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基于OFDM技術的4G通信網(wǎng)絡應用

作者: 時間:2011-09-22 來源:網(wǎng)絡 收藏

引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/155701.htm

  在21世紀,移動和市場飛速發(fā)展,在新、市場需求的共同作用下,出現(xiàn)了第三代移動系統(tǒng)-3G,3G中采用碼分多址(CDMA)來處理多徑問題,以獲得多徑分集增益。

  然而在該體制中,多徑干擾和多用戶干擾始終并存,在用戶數(shù)較多的情況下,實現(xiàn)多用戶檢測是非常困難的。并且CDMA本身是一個自擾系統(tǒng),所有的移動用戶都占用相同的帶寬和頻率,所以在系統(tǒng)容量有限的情況下,用戶數(shù)越多就越難達到較高的速率,因此3G系統(tǒng)所提供的2Mb/s帶寬是共享式的,當多個用戶同時使用時,平均每個用戶可使用的帶寬遠低于2Mb/s,而這樣的帶寬并不能滿足移動用戶對一些多媒體業(yè)務的需求。

  不同領域技術的綜合與協(xié)作,伴隨著全新無線寬帶技術的智能化,以及定位于用戶的新業(yè)務,這一切必將繁衍出新一代移動通信系統(tǒng)。相比于3G,可以提供高達100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,支持從語音到數(shù)據(jù)的多媒體業(yè)務,并且能達到更高的頻譜利用率以及更低的成本。

  為了達到以上目標,中必須采用其他相對于3G中的CDMA這樣的突破性技術,尤其是要研究在移動環(huán)境和有限頻譜資源條件下,如何穩(wěn)定、可靠、高效地支持高數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。因此,在4G移動通信系統(tǒng)中采用了技術作為其核心技術,它可以在有效提高傳輸速率的同時,增加系統(tǒng)容量、避免高速引起的各種干擾,并具有良好的抗噪聲性能、抗多徑信道干擾和頻譜利用率高等優(yōu)點。

  本文將對的基本原理以及其調(diào)制/解調(diào)技術的實現(xiàn)和循環(huán)前綴技術進行介紹,并在三個主要方面將與CDMA技術進行對比分析。

  2 OFDM技術分析

  2.1 OFDM基本原理

  正交頻分復用的基本原理可以概述如下:把一路高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換,分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進行傳輸。在頻域內(nèi)將信道劃分為若干相互正交的子信道,每個子信道均擁有自己的載波分別進行調(diào)制,信號通過各個子信道獨立地進行傳輸。

  由于多徑傳播效應會造成接收信號相互重疊,產(chǎn)生信號波形間的相互干擾,形成符號間干擾,如果每個子信道的帶寬被劃分的足夠窄,每個子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的。如圖1所示。

  因此,每個子信道都可看作無符號間干擾的理想信道。這樣,在接收端不需要使用復雜的信道均衡技術即可對接收信號可靠地進行解調(diào)。在OFDM系統(tǒng)中,通過在OFDM符號之間插入保護間隔來保證頻域子信道之間的正交性,以及消除由于多徑傳播效應所引起的OFDM符號間的干擾。因此,OFDM特別適合于在存在多徑衰落的移動無線信道中高速傳輸數(shù)據(jù)。OFDM的原理框圖如2所示。

  如圖2所示,原始高速率比特流經(jīng)過串/并變換后變?yōu)槿舾山M低速率的比特流d(M),這些d(M)經(jīng)過調(diào)制后變成了對應的頻域信號,然后經(jīng)過加循環(huán)前綴、D/A變換,通過RF發(fā)送出去;經(jīng)過無線信道的傳播后,在接收機以與發(fā)送機相反的順序接收解調(diào)下來,從而得到原發(fā)送信號。

  圖2中d(M)為第M個調(diào)制碼元;圖中的OFDM已調(diào)制信號D(t)的表達式為:

  式(1)中:T為碼元周期加保護時間;fn為各子載波的頻率,可表示為:

  式(2)中:f0為最低子載波頻率;Ts為碼元周期。

  在發(fā)射端,發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)QAM調(diào)制形成基帶信號。然后經(jīng)過串并變換成M個子信號,這些子信號再調(diào)制相互正交的M個子載波,其中/正交0表示的是載波頻率間精確的數(shù)學關系,其數(shù)學表示為QT0fx(t)fy(t)dt=0,最后相加成OFDM發(fā)射信號。實際的輸出信號可表示為:

  在接收端,輸入信號分成M個支路,分別用M個子載波混頻和積分,恢復出子信號,再經(jīng)過并串變換和常規(guī)QAM解調(diào)就可以恢復出數(shù)據(jù)。由于子載波的正交性,混頻和積分電路可以有效地分離各子載波信道,如下式所示:

  式中dc(m)為接收端第m支路子信號。在整個OFDM的工作流程中OFDM與其他技術的主要區(qū)別在于其采用的調(diào)制/解調(diào)技術以及循環(huán)前綴的加入這兩個環(huán)節(jié),下面將對其進行較為詳細的分析。

  2.2 OFDM調(diào)制/解調(diào)技術的實現(xiàn)

  OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)可以采用離散逆傅立葉變換(IDFT)以及離散傅立葉變換(DFT)來實現(xiàn),在實際應用中,可以采用更加方便快捷的逆快速傅立葉變換(IFFT)和快速傅立葉變換(FFT)技術來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào),這是OFDM的技術優(yōu)勢之一。

  首先不考慮保護時間,將式(2)代入式(1)可得到如下等式:

  式中ts為串并變換前的信號周期,顯然,ts=1MTs;令X(t)為復等效基帶信號:

  對X(t)進行抽樣,抽樣頻率為1ts,即tk=kts,則有:

  由上式可知X(t)=X(tk)為d(n)的傅立葉逆變換。同樣在接收端可以采用相反的方法,即離散傅立葉變換得到:

  由上面的分析可以看出OFDM的調(diào)制可以由IDFT實現(xiàn),而解調(diào)可由DFT實現(xiàn)。當系統(tǒng)中的子載波數(shù)很大時,可以采用快速傅立葉變換(FFT/IF2FT)來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào),以顯著地降低運算復雜度,從而在數(shù)字信號處理器DSP上比較容易實現(xiàn),因此能夠達到簡化4G通信系統(tǒng)中硬件實現(xiàn)的復雜度并減少設備成本的效果,現(xiàn)存的還有諸如矢量變換方式、小波變換的離散小波多音頻調(diào)制方式等,但這些方式與OFDM相比,實現(xiàn)復雜度相對較高,因而一般不會用于4G通信系統(tǒng)。


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