OPDM技术研究(一)

摘要：目前人们已经把目光越来越多地投向超3G的移动通信系统，该系统可以容纳庞大的用户数、改善现有的通信质量，达到高速数据传输的要求。从技术层面上来看，3G系统主要是一CDMA为核心技术，而在3G以后的移动通信系统中正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）最受瞩目。OFDM的提出已经有近40年的历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路。但在这种多载波传输技术在双向无线数据方面的应用却是近10几年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音频和视频领域已经得到广泛的应用。近年来，由于数字信号处理（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，引起了广泛的关注。OFDM技术已经成功地应用与非对称数字用户环路（ADSL）、无限本地环路（WLL）、数字音频广播（DAB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等系统中，它可以有效地消除信号多径传播造成的ISI现象。1999年IEEE802.11a通过了一个5GHz的无线局域网标准，其中采用了OFDM调制技术并将其作为他的物理层标准。欧洲电信标准协会（ETSI）的宽带射频接入网（BRAN，Broad Radio Access Network）的局域网标准也把OFDM定为它的标准调制技术。为了实现一个真正意义上的 OFDM 系统 ,同步是一个关键的问题。因为在接收端对发送机到接收机的传播延时一般是未知的 ,为了对解调器输出步抽样 ,必须从接收信号导出符号定时。OFDM 同步的主要任务是进行精确的符号定时和纠正载波频偏。
关键词：OFDM系统，同步，无线局域网，MATLAB仿真
一、绪论
(一)、OFDM系统的发展现状
OFDM技术是高速率无线通信系统中有广阔应用前景的多载波数据通信技术，它是将高速的数据流分成并行低速数据流，用它们去调制相互正交的子载波，从而形成多个并行发送的低速率数据流传输系统。此外，OFDM@还易于实现多用户接收机的分集技术，并且运用多用户检测技术有助于通过消除干扰来提高系统容量。
OFDM技术的应用可以追溯到20世纪60年代，R．W．Chang在关于将带限信号综合用于多信道传输的论文1221提出了一种在线性带限信道上同时传输多路信息的传输方法，能同时避免子载波间干扰ICI和符号间干扰ISI。1967年，B．R．Saltzberg对Chang提出的方法进行了性能分析，并且得出很重要的结论，即在并行传输系统中，相邻信道间的串扰将是信道畸变的主要原因，因此系统设计的重点应在于尽量减少相邻信道间的串扰，而不是完善每一个单独的信道。
在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，并且在相关接收时各副载波需要准确地同步，因此当子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。一个简单有效的实现OFDM技术的方法是在1971年由Weinstei和Ebert提出，使用离散傅立叶变换(DFT，Discrete FourierTransformation)来实现OFDM基带系统中的调制和解词功能，从而省去了正弦信号发生器。DFT的引入使OFDM系统便于使用目前的数字信号处理硬件来实现。另外，为了抵抗ISI和ICI，在符号间加入了保护间隔(GI。Guard Interval)。另一个重要的贡献是在1980年Peled和Ruiz使用循环前缀(CP，Cyclic Prefix)或循环后缀来解决子载波间的正交性，而不是使用空的保护间隔，他们把OFDM符号的循环扩展添加到保护间隔中，有效地将信道与传送符号之问的线性卷积近似成循环卷积。在这种方法中，当CP比信道的脉冲响应长时，能很好地保持子载波正交性和解决符号间干扰问题。只要保护间隔大于信道的最大脉冲响应，即使在色散信道上也能获得较好的正交性。进入90年代以后，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输，它作为一种宽带无线传输技术的优势很突出而且可以利用新技术去弥补0FDM的固有缺点，因而被广泛的应用于民用通信系统中。近年来，由于数字信号处理技术的飞速发展，OFDM技术作为有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，更加引起了广泛的关注。
自从20世纪80年代以来，OFDM技术被越来越多地使用于各种国际标准。如非对称数字用户环路ADSL和高速数字用户环路HDSL，它们使用0FDM技术可以有效地消除符号间干扰。在ADSL中，OFDM被当作离散多音调制(DMT，Discrete Multitone)来使用，成功地应用于有线环境中。ADSL将原先电话线路0Hz到1．1MHZ频段划分成256个频宽为4．3kHz的子频带，使下行信号达到8Mbps，上行信号达到lMbps，1995年，欧洲电信标准协会制定了数字音频广(DAB Digital Audio Broad-casting)标准，DAB是在AM和FM的模拟广播的基础上发展起来的，它可以提供与CD相媲美的话音质量，以及新型的数据服务。紧跟着是1997年数字视频广播(DVB，Digital Video Broadcasting)标准采用的编码正交频分复用调制。在1998年7月，IEEES02．1la标准决定选择OFDM技术作为其无线局域网(WLAN．Wireless Local AreaNetwork)5GHz波段的物理层接入方案。这是OFDM技术第一次被运用于分组业务通信中。此后，日本的多媒体移动接入推进协议会(MMAC．MobileMultimedia Access communications)，欧洲的宽带射频接入网(BRAN。Broad Radio Access Network)的局域网标准都使用OFDM作为标准调制技术。
1999年12月，包括Ericsson,Nokia和Wi．LAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛，致力策划一个基于OFDM技术的全球性统一标准。2000年11月，OFDM论坛的固定无线接入工作组IEEE802．16．3的无线城域网委员会提交了一份建议书，提议采用OFDM技术作IEEE802．16．3城域网的物理层标准，随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域得到越来越广泛的应用，它也成为3G以后移动通信的主流技术。此外，OFDM还易于结合时空编码、分集、干扰抑制以及智能天线等技术。最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配等技术，其性能可以进一步得到提高。

(二)、无线局域网技术的发展现状
第一代移动通信系统出现于20世纪80年代初，主要包括模拟蜂窝和无绳电话系统，其最重要的特点体现在移动性上，这是其他任何通信方式和系统不可替代的，从而结束了过去无线通信发展过程中，无线通信时常被其他通信手段替代而处于辅助地位的历史。第一代移动通信的特点是模拟频率调制(FM)、频分双工(FDD)、频分多址(FDMA)以及基于电路的交换技术。蜂窝技术的使用解决了频率复用问题，尽管第一代移动通信FDMA方式在小区内的频率利用率还不高，而且当时移动通信终端的成本很贵，但其发展速度已超出人们的预期。由于各国在开发第一代移动通信系统时只考虑了本国当时可用的频率资源，彼此的频率并不协调，标准不统一。
第一代移动通信系统对移动通信做出的最大贡献是：使用蜂窝结构，从而使得频带可重复利用，实现了大区域的覆盖；支持移动终端的漫游和越区切换，实现移动环境下不间断通信。
第一代移动通信系统得到迅猛发展的原因，除了用户要求迅速增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到迅速发展，使得通信设备能够小型化、微型化：其次，提出并且形成了移动通信新体制，即贝尔实验室在70年代提出的蜂窝网的概念：再次，随着大规模集成电路的发展，微处理器技术日趋成熟，计算机技术迅猛发展。
频谱是不可再生的资源，是移动通信赖以生存的基础，因此在第一代移动通信投入商用后的几年，以提高频谱利用率为目标的第二代移动通信系统的研究逐步展开了。这些系统采用了更先进的数字技术，使得通信质量、传输效率和系统容量都有了很大提高。第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。
1982年北欧Nordic电信和荷兰邮电向欧洲邮电会议(CEPT)提议开发新的数字蜂窝移动通信标准以满足欧洲移动网的需要，CEPT成立了移动通信特别研究组开发泛欧公共陆地移动通信系统，并提出了高频谱利用率、低成本、手持终端和全球漫游等要求。1987年，GSM选定基于时分多址(TDMA)的无线传输技术。随后几年欧洲电信标准组织(ETSI)完成了GSM 900MHz和1800MHz(DCS)的规范，1992年世界上第一个GSM网在芬兰投入运营。与此同时日本、美国也在开发数字移动
通信系统。日本1989年开发出PDC系统，1991年被确定为日本标准，该系统使用TDMA技术，工作在800MHz和1．5GHz之间，1994年实现商用。美国1991年开发出IS．54、IS．136(DAMPS)系统，也使用TDMA技术。它们的主要区别是载频间隔和每帧时隙数，相同的特征是低比特率话音编码，射频为GMSK或QPSK数字调制，双工方式仍为FDD，它们统称为第二代移动通信系统，它们的出现离第一代移动系统整整相隔10年。
随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求。ITU TG8／1早在1985年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为FPLMTS(未来公共陆地移动通信系统)，后在1996年更名为IMT．2000(Intemational Mobile Telecommunications 2000)。第三代移动通信系统的目标是：
1、世界范围内设计上的高度一致性；
2、与固定网络各种业务的相互兼容，支持多媒体功能及广泛业务的终端；
3、高服务质量；
4、具有全球漫游能力。
为了实现上述目标，对第三代无线传输技术提出了支持高速多媒体业务、比现有系统有更高的频谱效率等基本要求。第三代移动通信的三大标准是WCDMA，CDMA2000还有TD．SCDMA。WCDMA全名是Widebmad CDMA，在高速移动的状态下，可提供3 84Kbps的传输速率；在低速或是室内环境下，可提供高达2Mbps的传输速率。而GSM系统目前的传输速率是9．6Kbps，固定线路Modem也只是56Kbps。
CDMA2000由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和韩国三星参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从CDMA One数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMA One结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W．CDMA多。不过CDMA2000的研发却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机己经率先问世。我国提出了TD-SCDMA RTT建议，这是对第三代移动通信做出的贡献。TD—SCDMA技术具有较高的频谱利用率，且成本较低。达到高性能和低成本的主要原因是TD．SCDMA使用了如下主要技术：
1、智能天线技术极大的降低了多址干扰，提高了系统容量和接收灵    敏度，降低了发射功率和无线基站成本；
2、上行同步技术简化了基站硬件，降低基站成本；
3、软件无线电技术使系统可以灵活地使用新技术，也降低了产品开 发周期和成本。
虽然第三代移动通信系统的最高数据速率己经达到了2Mbps，但仍然不能满足多媒体通信的要求，并且由于各标准之间不兼容，不能实现网间的互通，所以第四代移动通信系统的研究提上了议事日程。第四代移动通信系统的研究起源于本世纪初，它具有以下技术特点：
1、建立在新的频段上，分组数据的传输速率在50Mbps以上，能够承载大量的多媒体信息，具有非对称的上传下传链路；
2、实现真正全球统一的，基于全新网络体制的通信系统，能够使得各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝"连接；
3、采用多天线等技术使得通信质量，抗干扰性能得到很大的提升，真正满足人们对移动性、稳定性的要求，实现无障碍通信；
4、将数字通信、数字音频、数字视频和因特网接入融合在一起。
第四代移动通信系统要求有更高的数据传输速率、更好的传输质量且同时能很好地克服多径衰落、消除高速数据传输时严重的符号间干扰并大大提高频谱利用率，正交频分复用OFDM技术作为一种强有力的数字调制方式，以其突出的优点成为4G移动通信系统的核心技术。

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