OFDM综述要点

信息工程学院大作业

文献综述

题目OFDM综述

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2015年12月15 日

OFDM综述

田帅

摘要：OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用。这种技术是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。其实，OFDM并不是如今发展起来的新技术，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，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪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。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，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。

关键词：正交频分复用带宽多输入多输出无线信道无线网

前言：

研究方向：现代社会对通信的依赖和要求越来越高，设计和开发效率更高的通信系统成了通信工程界不断追求的目标通信系统的效率，就是指频谱利用率和功率利用率 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是一种特殊的多载波调制技术，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，调制到在每个子通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，这样可以减少子通道之间

的相互干扰ICI （Inter-Carrier Inteference）每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此，每个子通道上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通道的带宽仅仅是原通道带宽的一小部分，通道均衡变得相对容易 OFDM通过多个正交的子载波将串行数据并行传输，可以增大码元的宽度，减少单个码元占用的频带，抵抗多径引起的频率选择性衰落，可以有效克服码间串扰，降低系统对均衡技术的要求，是支持未来移动通信，特别是移动多媒体通信的主要技术之一。上个世纪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是正交频分复用的英文缩写。正交频分复用是一种特殊的多载波传输方案。OFDM应用离散傅里叶变换（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。

历史渊源：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。

OFDM仿真器在上个世纪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。

OFDM由于技术的可实现性，在二十世纪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。1999年，IEEE802.lla通过了一个SGHz 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。

目前现状：由于技术的可实现性，在二十世纪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。1999年，IEEE802.lla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。

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2一11GHz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。而后，IEEE802.16的标准每年都在发展，2006年2月，IEEE802.16e(移动宽带无线城域网接入空中接口标准)形成了最终的出版物。当然，采用的调制方式仍然是OFDM。

OFDM2004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LongTermEvolution(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一FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准一一TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD一CDM一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。

存在问题与展望：

(1)对相位噪声和载波频偏十分敏感

这是OFDM技术一个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ICI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ICI。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。

(2)峰均比过大

OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定

的。对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。

(3)所需线性范围宽

由于OFDM系统峰值平均功率比(PAPR)大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。

下一代移动通信系统在性能方面主要有以下要求：户速率在准静止(低速移动和固定)情况下达20Mbit/s，在高速移动情况下达2Mbit/s；量要达到第三代系统的5？10倍，传输质量相当于甚至优于第三代系统；条件相同时小区覆盖范围等于或大于第三代系统；具有不同速率间的自动切换能力，以保证通信质量；网络的每比特成本要比第三代低。在功能方面主要有以下要求：持下一代因特网和所有的信息设备、家用电器等；现与固定网或专用网的无缝化连接；能通过中间件支持和开通多种多样的IP业务；能提供用户定义的个性化服务；按服务级别收费。

由于信道传输特性不理想，各类无线和移动通信中普遍存在着符号间干扰(ISI)。通常采用自适应均衡器来加以克服，但是，在高速数字通信系统中，为了保证克服ISI，往往要求均衡器的抽头数很大，尤其是城市环境可能使得均衡器的抽头数达上百。这样，必然大大增加了均衡器的复杂程度，使设备造价和成本大大提高。为了能在下一代移动通信中有效解决这一问题，OFDM技术因其频谱利用率高和抗多径衰落性能好而被普遍看好，以取代复杂而昂贵的自适应均衡器。近年来，由于DSP技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速传输技术，引起了广泛关注。

正文：

1.1正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing）技术是多载波传输的一种，其多载波之间相互正交，高效地利用频谱资源，OFDM 将总带宽分割为若干个窄带子载波，可以有效地抵抗频率选择性衰落。多输入多

输出（MIMO，MultipleInput MultipleOutput）系统充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍提高信道容量。OFDM调制的MIMO系统，充分开发了这两种技术的潜力, 将二者结合起来将成为新一代移动通信的核心技术。

它（OFDM）是一种特殊的多载波传输方案，它可以看作是一种调制技术，也可以当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流具有低得多的比特数据流，再去调制成相应的子载波，各子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠。在OFDM系统中，在各个频段上发送的并行数据信号合并成一个独立的复用数据流，这些数据由多个子载波组合而成，然后在OFDM系统中传输。这样增加了数据的吞吐量，提高了传输速度。传统的FDM系统中，两个信道之间存在较大的频率间隔作为保护带来防止干扰，这样就降低了系统的频谱利用率。因此，OFDM系统比传统FDM系统具有更高的带宽利用率，两者对比示意图见图1 所示。

图1 OFDM和FDM带宽利用率的比较示意图

OFDM通信系统基本模型如图2 所示。输入的二元数字序列首先进行串/ 并转换和编码映射，然后经过快速傅里叶逆变换（IFFT）对编码后的星座点进行基带调制，再经并/ 串转换，D/A 转换及低通滤波后经过上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端相反，信道出来的信号先经过下变频，低通滤波(LPF)，A/D 转换及串/ 并转换后，再进行快速傅里叶变换（FFT），然后对所得数据进行均衡，以校正信道失真，最终进行译码判决和并/ 串转换，恢复出原始的二元数字序列。

图2 OFDM通信系统基本模型图

1.2多输入多输出（MIMO）系统

在通信两端发送和接收信号称为单输入单输出系统（SISO），而在通信两端使用多个天线进行发送和接收信号称为多输入多输出系统（MIMO）。由于电磁环境较为复杂, 多径效应、频率选择性衰落和其他干扰的存在, 使得实现无线信道的高速数据传输比有线信道传输难。通常多径效应会引起衰落, 被视为有害因素。但对于MIMO系统来说, 多径效应可以作为一个有利因素加以利用，因MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道, 多输入和多输出针对多径无线信道而言的。MIMO系统的原理图如图3 所示，其传输信息流S（k）经过空时编码形成N个信息子流CN （ k）。这N 个子流由N 个天线发射出去, 经空间信道后由M 接收天线接收。多天线接收利用先进的空时编码处理就能够分开并解码这些数据子流, 从而实现最佳的处理。特别是这N 个子流同时发送到信道时,各发射信号占用同一频带, 因而并未增加带宽。若各发射和接收天线间的通道响应独立, 则MIMO系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息, 在不占用额外的带宽，也不消耗额外的发射功率的情况下，利用MIMO技术可以成倍地提高系统传输容量，大大提高了频谱利用率。

1.3无线信道

无线信道特性对无线信道的研究与建模通常分为两个独立的步骤：小尺度

信道变化的建模和大尺度信道变化的建模。这里主要考虑小尺度信道传输特性，且考虑一种常用的模型，就是高斯广义平稳非相关散射（GaussianWide-sense StationaryUncorrelated Scattering，GWSSUS）。小尺度信道特性是由电磁波的多径传播引起的。多径传播导致了多径衰落。这样的信道称为多径衰落信道。多径衰落信道可以看成是一个线性时变系统，其等效低通冲激响应用c(t,t)来表示，相应的时变频率响应用c(t,f)表示。c(t,t)是一个以时间t为变量的广义平稳随机过程。信道冲激响应和频率响应的时变性导致信号在经过信道后，其频谱发生频率扩展，这种现象通常称为多普勒扩展。

多径传播还将引起信号的时域色散。因此，多径衰落信道可以看成一个对信号在时域和频域都有扩展的信道。假设通过信道具有不同时延的多径信号是非相关的（也就是前面的广义平稳非相关散射假设），一个双扩展信道的特性可用信道的散射函数S(t,)来描述，这个函数表示当时延为t、频率偏移为λ（相对于载频）时信道的功率谱。

将散射函数S(t, )对λ取平均，可以得到信道的多径强度分布（the

Multi-path Intensity Profile），也称为信道的迟延功率谱（the Delay Power Spectrum）（1）同样，多普勒功率谱Sc( )定义如下：Sc(t)=0S(t, )dt 。（2）迟延功率谱 c(t)的非零取值范围定义为信道的多径时延扩展Tm。多普勒功率谱Sc( )的非零取值范围定义为信道的多普勒扩展Bd。接下来给出信道相关带宽(△f)c的定义。它可由多径时延推得，是多径时延扩展的倒数：(△f)c = 1/Tm。 3）其物理意义是一个频率范围（也就是一系列频率分量），信号的这些频率分量在信道中传输时具有近似相等的增益和线性相移，也就是说信道在这个频率范围上的频率特性是平坦的。换句话说，位于相关带宽所给频率范围内的两个频率分量的幅度具有很强的相关性（衰落程度相近）。多径时延扩展与相关带宽给出了信道在一个小范围内的时域色散特性，但是它们不包含信道随时间变化的特性。而信道的多普勒扩展Bd 和相干时间(△t)c（Coherencetime，中文也称为相关时间）可以反映信道冲激响应的时变特性。Bd越大，信道冲激响应变化得越快。

这里信道相干时间(△t)c定义为：(△t)c = 1/Bd。（4）对(△t)c物理意义的理解与对(△f)c 的理解类似。(△t)c指的是一段时间（一些时刻），在这段

时间内信道冲激响应基本不变，信道响应很相似。换句话说，在相干时间所代表的这个时间段内，信号的幅度具有很强的相关性。因此，不难理解，慢衰落信道的相干时间比较大，而快衰落信道的相干时间就比较小。乘积TmBd被称为信道扩展因子。如果TmBd<1，那么信道就是非扩展的（under spread）；相反，信道就是扩展的。当信道可以保持相同（或近似相同）增益和线性相移的频率范围（也就是相关带宽）小于信号带宽时，就会产生频率选择性衰落，相应的信道称为频率选择性（FrequencySelective）（衰落）信道。频率选择性衰落是由发送信号在信道中的时域色散引起的，因此信道引入了码间干扰（ISI）。当信道可以保持相同（或近似相同）增益和线性相移的频率范围（也就是相关带宽）大于信号带宽时，信号在信道中发生的衰落称为平坦衰落，相应的信道称为平坦（衰落）信道。当信号的符号持续时间大于信道相干时间时，信号在一个符号间隔内就发生了衰落，因此此时的衰落为快衰落，相应的信道称为快衰落信道或者时间选择性（TimeSelective）（衰落）信道；反之，若信号的符号持续时间小于相干时间，则发生的衰落为慢衰落，相应的信道称为慢衰落信道或者非时间选择性（Time Non-selective）信道。

上面根据相关带宽和相干时间分别对信道进行的分类是独立的。另外，不难看出信道是频率选择性信道还是平坦衰落信道是由信号带宽与信道相关带宽的相对大小来决定的，因此从某种意义上说是相对的。同理，信道是快衰落还是慢衰落，也是由信号的符号持续时间相对于信道相干时间的大小来决定，也是相对的。对不同信道进行仿真时采用的信道模型是不同。对平坦衰落，可以将信道对信号的作用等效为一个时变的乘性干扰；对于频率选择性衰落信道，需要引入抽头时延线模型，如图1所示，其抽头系数是时变的。图1中的W是发送信号带宽。后面的仿真都是假设了一定的信道特性的。涉及的主要信道类型除了AWGN （Additive White Gaussian Noise）信道外，就是慢衰落的频率选择性信道。也就是说，我们在仿真中往往假设在一个OFDM符号的持续时间内或者更长的时间内信道特性保持不变。

1.4 OFDM技术在高速无线通信中的应用

OFDM技术具有频谱利用率高抗干扰能力强数据传输速率高等优点，因此在很

多通信领域得到广泛应用。

无线局域网( WLAN)在无线局域网( WLAN Wireless Local AreaNetwork) 领域，美国的IEEE802． 11a和欧洲ETSI的HyperLAN/2 都采用了OFDM 技术［1］IEEE802．11a工作在5GHz频带，采用OFDM调制技术作为它的物理层标准，速率可达54Mbit/sHyperLAN/2的物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入层( MAC―Media Access Control) 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54Mbit/s［5］而且随着技术的不断发展与技术之间的融合，WLAN的性能也在不断增强如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。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( BWA) 中得到应用［5］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2GHz～11GHzBWA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意义。

43GCDMA和4G领域

目前，以CDMA为核心技术的3G移动通信网络已在全球逐步建成并投入实用与第一代和第二代移动蜂窝系统相比，3G系统在传输速率和业务的提供上都有了显著提高但是3G网络的数据传输速度最高仅为2Mbps，在实际应用中的传输速度要低的多，因此很难满足用户对多媒体业务的需求而且CDMA技术为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难为了推动3G的发展，人们开始研究将OFDM技术的优势引入到CDMA系统中，研究CDMA技术与OFDM技术的融合［3］在移动网络中，随着用户数量的增多和网络规模的扩大，频率作为移动通信的资源已经越来越稀缺，而用户对未来移动通信的服务质量服务的多样性及传输速率等方面的要求也越来越高因此在4G中，OFDM因其优良的性能必将得到更广泛的应用。

在当前的无线通信领域，无线通信业务的多媒体化是发展方向之一业务的多媒体化要求有高速的数据传输来支撑，因而宽带的高速数据传输是无线通信必然的发展趋势OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，为实现高

效和可靠的数据传输开辟了一条新路径，因而在陆地固定无线接入领域和移动接入领域得到了广泛的应用，但是在航海通信技术领域中的应用与研究相对还比较少当前，海上远距离通信主要靠短波通信来实现短波信道存在多径衰落现象，严重影响传输信号的质量，而且短波通信的工作在3～30MHz，频段有限，在很大程度上限制了海上通信中数据传输的速率随着OFDM技术的发展与成熟，以及海上通信对数据传输速率要求的提高，相信在不久的将来，OFDM技术必将与短波通信相结合，为船公司和船舶电台提供高带宽高数据传输速率的海上通信新技术。

2.1 OFDM技术应用

实际中大多数宽带移动通信信道都是频率选择性衰落信道。前面已经说过，信号在频率选择性衰落信道中进行传输时会产生码间干扰（ISI）。因此在无线信道中进行数据传输时要选择可以对抗ISI的技术。OFDM技术就是一种适于在频率选择性信道中进行数据传输的技术。当然，可以对抗ISI的技术有很多，例如线性均衡技术、判决反馈均衡器、最大似然数据检测等。但是这些技术在进行宽带数据传输时都不理想。例如线性均衡器会给系统增加很多复杂性，判决反馈均衡器会引入误码传播，而最大似然数据检测的缺点是复杂性随信道记忆长度指数增长。OFDM技术的基本思想前面已经给过。它将一个很宽的频率选择性衰落信道划分为多个正交的窄带子信道，然后进行并行数据传输。每个窄带子信道相对平坦，如图2所示。这样做使其具有如下优点：可以有效地对抗多径传播引起的ISI，适于进行多径衰落信道中的高速数据传输；通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力；信道利用率很高，这在频谱资源有限的无线环境中很重要；这是因为其各个子信道是正交的。

基于DFT的OFDM快速算法，这就大大简化了其硬件复杂性，使其应用更广泛。

可以较为简单地实现均衡，因为此时只需对每个子载波的数据做均衡，而每个子载波上的数据经受的是平坦衰落；能够实现自适应调制与编码；自适应OFDM系统可以满足多媒体数据传输的要求。OFDM技术当然也有缺点，主要是以下两个方面：OFDM信号包络不是恒定的，导致它对线路中的非线性特性很敏感，并引发一系列问题，这是OFDM技术的缺陷。对频率偏移的敏感程度要比单载波系统更高，对子载波同步算法与电路的要求更高。对于OFDM技术的缺点，已经有很多解决方案，并且现在仍在研究。目前OFDM技术已经得到了广泛的研究与应用。其应用涉及很多方面：在有线应用方面，如ADSL；在广播业务方面，如欧洲的DAB、DVB-T和日本的ISDB-T（陆地综合业务数字广播）；在高速无线局域网标准方面，如ETSIHiper LAN2和IEEE802.11(a)；在多媒体无线业务方面，如日本的MMAC（多媒体移动接入通信）。

2.2 存在问题:

OFDM技术存在的缺陷:

( 1) 易受频率偏差的影响

在OFDM系统中，各子载波的频谱是相互叠加，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求无线信道的时变性在传输过程中造成的无线信号频谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存在频率偏差，都会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道间干扰这种对频率偏差的敏感性是OFDM系统的主要缺点之一。

( 2) 峰值均值功率比( PAPＲ) 大，导致射频放大器的功率效率较低由于OFDM 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比( PAPＲ－PeaktoAveragePower Ｒatio) 高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低因此可能带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，子信道间正交性遭到破坏，产生干扰。

( 3) 负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度。

2.3研究热点

近年来，由于数字信号处理技术 (Digital Signal Processing, DSP)和大规模集成电路CPLD技术的飞速发展，使得当载波数目高达几千时也可以通过专用芯片来实现其DFT变换，大大推动了OFDM技术在无线通信环境中的实用化，OFDM 技术在高速数据传输领域受到了人们的广泛关注。OFDM已经成功的应用于数字音频广播系统 (Digital Audio Broadcasting, DAB)、数字视频广播系统(Digital Video Broadcasting, DVB)、无线电局域网( Wireless Local Area Network, WLAN)，非对称数字用户环路ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)等系统中。1995年，欧洲电信标准协会(ETSI)首次提出DAB标准，这是第一个采用OFDM 的标准[5]。1999年12月，IEEE802.lla 一个工作在5GHz的无线局域网标准，其中采用了OFDM 调制技术作为其物理层(PRY)标准，欧洲电信标准协会的宽带射频接入网(Broad Radio Access Network, BRAN)的局域网标准也采用OFDM技术。在我国，信息产业部无线电管理局也于2001年8月31日批准了中国网通开展OFDM固定无线接入系统CelerFlex的试验，该系统目前己经开通，并进行了必要的测试和业务演示。目前，人们开始集中精力研究和开发OFDM在无线移动通信领域的应用，并将 OFDM技术与多种多址技术相结合。此外，OFDM技术还易于结合空时编码以及智能天线等技术，最大程度提高物理层信息传输的可靠性。

2.4技术比较

频谱利用率、支持高速率多媒体服务、系统容量、抗多径信道干扰等因素是目前大多数固定宽带无线接入设备商在选择CDMA（码分多址）或OFDM（正交频分复用）作为点到多点（PMP）的关键技术时的主要出发点。而这两种技术在这些方面都各有所长，因此设备商需要根据实际情况权衡利弊，进行综合分析，从而做出最佳选择。 CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术。OFDM 技术属于多载波调制技术，它的基本思想是将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。OFDM和CDMA技术各有利弊。CDMA具有众所周知的优点，而采用多种新技术的OFDM也表现出了良好的网络结构可扩展性、更高的频谱利用率、更灵活的调制方式和抗多径干扰能力。

下面主要从调制技术、峰均功率比、抗窄带干扰能力等角度分析这两种技术在性能上的具体差异。——调制技术。一般来说，无线系统中频谱效率可以通过采用16QAM（正交幅度调制）、64QAM乃至更高阶的调制方式得到提高，而且一个好的通信系统应该在频谱效率和误码率之间获得最佳平衡。在CDMA系统中，下行链路可支持多种调制，但每条链路的符号调制方式必须相同，而上行链路却不支持多种调制，这就使得CDMA系统丧失了一定的灵活性。并且，在这种非正交的链路中，采用高阶调制方式的用户必将会对采用低阶调制的用户产生很大的噪声干扰。在OFDM系统中，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论在上行还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性，例如，在信道好的条件下终端可以采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率，而在信道条件变差时可以选择QPSK（四相移相键控）调制等低阶调制来确保信噪比。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。此外，虽然信道间干扰限制了某条特定链路的调制方式，但这一点可以通过网络频率规划和无线资源管理等手段来解决。——峰均功率比（PAPR）。这也是设备商们应该考虑的一个重要因素。因为PAPR过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高，这就意味着要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸，进而增加基站和用户设备的成本。 CDMA系统的PAPR一般在5～11dB，并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。目前已有很多技术可以降低CDMA的PAPR。在OFDM系统中，由于信号包络的不恒定性，使得该系统对非线性很敏感。如果没有改善非线性敏感性的措施，OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统和手机等。目前有很多技术可以降低OFDM的PAPR。——抗窄带干扰能力。CDMA的最大优势就表现在其抗窄带干扰能力方面。因为干扰只影响整个扩频信号的一小部分；而OFDM中窄带干扰也只影响其频段的一小部分，而且系统可以不使用受到干扰的部分频段，或者采用前向纠错和使用较低阶调制等手段来解决。——抗多径干扰能力。在无线信道中，多径传播效应造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，使接收端判断错误。这会严重地影响信号传输的质量。为了抵消这种信号自干扰，CDMA接收机采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源，RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等，试验证明，如果路径数超过7或8条，这种信号能量的

分散将使得信道估计精确度降低，RAKE的接收性能下降就会很快。 OFDM技术与RAKE接收的思路不同，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀（CP）作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，并且保证了各信道间的正交性，从而大大减少了信道间干扰。当然，这样做也付出了带宽的代价，并带来了能量损失：CP 越长，能量损失就越大。——功率控制技术。在CDMA系统中，功率控制技术是解决远近效应的重要方法，而且功率控制的有效性决定了网络的容量。相对来说功率控制不是OFDM系统的基本需求。OFDM系统引入功率控制的目的是最小化信道间干扰。——网络规划。由于CDMA本身的技术特性，CDMA系统的频率规划问题不很突出，但却面临着码的设计规划问题。OFDM系统网络规划的最基本目的是减少信道间的干扰。由于这种规划是基于频率分配的，设计者只要预留些频段就可以解决小区分裂的问题。——均衡技术。均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的ISI。在CDMA系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。由于扩频码自身良好的自相关性，使得在无线信道传输中的时延扩展可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过一个码片的长度，就可被RAKE接收端视为非相关的噪声，而不再需要均衡。对OFDM系统，在一般的衰落环境下，均衡不是改善系统性能的有效方法，因为均衡的实质是补偿多径信道特性。而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此该系统一般不必再作均衡

结论：

正交频分复用技术OFDM利用相互正交的多个子波束传送信息，具有高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，已被应用于数字音频广播、高清晰度电视和无线局域网等方面，并且被看作是第四代移动通信的核心技术之一。本文的创新点在于概括地分析了无线信道特性，建立了一种宽带无线信道模型，并且对OFDM技术在宽带无线通信中应用进行了有效的研究。

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