信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn) 研究所 沈嘉
近幾年來，在新一代寬帶無線通信系統(tǒng)中，OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)已經(jīng)取代單載波擴(kuò)頻技術(shù)（如CDMA），成為主流的基本發(fā)送技術(shù)。較早采用OFDM技術(shù)的包括DAB（數(shù)字廣播）和DVB（數(shù)字電視）。隨后，寬帶無線接入系統(tǒng)IEEE 802.11g/a/n、802.16d/e、802.20（標(biāo)準(zhǔn)正在制定當(dāng)中）也以O(shè)FDM/OFDMA技術(shù)為基礎(chǔ)。另外，目前正在標(biāo)準(zhǔn)化的3GPP LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）和3GPP2 AIE（空中接口演進(jìn)）技術(shù)也很可能選用OFDM及其改進(jìn)型（下行OFDM、上行DFT-S-OFDM）作為基本多址技術(shù)。連近距離通信UWB技術(shù)的兩個(gè)備選方案之一也采用了MB（多載波）-OFDM。預(yù)計(jì)未來的B3G技術(shù)也將基于OFDM?？傊?，目前無線通信領(lǐng)域所有的新興技術(shù)幾乎都以O(shè)FDM為核心。
OFDM的技術(shù)原理 FDM/FDMA（頻分復(fù)用/多址）技術(shù)其實(shí)是傳統(tǒng)的技術(shù)，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進(jìn)行并行發(fā)送是最樸素的實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒?。但是為了避免各子載波之間的干擾，不得不在相鄰的子載波之間保留較大的間隔（如圖1（a）所示），這大大降低了頻譜效率。因此，頻譜效率更高的TDM/TDMA（時(shí)分復(fù)用/多址）和CDM/CDMA技術(shù)成為了無線通信的核心傳輸技術(shù)。但近幾年，由于數(shù)字調(diào)制技術(shù)FFT（快速傅麗葉變換）的發(fā)展，使FDM技術(shù)有了革命性的變化。FFT允許將FDM的各個(gè)子載波重疊排列，同時(shí)保持子載波之間的正交性（以避免子載波之間干擾）。如圖1（b）所示，部分重疊的子載波排列可以大大提高頻譜效率，因?yàn)橄嗤膸拑?nèi)可以容納更多的子載波。
OFDM技術(shù)優(yōu)勢(shì) OFDM技術(shù)之所以有代替CDMA，成為新一代無線通信核心技術(shù)的趨勢(shì)，是因?yàn)樗哂腥缦碌膬?yōu)點(diǎn):
?。?） 頻譜效率高
由于FFT處理使各子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限。以O(shè)FDM為基礎(chǔ)的多址技術(shù)OFDMA（正交頻分多址）可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)各用戶之間的正交性，從而有效避免用戶間干擾。這使OFDM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很高的小區(qū)容量。
（2） 帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)
由于OFDM系統(tǒng)的信號(hào)帶寬取決于使用的子載波的數(shù)量，因此OFDM系統(tǒng)具有很好的帶寬擴(kuò)展性。小到幾百KHz，大到幾百M(fèi)Hz，都比較容易實(shí)現(xiàn)。尤其是隨著移動(dòng)通信寬帶化（將由≤5MHz增加到最大20MHz以上），OFDM系統(tǒng)對(duì)大帶寬的有效支持，成為其相對(duì)于單載波技術(shù)（如CDMA）的“決定性優(yōu)勢(shì)”。
（3） 抗多徑衰落
由于OFDM將寬帶傳輸轉(zhuǎn)化為很多子載波上的窄帶傳輸，每個(gè)子載波上的信道可以看作水平衰落信道，從而大大降低了接收機(jī)均衡器的復(fù)雜度。相反，單載波信號(hào)的多徑均衡的復(fù)雜度隨著帶寬的增大而急劇增加，很難支持較大的帶寬（如20MHz以上）。
?。?） 頻譜資源靈活分配
OFDM系統(tǒng)可以通過靈活的選擇適合的子載波進(jìn)行傳輸，來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的頻域資源分配，從而充分利用頻率分集和多用戶分集，以獲得最佳的系統(tǒng)性能。
?。?） 實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡(jiǎn)單
由于每個(gè)OFDM子載波內(nèi)的信道可看作水平衰落信道，多天線（MIMO）系統(tǒng)帶來的額外復(fù)雜度可以控制在較低的水平（隨天線數(shù)量呈線性增加）。相反，單載波MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜度與天線數(shù)量和多徑數(shù)量的乘積的冪成正比，很不利于MIMO技術(shù)的應(yīng)用。
OFDM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題 雖然基于上述優(yōu)點(diǎn)，OFDM已成為新一代無線通信最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，但這種技術(shù)也存在一些內(nèi)在的局限和設(shè)計(jì)中必須注意的問題:
PAPR問題
當(dāng)獨(dú)立調(diào)制的很多子載波連貫在一起使用時(shí)，OFDM符號(hào)就有非常高的峰平比（PAPR）。高的PAPR帶來了諸多不利因素，如增加模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度、降低RF功率放大器的效率，增加發(fā)射機(jī)功放的成本和耗電量，不利于在上行鏈路實(shí)現(xiàn)（終端成本和耗電量受到限制）。為了降低OFDM的PAPR，目前已經(jīng)提出了好幾種技術(shù)，它們大體上分為三類:
● 信號(hào)預(yù)失真技術(shù)
● 編碼技術(shù)
● 加擾技術(shù)
均衡和同步
OFDM調(diào)制的一個(gè)主要缺點(diǎn)是受同步誤差的影響較大，尤其是對(duì)載波頻率同步誤差很敏感。
時(shí)間偏移會(huì)導(dǎo)致OFDM子載波的相位偏移，尤其在頻帶邊緣相位偏移最大。但由于OFDM系統(tǒng)使用了CP，對(duì)時(shí)間同步要求在一定程度上可以放松。假如同步誤差和多徑擴(kuò)展造成的時(shí)間誤差小于CP，系統(tǒng)就能維持子載波間的正交性。然而，如果時(shí)間偏移大于CP，就會(huì)導(dǎo)致載波間干擾（ICI）和符號(hào)間干擾（ISI）。在有些環(huán)境下，OFDM符號(hào)的CP太短而不能完全避免ISI。CP的長(zhǎng)度是由所要求的系統(tǒng)容量、信道相關(guān)時(shí)間和FFT復(fù)雜度（限制著OFDM符號(hào)周期）共同確定的，使用短的CP，允許有限的ISI，有利于實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量。
雖然插入CP降低了OFDM對(duì)時(shí)間同步精度的要求，但由于子載波寬度較小，對(duì)頻偏較敏感，所以O(shè)FDM系統(tǒng)需要保持嚴(yán)格的頻率同步，以確保子載波之間的正交性。
OFDM接收機(jī)可以對(duì)OFDM子載波經(jīng)過平坦性衰落信道后的失真進(jìn)行補(bǔ)償，從而抑制ISI和ICI。這個(gè)操作可以在每個(gè)子載波進(jìn)行FFT后設(shè)置單抽頭的均衡器來實(shí)現(xiàn)，也即在頻域進(jìn)行均衡。均衡是進(jìn)行信道補(bǔ)償、抑制ICI和ISI的有效方法。只要信道時(shí)延擴(kuò)展小于OFDM符號(hào)保護(hù)間隔，系統(tǒng)就可以使用簡(jiǎn)單的均衡抑制ISI，而防止性能下降。然而在進(jìn)行高數(shù)據(jù)率傳輸和信道時(shí)延擴(kuò)展較大時(shí)，必須使用更復(fù)雜的判決反饋均衡器（DFE）。
參數(shù)的設(shè)計(jì) 從上面對(duì)OFDM系統(tǒng)的討論我們可以總結(jié)出，一個(gè)好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須可以避免ISI和ICI，或者至少將他們抑制到可接受的程度。也就是說，要選擇一個(gè)足夠的CP以防止由頻率選擇性衰落而引起的ISI和ICI，同時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)腛FDM符號(hào)長(zhǎng)度，使信道沖激響應(yīng)（CIR）至少在一個(gè)OFDM符號(hào)期間是不變的。
由于OFDM系統(tǒng)對(duì)頻偏和相位噪聲敏感，因此OFDM子載波寬度必須仔細(xì)選定，既不能太大也不能太小。因?yàn)镺FDM符號(hào)周期和子載波帶寬成反比，所以在一定的CP長(zhǎng)度下，子載波寬度越小，則符號(hào)周期越大，頻譜效率也越高（因?yàn)槊總€(gè)OFDM符號(hào)前都要插入一個(gè)CP，CP是系統(tǒng)開銷，不傳輸有效數(shù)據(jù)）。但如果子載波寬度過小，則對(duì)頻偏過于敏感，難以支持高速移動(dòng)的終端。
CP長(zhǎng)度的選擇與無線信道的時(shí)延擴(kuò)展和小區(qū)的半徑大小息息相關(guān)，時(shí)延擴(kuò)展和小區(qū)半徑越大，需要的CP也越長(zhǎng)。另外，在宏分集（Macrodiversity）廣播系統(tǒng)中，由于終端收到各基站同時(shí)發(fā)出的信號(hào)，為了避免由于傳輸延遲差造成的干擾，需要額外加長(zhǎng)CP。
優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)OFDM系統(tǒng)來說是非常重要的，實(shí)際系統(tǒng)需要處理各種不同的環(huán)境（信道參數(shù)很不同）。一個(gè)解決問題的辦法是根據(jù)最差的情況（宏小區(qū)高速移動(dòng)用戶）優(yōu)化參數(shù)，另一個(gè)可選的方法是根據(jù)各種不同的環(huán)境（室內(nèi)、室外、宏小區(qū)、微小區(qū)、微微小區(qū)等）優(yōu)化參數(shù)，但這就需要設(shè)計(jì)高度靈活的收發(fā)信機(jī)。
信道估計(jì)和導(dǎo)頻設(shè)計(jì) OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)，從某種意義上講，比單載波復(fù)雜。需要考慮在獲得較高性能的同時(shí)盡可能減小開銷。因此導(dǎo)頻插入的方式（時(shí)分復(fù)用還是頻分復(fù)用）及導(dǎo)頻的密度都需要認(rèn)真考慮。
?。?）導(dǎo)頻插入方式
導(dǎo)頻插入的方式如圖2所示。
方式（a）: TDM插入方式。導(dǎo)頻在所有子載波上發(fā)送，時(shí)域的最小單元是一個(gè)包含導(dǎo)頻信息的OFDM符號(hào)，系統(tǒng)每隔若干個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)傳送一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)。這種插入方式適用于時(shí)域變化小的信道，如室內(nèi)環(huán)境。
方式（b）: FDM插入方式。導(dǎo)頻信息在時(shí)域上持續(xù)發(fā)送，在頻域上只占用少數(shù)特定的預(yù)留子載波，每隔若干子載波發(fā)送一個(gè)導(dǎo)頻子載波。這種插入方式對(duì)移動(dòng)性的支持較好，但需要在頻域上進(jìn)行內(nèi)插（interpolation）。
方式（c）: 離散（Scattered）插入方式。這種插入方式是FDM和TDM方式的結(jié)合。在頻域上，每隔若干子載波插入一個(gè)導(dǎo)頻子載波。在時(shí)域上，每隔若干個(gè)符號(hào)插入一個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)。這種插入方式可以充分利用頻域和時(shí)域上的相關(guān)性，用盡可能小的導(dǎo)頻開銷，支持高精度的信道估計(jì)，但這種方法需要同時(shí)在頻域和時(shí)域上做內(nèi)插。
不同的導(dǎo)頻插入方式適用于不同的用途（如同步、相位噪聲補(bǔ)償、信道估計(jì)等），例如，采用專用的導(dǎo)頻子載波（即FDM插入方式）適合用于相位補(bǔ)償和載頻的微調(diào); 采用專用的導(dǎo)頻符號(hào)（即TDM插入方式）適合用于信道估計(jì)和時(shí)域/頻域的粗同步; 而離散的導(dǎo)頻插入可同時(shí)用于信道估計(jì)和載頻偏移的微調(diào)，從而有效地減少導(dǎo)頻的開銷。具體采用哪種插入方式，還要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇。
鏈路自適應(yīng) 由于可以在頻域劃分空口資源，AMC（自適應(yīng)調(diào)制和編碼）和功率控制技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中更容易使用。系統(tǒng)可以對(duì)某個(gè)子載波或子載波組獨(dú)立做AMC和功控，不同的子載波（組）可以采用不同的調(diào)制編碼速率和發(fā)射功率，大大增加AMC和功控的靈活性。
另外可以根據(jù)信道的頻率響應(yīng)進(jìn)行頻域調(diào)度，選用信道質(zhì)量較高的子載波（組）進(jìn)行傳輸。鏈路自適應(yīng)如果設(shè)計(jì)的好，可以最大限度地實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)的容量。
控制信息的分布 如何在時(shí)域和頻域插入控制信道，還是比較自由的。圖3給出了一種控制信道插入方式。由于控制信息通常以最低的調(diào)制階數(shù)進(jìn)行調(diào)制，因此控制信息還可以作為額外的導(dǎo)頻符號(hào)來提高信道估計(jì)的性能，并降低導(dǎo)頻的開銷。尤其是對(duì)高階調(diào)制的數(shù)據(jù)的解調(diào)可以起到較大的輔助作用。不過這樣一來，控制信息的位置必須與導(dǎo)頻位置相對(duì)應(yīng)，如果采用分散的導(dǎo)頻插入方式，控制信道也應(yīng)采用分散的插入方式。另外，這種方法要求先解調(diào)/解碼控制信道，再開始數(shù)據(jù)的解調(diào)，因此增加了額外的處理時(shí)延。
上行同步 在上行OFDM系統(tǒng)中，由于要保持各用戶之間的正交性，需要使多個(gè)用戶的信號(hào)在基站“同步接收”，即各用戶的信號(hào)需要同時(shí)到達(dá)基站，誤差在CP之內(nèi)。由于各用戶距基站的距離不同，需要對(duì)各終端的發(fā)射時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，距離較遠(yuǎn)的終端較早發(fā)送，距離較近的終端較晚發(fā)送，這種操作稱為“上行同步”或“時(shí)鐘控制”（Timing Control）。
多小區(qū)多址和干擾抑制 OFDM系統(tǒng)雖然保證了小區(qū)內(nèi)用戶間的正交性，但無法實(shí)現(xiàn)自然的小區(qū)間多址（CDMA則很容易實(shí)現(xiàn)）。如果不采取任何額外設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將面臨嚴(yán)重的小區(qū)間干擾（某些寬帶無線接入系統(tǒng)就因缺乏這方面的考慮而可能為多小區(qū)組網(wǎng)帶來困難）?？赡艿慕鉀Q方案包括: 跳頻OFDMA、加擾、小區(qū)間頻域協(xié)調(diào)、干擾消除等。
OFDM技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn) 隨著OFDM技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了一系列改進(jìn)的OFDM技術(shù)，以解決OFDM本身的一些問題。下面我們對(duì)最主要的幾個(gè)技術(shù)進(jìn)行介紹。首先，OFDM本身不具有多址能力，需要和其他的多址技術(shù)，如TDMA、CDMA、FDMA等結(jié)合實(shí)現(xiàn)多址，包括OFDMA（正交頻分復(fù)用）、MC（多載波）-CDMA、MC-DS（直接序列擴(kuò)頻）-CDMA、VSF-OFCDM（可變擴(kuò)頻因子正交頻碼分復(fù)用）等技術(shù)。DFT-S-OFDM（離散傅麗葉變換擴(kuò)展OFDM）是一種為降低PAPR設(shè)計(jì)的OFDM改進(jìn)技術(shù)。
子信道OFDMA 將OFDM和FDMA技術(shù)結(jié)合形成的OFDMA技術(shù)是最常見的OFDM多址技術(shù)，又分為子信道（Subchannel）OFDMA和跳頻OFDMA。子信道OFDMA即將整個(gè)OFDM系統(tǒng)的帶寬分成若干子信道，每個(gè)子信道包括若干子載波，分配給一個(gè)用戶（也可以一個(gè)用戶占用多個(gè)子信道）。
OFDM子載波可以按兩種方式組合成子信道: 集中式（Locolized）和分布式（Distributed），如圖4所示。集中式即將若干連續(xù)子載波分配給一個(gè)子信道（用戶），這種方式下系統(tǒng)可以通過頻域調(diào)度（scheduling）選擇較優(yōu)的子信道（用戶）進(jìn)行傳輸，從而獲得多用戶分集增益（圖4（a））。另外，集中方式也可以降低信道估計(jì)的難度。但這種方式獲得的頻率分集增益較小，用戶平均性能略差。分布式系統(tǒng)將分配給一個(gè)子信道的子載波分散到整個(gè)帶寬，各子載波的子載波交替排列，從而獲得頻率分集增益（圖4（b））。但這種方式下信道估計(jì)較為復(fù)雜，也無法采用頻域調(diào)度，抗頻偏能力也較差。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在上述兩種方式中靈活進(jìn)行選擇。
跳頻OFDMA 子信道OFDMA對(duì)子信道（用戶）的子載波分配相對(duì)固定，即某個(gè)用戶在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)使用指定的子載波組（這個(gè)時(shí)長(zhǎng)由頻域調(diào)度的周期而定）。這種OFDMA系統(tǒng)足以實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)的多址，但實(shí)現(xiàn)小區(qū)間多址卻有一定的問題。因?yàn)槿绻餍^(qū)根據(jù)本小區(qū)的信道變化情況進(jìn)行調(diào)度，各小區(qū)使用的子載波資源難免沖突，隨之導(dǎo)致小區(qū)間干擾。如果要避免這樣的干擾，則需要在相鄰小區(qū)間進(jìn)行協(xié)調(diào)（聯(lián)合調(diào)度），但這種協(xié)調(diào)可能需要網(wǎng)絡(luò)層的信令交換的支持，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響較大。
另一種選擇就是采用跳頻OFDMA。在這種系統(tǒng)中，分配給一個(gè)用戶的子載波資源快速變化，每個(gè)時(shí)隙，此用戶在所有子載波中抽取若干子載波使用，同一時(shí)隙中，各用戶選用不同的子載波組（如圖5所示）。與基于頻域調(diào)度的子信道化不同，這種子載波的選擇通常不依賴信道條件而定，而是隨機(jī)抽取。在下一個(gè)時(shí)隙，無論信道是否發(fā)生變化，各用戶都跳到另一組子載波發(fā)送，但用戶使用的子載波仍不沖突。跳頻的周期可能比子信道OFDMA的調(diào)度周期短的多，最短可為OFDM符號(hào)長(zhǎng)度。這樣，在小區(qū)內(nèi)部，各用戶仍然正交，并可利用頻域分集增益。在小區(qū)之間不需進(jìn)行協(xié)調(diào)，使用的子載波可能沖突，但快速跳頻機(jī)制可以將這些干擾在時(shí)域和頻域分散開來，即可將干擾白化為噪聲，大大降低干擾的危害。隨著各小區(qū)的負(fù)載的加重，沖突的子載波越來越多，這種“干擾噪聲”也會(huì)積累，使信噪比降低，但在負(fù)載不是很重的系統(tǒng)中，跳頻OFDMA可以簡(jiǎn)單而有效地抑制小區(qū)間干擾。
DFT-S-OFDM
DFT-S-OFDM是基于OFDM的一種改進(jìn)技術(shù)。由于傳統(tǒng)OFDM技術(shù)的PAPR較高，在上行鏈路用戶便攜或手持終端有一定困難。OFDM本身也可以采用一系列降低PAPR的附加技術(shù)，如子載波預(yù)留和削波等。另一種方法是在發(fā)射機(jī)的IFFT處理前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)擴(kuò)展處理，其中最典型的就是用離散傅麗葉變換進(jìn)行擴(kuò)展，這就是DFT-S-OFDM技術(shù)。
如圖6所示，將每個(gè)用戶所使用的子載波進(jìn)行DFT處理，由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，然后將各用戶的頻域信號(hào)輸入到IFFT模塊，這樣各用戶的信號(hào)又一起被轉(zhuǎn)換到時(shí)域并發(fā)送。經(jīng)過這樣的改進(jìn)，我們發(fā)現(xiàn)每個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)由頻域信號(hào)（傳統(tǒng)OFDM）又回到了時(shí)域信號(hào)（和單載波系統(tǒng)相同），這樣PAPR就被大大降低了。由于在這個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)波形類似于單載波，也有人將其看作一種單載波技術(shù)，雖然它是從OFDM技術(shù)演變而來的。
在接收機(jī)端，系統(tǒng)先通過IFFT將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，然后用頻域均衡器對(duì)每個(gè)用戶的信號(hào)進(jìn)行均衡（在發(fā)射機(jī)端須插入CP以實(shí)現(xiàn)頻域均衡），最后通過DFT解擴(kuò)展恢復(fù)用戶數(shù)據(jù)。
