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韶关学院专业核心技能训练（论文） 通信电源的维护11115032028黄国兴 计算机科学学院11通信工程2班题 目学 号学生姓名学 院专业班级OFDM技术在网络技术中的应用摘 要:OFDM技术是一种高频带利用率的多载波调制技术,它在提高频带利用率的同时,也能有效地抵抗字符间干扰。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。在OFDM系统中引入了正交的子载波,使得它的频带利用率比以前任何一种调制技术都要高,第四代移动通信系统计划OFDM为技术核心提供增值服务,它在宽带领域有很大的潜力。关键词:正交频分复用系统; 多载波调制; 正交子载波调制; 干扰；网络OFDM系统的英文全称为Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing ,即正交频分复用系统。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术,它能够同时满足高速和抗干扰两方面的要求，因此常常会被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。一、OFDM的优缺点及其发展趋势概述OFDM（正交频分复用技术）是一种无线环境下的高速传输技术。众所周知，无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定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，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。另一方面，OFDM技术也存在缺陷：对频率偏移和相位噪声很敏感；峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的效率。OFDM具有如下的优势 :(1) 能够实现高速数据传输 ;(2) OFDM 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的变化 ;(3) 可以自动地检测到哪一个特定的子载波存 在高的信号衰减或干扰脉冲 ,然后采取合适的调制措施避免使用这些子载波 ,实现成功通信 ;(4) 特别适合用于高层建筑物 ,居民密集和地 理上突出 ,信号撒播以及需要删除多径影响 (例如高 速的数据传输及播音) 的地方 ;(5) 允许子载波间相互重叠 ,从而提高了频带 的利用率 ;(6) 可以有效抵抗频率选择性衰减 ,用信道编 码和 interleaving 可以恢复由于频率选择性衰减而丢失的信号 ;(7) 几乎不需要均衡技术 ,简化了系统的结构 ; (8) 用 FFT 技术简化了计算 ;(9) 有效抵抗 ICI 和 impulsive parasitic noise 。 OFDM在各个领域已经得到了广泛应用。 在数字广播电视系统中，数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM标准的。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中就包括OFDM技术，在无线局域网中，OFDM等技术开始得到应用，以提升WLAN的性能。80211n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。 值得注意的是，为满足未来无线多媒体通信需求，人们在加紧实现3G系统商业化的同时，开始了B3G的研究。从技术方面看，3G主要以CDMA技术为核心技术，而未来移动通信系统则以OFDM技术最受关注。在宽带接入系统中，由于OFDM系统具备良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。 二、OFDM的基本工作原理及其结构框图OFDM 的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的载波上，每个载波上的调制速率很低（1/N），调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效地保护。 OFDM对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽则多经效应使信号的某些频率分量增强，某些频率分量减弱（频率选择性衰落）OFDM 的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据可以通过频率分量增强部分的接收的数据得以恢复即实现频率分集。OFDM克服了FDMA和TDMA的大多数问题。OFDM 把可用信道分成许多个窄带信号（一般为1008000）。每个信道的载波都保持正交，由于它们之间可以非常接近，甚至频谱1/2交叠，却不需要像FDMA那样多余的开销，也不存在TDMA那样的多用户之间的切换开销。图1 OFDM系统框图（一）OFDM的调制原理OFDM的调制原理,见图13。速率为Rbbit/s的串行比特流,经过数据编码器,每log2M个比特被映射为一个符号(M为符号空间的符号个数),从而产生速率为Rs=Rb/log2M符号/s的串行符号流,符号周期Ts=1/Rs(单位s)。将这些串行符号串并变换为N路并行符号,每一个符号调制N个正交子载波中的一个,N个调制后的子载波相加,再进行传输,然后再读入N个符号,重复以上过程。每N个子载波和被称为一个OFDM符号(宽带信道被划分成N个窄带子信道)。OFDM符号的周期Tofdm=NTs,但是因为共有N个串行速率为Rs/N的子信道并行传输,故总数据速率不变。图2 OFDM系统发送端的调制部分各子载波间的正交性是通过适当选取f0以及子载波间隔实现的,取子载波间隔f=1/NTs,以及f0=k/NTs(其中k为大于或等于零的整数,一般取零),fn=f0+nf,则各子载波间在一个OFDM符号周期内可保持正交。OFDM系统接收端的解调部分如图2所示,OFDM符号经过混频器/积分器组进行解调和判。图3 OFDM系统接收端的调制部分（二）OFDM 的调制技术OFDM系统的各个子载波可以根据信道的条件来 使用 不 同 的 调 制 , 例 如 BPSK , QPSK , 8PSK , 6QAM ,64QAM 等等 ,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为准则 。选择满足一定误码率的最佳调制方式以获得最大频谱效率 。多径信道的频率选择性衰减会导致 接收信号功率大幅下降 ,达到 30dB 之多 ,信噪比也大幅下降 ,使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频 谱利用率 。三、OFDM在以下各领域的应用 随着移动通信的蓬勃发展,全球无线通信呈现出移动化、宽带化和IP 化的趋势,移动通信行业竞争日趋激烈。为了和WiMAX ,Wi2Fi 等新兴的无线宽带技术竞争,提高3G在新兴宽带无线接入市场的竞争力,3GPP 开始了UMTS 技术的长期演进(LongTerm Evolution ,LTE) 技术的研究,以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPP 长期演进项目是关于UTRA和UTRAN 改进的项目,是近两年来3GPP 启动的最大的新技术研发项目,它的目标是更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围,以及较低的成本。(1) 支持1. 25MHz20MHz 的带宽配置,并且支持对称和不对称的频谱分配。(2) 提高小区边缘的比特率,增强3GPP LTE 系统的覆盖性能。 (3) 系统性能方面3 : 实现峰值数据率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行链路频谱效率(bitPsPHzPsite) 达到3GPP R6 中HSDPA 的34倍,上行链路频谱效率为HSUPA 的23 倍。 (4) 取消电路交换,采用基于全分组的包交换。(5) 支持与现有3GPP 和非3GPP 系统的互操作且追求后向兼容。（一）OFDM在无线通信网路中的应用WiMAX宽带技术发展十分迅速，已经以OFDMAWMAN TDD的名义被国际电信联盟（ITU）批准成为移动设备的全球标准之一，将可能成为3G高速无线网络接入的首选技术。移动W i M A X的空中接口标准是IEEE 802.16e-2005，采用OFDM技术，增加了数据传输速率和网络吞吐量工作在低于6G H z适宜于移动性的许可频段，使终端能够在不同基站间进行切换和漫游。 O F D M作为W i M A X物理层技术，主要有两种实现方式：O F DM物理层和O F D MA物理层。O F D M物理层采用256载波的O F D M调制方式（正交频分多路复用）。正交载波集为单一用户并行传输数据流，上行链路采用T D M A多址方式，下行采用T D M复用方式。O F D M A物理层采用O F D M A（正交频分多址接入），可以支持2048点、1024点、512点、128点的F F T点数，以适应不同地理区域从20M H z到1.25M H z的不同载波带宽的需要。这种接口通过给每个接收机分配载波子集提供多路访问。O F D M调制技术提供了灵活的子载波分配调度能力，从而可以充分利用宽带多载波传输技术的频率选择特性。O F D M A支持子信道化。在下行中，一个子信道可以指定给不同的接收机；上行中，一个发信机可分配一个或多个子信道，多个发信机可同时发射。对于每一个子信道，编码和调制是独立自适应的，以便在更小的范围内优化信道（而不是在整个信道范围内优化）。组成一个子信道的多个子载波可以相邻也可以不相邻。协议规定了两种基本的子载波分配方式：集中式和分布式，如图2所示。集中式即将若干连续子载波分配给一个子信道，这种方式下系统可以通过频率选择性调度充分利用多用户之间的分集增益。集中方式也可以降低信道估计的难度，但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个信道，各用户的子载波交替排列，从而可以通过离散的频率选择性调度充分利用频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。在进行实际系统设计时，应在这两种方式中进行灵活选择。未来蜂窝移动通信将以数据和多媒体通信为主对数据速率的要求会越来越高，带宽的需求越来越大，对时延要求也越来越苛刻，并将以互联网作为承载网络，以IP协议为基础进行通信等等。这就需要一些关键技术的支持，如为了达到高速传输以及满足高QoS，必须提高频谱利用率、增强抗码间干扰能力，增强信号抗衰落能力，降低用户间的干扰等。这就需要OFDM作为物理层的调制技术。3G为了应对其他无线通信标准的竞争，在演进过程中发生了革命性转变，将以O F D M技术替代3G的核心技术CDMA。3GPP LTE多址接入的下行链路将选用OFDMA技术。OFDMA技术的PAPR较高，对放大器的线性度要求就会很高，从而会增大U E的功耗和功放成本，降低U E的功率利用率，并会减小上行的有效覆盖范围，所以在上行链路中采用了具有较低峰均比的SC-FDMA技术。DFT-S-OFDM是SC-FDMA的频域产生方式。这种技术是在O F D M的I F F T调制之前对信号进行DFT扩展，不同终端通过调整DFT与IFFT之间的子载波映射规则调制到上行的不同频率资源块上， 在IFFT后面加入CP以实现上行用户之间的正交性和降低接收端的频域均衡复杂度。这样系统发射的是时域信号，在某一时刻只发送一个符号，类似单载波技术，发送信号的波形幅度较小，具有较低的峰均比，并且其峰均比对放大器的影响将只取决于调制技术，从而降低了终端对功率放大器的要求。D F T-S-O F D M子载波分配具有两种模式： 分布式与集中式。在3G P P2 U M B中，上行链路O F D M技术峰均比问题通过预编码等方式解决，其上下行链路均采用OFDMA，同时在反向链路保留了CDMA数据信道，用于传输突发的低速率、对时延敏感的反向。（二）OFDM在移动通信网络中的应用OFDM应用于移动通信,主要是指与各种多址方式的结合。目前,引起广泛研究兴趣的是OFDM与DS-CDMA的结合,其基本动机是利用OFDM和CDMA各自的优点,构造一种高速传输的有效方式。它们相结合的方式主要有3种:MC-CDMA、MC-DS-CDMA以及MT-CDMA,统称为多载波CDMA。其中第1种属于频域扩频,它将一个扩频序列的各个码片分配到不同的子载波上传输,从而可以获得明显的频率分集。而后2种都是时域扩频,它们的每一个子载波上传输的都是一路DS-CDMA信号,即当子载波数为1时,它们都退变为普通DS-CDMA。下面分别讨论这3种方式。MC-CDMA发射机在频域使用给定的扩频序列将原始数据在不同的子载波上进行扩频。采用BPSK调制的发射机结构及在子载波数Nc=4和处理增益GMC=4=Nc时的功率谱示意图。时域扩频(DS-CDMA)是各个码片分时占有同一段被展宽了的频谱,而频域扩频则是各个码片在不同的频段上占有同一段时间。若采用普通的FDM则后者所占的总带宽约等于前者,而用OFDM则使后者的频带利用率提高近一倍,从而仅用前者一半的带宽就能实现相同的扩频增益。(三)高清晰度电视(HDTV)由于现有的专用DSP芯片最快可以在100s内完成1024点FFT，这正好能满足8MHz带宽以内视频传输的需要，从而为应用于视频业务提供了可能。目前，欧洲已把OFDM作为发展地面数字电视的基础;日本也将它用于发展便携电视和安装在旅游车、出租车上的车载电视。（四）HFC网HFC(Hybrid Fiber Cable)是一种光纤/同轴混合网。近来，OFDM被应用到有线电视网中，在干线上采用光纤传输，而用户分配网络仍然使用同轴电缆。这种光电混合传输方式，提高了图像质量，并且可以传到很远的地方，扩大了有线电视的使用范围。随着蜂窝移动通信、宽带无线接入技术、多媒体技术的迅速发展，简单的语音业务、低速数据业务已经不能满足人们的需求，电信运营商需要开发出更多新的增值业务来吸引与保留顾客，如多媒体彩信、LBS(位置业务)、游戏、移动视频、电视业务等。由于单载波技术存在严重的ISI并且均衡实现复