OFDM技术在4G移动通信系统中的应用

摘要：在现代4G移动通信系统中，OFDM技术作为重要的物理传输技术在其中发挥了关键作用。在此背景下，本文首先介绍了OFDM技术及该技术的核心优势，详细描述了OFDM技术在4G通信中的应用，其中包括信道估计、同步及同步误差分析、多址技术等技术关键难题。最后，分析了OFDM技术在4G通信应用过程中需要克服的技术难点。

关键词：OFDM技术；4G移动通信；物理传输技术；信道估计

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编號：1007-9416（2017）07-0042-02

随着近代社会市场和经济的高速发展，对于移动通信需求越来越高。同时，通信技术的发展也使得其方式变化多样。随着有线通信、无线通信发展到现今的光纤通信，通信速率的需求不断增长。三代移动通信技术逐渐被日益开发成熟的第四代移动通信技术所取代。特别是使用光纤通信的第四代移动通信技术，具有数据、图像通信的优势，室内通信速率高达100Mb/s，在数据通信速率上拥有显著提升。然而，这样的高速通信状况下将会出现严重的通信符号间的干扰现象，使得第四代移动通信技术出现了技术障碍。

近年来，OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术由于能够在高速通信的情况下，有效抵消信号波形间干扰并能保证通信的稳定、高效，从而引起了各国通信技术研究人员的广泛关注。因此，通信技术领域中开始大量研究和开发如何将OFDM技术应用在移动通信中。这种突破性的通信技术即OFDM技术将成为今后的主流移动通信技术。

1 OFDM技术

OFDM技术又被称为正交频分复用技术，是多载波调制技术的一类分支技术。它是一种能够显著提高载波频谱利用率并使每个载波能相互正交，稳定、高效地在无线环境下进行高速通信传输的技术[1]。OFDM技术的核心是将频域中的信道变为各个正交子的信道，通过子载波对各子信道调制。同时，由于每个子载波是采用的并行传输，所以移动通信系统中的上、下行链路都将同时接收多种调制，极大地提高了载波频谱的利用率并能使各个载波之间具有正交性，保证移动通信过程中无失真。目前，针对4G移动通信系统的开发，使用了OFDM技术，并在信道估计、同步及同步误差、与多址技术的结合、编码技术等技术层面做出了重大的突破[2]。OFDM技术在无线移动通信系统中得到了广泛的应用。其结构如图1所示。

2 OFDM技术的优势

OFDM之所被广泛地应用于移动通信系统中，是其拥有众多的技术优点。特别是在4G移动通信系统中的应用，作为重要的技术它具有下面这些优势[3]：

（1）受宽带带宽影响较小，OFDM技术具有高效的数据通信能力，在带宽较窄的情况下依然能够进行大规模数据的通信。正式其高效、大规模通信的特点，使其在欧洲、亚洲的通信运营商中受到广泛的青睐；

（2）OFDM技术能显著提升通信过程中的信道利用率，使得有限的载波频谱资源得到了充分的利用，各个载波之间具有正交性；

（3）OFDM技术能够适应变化的移动通信环境，抵抗移动通信环境的变化冲击。OFDM技术能够动态适应信道数据传输能力的改变。特别是在高层建筑、人口集中地区等复杂环境下，OFDM技术能够保证数据通信过程的稳定抵消影响。

3 OFDM技术在4G中应用的关键技术

现如今，移动通信系统中4G移动通信是个人通信的主要形式，并随着人类社会的信息需求日趋发展。其日趋成熟的发展是离不开OFDM这一关键技术在4G移动通信中应用的。

3.1 信道估计

OFDM技术的核心技术之一就是信道估计。信道估计是指在移动数据通信过程中，将信道模型参数进行模拟预估。其中，OFDM技术的信道估计有参数化、非参数化信道估计，以及基于时间、频率特性的信道估计等众多方式。无线通信的一项重要性能指标就是能否准确获取详细的信道信息，所以信道估计具有极大的研究意义。OFDM技术的核心就是基于信道估计，分配信道使每个子载波采用的并行传输，各载波之间正交。

由于在无线通信中信道具有随机性接收时会产生失真现象，需要信道估计进行信号的调制，获取实际需求的信号。信道估计中对信道模型参数的估计是通过部分特定参数获取信道的信息。通常的信道估计是在非自适应的环境中进行的。但实际过程中变化的移动通信环境下时域变化快速，此时使用自适应信道估计才能有效应对该通信环境。

3.2 同步及同步误差

现代移动通信系统中，同步机制作为数据传输的核心机制。其主要原因是该机制是直接影响数据信号的实时传输，决定数据双方的正常通信。信号通信过程中，首先，将发送的数字信号经数模转换后变为模拟信号进行无线传输。随后，接收端在接收到发送的模拟信号后，经模数转换后变为数字信号。最后，对得到的数字信号进行调制完成通信过程。

因此，整个过程中涉及到时域和频域的同步。同步过程中又将产生符号定时同步误差、截波频率同步误差、采样时钟同步误差这三种同步误差，由于篇幅限制此次不详细阐述这三种误差。

3.3 OFDM和多址技术的结合

现代移动通信系统，特别是支持多用户同事进行数据传输时，要保证系统通信的稳定性、可靠性、灵活性，就需要合理的多址技术。因此，OFDM技术和多址技术的结合顺理成章。OFDM技术与多址技术结合，形成结合了CDMA、TDMA、FDMA等机制的系统。

3.4 MIMO和OFDM的结合

MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）技术，是一种具有多发射多接收天线提高通信质量的移动通信技术。现如今，由于半导体技术的突破性发展，移动通信系统中多天线结构将成为主流，因而具有良好移动通信以及优秀信道建模特点的MIMO技术与OFDM相结合应用于移动通信。现代社会对于移动通信系统的数据传输速度、质量需求标准越来越高，同时无线移动通信中的MIMO信道是实时变化的、非平稳的系统。因而越来越多的研究中将MIMO技术和OFDM技术相结合，来满足移动通信的需求，这样结合的系统既具备OFDM技术的稳定性又能降低MIMO技术时域运行的繁复程度。

4 需要克服的缺陷

OFDM技术有众多优点，但仍存在一些缺陷有待克服。首先，OFDM系统对于频率偏差较为敏感，受其影响较大。通信中子信道之间相互覆盖，需要子信道间有严格的正交性。但通信是实时变化地，因而容易导致频率偏移、通信系统中信号相互干扰。其次，OFMD技术的峰值平均功率比非常高。与传统通信机制相比，OFMD技术调制输出叠加的多子信道信号，叠加信号将导致功率瞬时增大，破坏子信道通信的正交性，严重时将影响移动通信的功能。

5 结语

OFDM技术由于其稳定、高效的通信机制，被广泛应用于4G移动通信中。同时，其受宽带带宽影响较小、能够进行大规模数据通信以及能够适应变化的移动通信环境，抵抗移动通信环境的变化冲击的优点得到广泛应用。然而将其运用到系统工程中还有诸多问题，但即使如此，发展应用了OFMD技术的4G移动通信系统势在必行。

参考文献

[1]王智，杜韵乔，姚玉坤.4G通信系统中OFDM技术的分析[J].计算机与数字工程，2007，35（12）：140-143.

[2]张建华，蔡鹏，苏苓，等.OFDM--4G核心的物理传输技术[J].移动通信，2005，29（2）：89-92.

[3]李利，易丹，谈振辉，等.OFDM：4G中的OFDM关键技术[J].辽宁工业大学学报（自然科学版）， 2013，23（6）：4-6.

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