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段）。这样802.11n保证了与以往的802.11a/b/g标准兼容。3.宽带无线接入OFDM技术适用于无线环境下的高速传输，不仅应用于无线局域网，还在宽带无线接入（BAW）中得到应用。IEEE802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，它已经开发了一个2GHz11GHzBWA的标准IEEE802.16a，物理层就采用了OFDM技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要的意义。在BWA领域，一些公司开发的技术虽然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些专利技术，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM(VOFDM)、Wi-LAN公司的Wideband OFDM(WOFDM)、Flarion公司的flash-OFDM。其中，VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM则由Wi-LAN公司提出，构成了基于两个组织的OFDM两大阵营：宽带无线Internet论坛（BWIF）和OFDM论坛，它们力图使自己的OFDM模式成为标准。其中由WI-LAN公司倡导的OFDM论坛，有50多个成员，其中由如Breezecom、starrt-up BeamReach Networks和Nokia等参加，主要是协调提交到IEEE的OFDM提案。而宽带Internet论坛（BWIF）则是在Cisco倡导下，由IEEE工业标准技术组织IEEE-ISTO成立的，其主要目标是提供低成本快带无线接入技术，号召采用基于VOFDM的标准作为解决方案。七、与其它载波调制方式的比较不同的无线载波调制方式有不同的特性。这些特性决定了在不同距离上传输不同数据量的能力。以下提及的载波调制方式已被运用到各种无线技术中， 正交频分复用与他们相比的区别分别为： 1.固定频率 在一个特定的频段范围（通常非常窄）内传播信号的方式。通过此方式传输的信号通常要求高功率的信号发射器并且获得使用许可。如果遇到较强的干扰，信道内或者附近的固定频率发射器将受到影响。对于许可证的要求就是为了减少相邻的系统在使用相同的信道时产生的干扰。 2.跳频扩频 使用被发射器和接收器都知晓的伪随机序列，在很多频率信道内快速跳变以发射无线电信号。FHSS有较强的抗干扰能力，一旦信号在某信道中受阻，它将迅速再下一跳中重新发送信号。 3.直接序列扩频 在设备的特定的发射频率内以广播形式发射信号。用户数据在空间传送之前，先附加“扩频码”，实现扩频传输。接收器在解调制的过程中将干扰剔除。在去除扩频码、提取有效信号时，噪声信号同时剔除。 4.正交频分复用 同时在多个子载波频率上以广播形式发射信号。每个子载波的带宽都很窄，可以承载高速数据信号。OFDM适用于严酷的信道条件。由于OFDM具有较高的复杂度，有很多方式来抗干扰。对窄带干扰的抗干扰能力也不错，因为大量的正交的子载波和与DSSS相似的信道编码机制。 参考文献1. 刘元安，翟明岳，吴慧兰，等.宽带无线接入和无线局域网.北京 ：北京邮电大学出版社，20002. 李珲春.新一代移动通信技术OFDM技术.通信知识，20013. 李引凡.OFDM技术原理及其应用.网络通信4. 赵婧华.OFDM第四代移动通信的技术核心.电信建设，2001
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