OFDM介绍

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。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，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

OFDM-技术概述及发展史

第四代移动通信系统

被称之为“第四代移动通信技术”，其核心技术为OFDM。正交频分复用

OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是一种无线环境下的高速传输技术。主要是在频域内将所给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，且各个子载波并行传输。OFDM特别适合于存在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高速数据。能有效对抗多径效应，消除ISI，对抗频率选择性衰落，信道利用率高。OFDM可视为一种调变技术及一种多任务技术，为多载波(Multicar-rier)的传送方式。 OFDM由多载波调制(MCM)发展而来。美国军方早在上世纪的50-60年代就创建了世界上第一个MCM系统，在1970年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统。但在以后相当长的一段时间，OFDM迈向实践的脚步放缓。由于OFDM的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制约了OFDM技术的实现。经过大量研究，在20世纪80年代，MCM获得了突破性进展，大规模集成电路促进了FFT技术的实现，OFDM逐步进入高速Modem和数字移动通信的领域。90年代，OFDM开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信，数字音频广播(DAB)、高清晰度数字电视(HDTV)和无线局域网(WLAN)。随着DSP芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、信道自适应技术等成熟技术的应用，OFMD技术的实现和完善指日可待。

OFDM-原理和基本模型

OFDM基带信号处理原理图

正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。近几年OFDM在无线通信领域得到了广泛的应用。 图是OFDM基带信号处理原理图。其中，（a）是发射机工作原理，（b）是接收机工作原理。 当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。

在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。

当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。

OFDM提高频谱效率

FDM/FDMA（频分复用/多址）技术其实是传统的技术，将较宽的频带分成若干较窄的子带（子载波）进行并行发送是最朴素的实现宽带传输的方法。但是为了避免各子载波之间的干扰，不得不在相邻的子载波之间保留较大的间隔（如图（a）所示），这大大降低了频谱效率。

因此，频谱效率更高的TDM/TDMA（时分复用/多址）和CDM/CDMA技术成为了无线通信的核心传输技术。但近几年，由于数字调制技术FFT（快速傅丽叶变换）的发展，使FDM技术有了革命性的变化。FFT允许将FDM的各个子载波重叠排列，同时保持子载波之间的正交性（以避免子载波之间干扰）。如图（b）所示，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率，因为相同的带宽内可以容纳更多的子载波。

OFDM-系统设计

1. 参数的设计

一个好的系统设计必须可以避免ISI和ICI，或者至少将他们抑制到可接受的程度。也就是说，要选择一个足够的CP以防止由频率选择性衰落而引起的ISI和ICI，同时要选择适当的OFDM符号长度，使信道冲激响应（CIR）至少在一个OFDM符号期间是不变的。 由于OFDM系统对频偏和相位噪声敏感，因此OFDM子载波宽度必须仔细选定，既不能太大也不能太小。因为OFDM符号周期和子载波带宽成反比，所以在一定的CP长度下，子载波宽度越小，则符号周期越大，频谱效率也越高（因为每个OFDM符号前都要插入一个CP，CP是系统开销，不传输有效数据）。但如果子载波宽度过小，则对频偏过于敏感，难以支持高速移动的终端。

CP长度的选择与无线信道的时延扩展和小区的半径大小息息相关，时延扩展和小区半径越大，需要的CP也越长。另外，在宏分集（Macrodiversity）广播系统中，由于终端收到各基站同时发出的信号，为了避免由于传输延迟差造成的干扰，需要额外加长CP。 优化设计对OFDM系统来说是非常重要的，实际系统需要处理各种不同的环境（信道参数很不同）。一个解决问题的办法是根据最差的情况（宏小区高速移动用户）优化参数，另一个可选的方法是根据各种不同的环境（室内、室外、宏小区、微小区、微微小区等）优化参数，但这就需要设计高度灵活的收发信机。

2. 信道估计和导频设计

OFDM系统的信道估计，从某种意义上讲，比单载波复杂。需要考虑在获得较高性能的同时尽可能减小开销。因此导频插入的方式（时分复用还是频分复用）及导频的密度都需要认真考虑。

（1）导频插入方式

导频插入方式

方式（a）：TDM插入方式。导频在所有子载波上发送，时域的最小单元是一个包含导频信息的OFDM符号，系统每隔若干个数据符号传送一个导频符号。这种插入方式适用于时域变化小的信道，如室内环境。

方式（b）：FDM插入方式。导频信息在时域上持续发送，在频域上只占用少数特定的预留子载波，每隔若干子载波发送一个导频子载波。这种插入方式对移动性的支持较好，但需要在频域上进行内插（interpolation）。

方式（c）：离散（Scattered）插入方式。这种插入方式是FDM和TDM方式的结合。在频域上，每隔若干子载波插入一个导频子载波。在时域上，每隔若干个符号插入一个导频符号。这种插入方式可以充分利用频域和时域上的相关性，用尽可能小的导频开销，支持高精度的信道估计，但这种方法需要同时在频域和时域上做内插。

不同的导频插入方式适用于不同的用途（如同步、相位噪声补偿、信道估计等），例如，采用专用的导频子载波（即FDM插入方式）适合用于相位补偿和载频的微调；采用专用的导频符号（即TDM插入方式）适合用于信道估计和时域/频域的粗同步; 而离散的导频插入可同时用于信道估计和载频偏移的微调，从而有效地减少导频的开销。具体采用哪种插入方式，还要根据系统的实际需求选择。 3. 链路自适应

由于可以在频域划分空口资源，AMC（自适应调制和编码）和功率控制技术在OFDM系统中更容易使用。系统可以对某个子载波或子载波组独立做AMC和功控，不同的子载波（组）可以采用不同的调制编码速率和发射功率，大大增加AMC和功控的灵活性。

另外可以根据信道的频率响应进行频域调度，选用信道质量较高的子载波（组）进行传输。链路自适应如果设计的好，可以最大限度地实现OFDM系统的容量。 4. 控制信息的分布

OFDM控制信道插入方式

如何在时域和频域插入控制信道，还是比较自由的。图给出了一种控制信道插入方式。由于控制信息通常以最低的调制阶数进行调制，因此控制信息还可以作为额外的导频符号来提高信道估计的性能，并降低导频的开销。尤其是对高阶调制的数据的解调可以起到较大的辅助作用。不过这样一来，控制信息的位置必须与导频位置相对应，如果采用分散的导频插入方式，控制信道也应采用分散的插入方式。另外，这种方法要求先解调/解码控制信道，再开始数据的解调，因此增加了额外的处理时延。 5. 上行同步

在上行OFDM系统中，由于要保持各用户之间的正交性，需要使多个用户的信号在基站“同步接收”，即各用户的信号需要同时到达基站，误差在CP之内。由于各用户距基站的距离

不同，需要对各终端的发射时钟进行调整，距离较远的终端较早发送，距离较近的终端较晚发送，这种操作称为“上行同步”或“时钟控制”（Timing Control）。 6. 多小区多址和干扰抑制

OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间多址（CDMA则很容易实现）。如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰（某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难）。可能的解决方案包括：跳频OFDMA、加扰、小区间频域协调、干扰消除等。

OFDM-硬件结构

OFDM调制解调与常规调制解调相比，所需的运算量大，尤其是当系统选用的子载波个数多时，仅在发射端的IFFT变换和接收端的FFT变换所需的时间就很长。通常使用FPGA和高速的DSP解决该问题。由于在接收端还要完成信号突发检测、同步和频偏校正等数字信号处理，所以接收端对实时性要求更高。在该系统中，使用FPGA完成信号的突发检测和定时，DSP完成FFT/IFFT变换和QAM/QPSK调制解调。

OFDM系统硬件结构

本系统主要由4部分组成：DSP、FPGA、正交数字上变频器

（QuadratureDigitalUpconverter）、正交数字下变频器（Quadrature Digital Downconverter）。系统硬件结构如图2所示。图中，D表示数据总线，A表示地址总线，C表示控制总线， L表示链路口数据线， 字母后面的数字表示总线的位数。50 MHz晶振为两片DSP及FPGA提供时钟信号，32.768 MHz高稳定度晶振为AD9857和AD6654提供高质量的时钟信号。复位芯片MAX6708控制DSP、FPGA、AD9857、AD6654和ST16C550的复位。 DSP完成QAM或QPSK的调制解调和FFT/IFFT变换。系统所使用的DSP是ADI公司的TigersharcTS101。该DSP具有以下特性：最高工作频率为300 MHz，3.3 ns指令周期；6 MB片内SRAM；2个计算模块，每个模块都有1个ALU、1个乘法器、1个移位寄存器和1个寄存器组；2个整型ALU，用来提供寻址和指针操作；14个DMA控制器；1149.1 IEEE JTAG口。对于OFDM基带处理，该DSP最大的特点是： 进行256点的复数FFT变换，仅需3.67 μs。

正交数字上变频器采用ADI公司的AD9857。AD9857最高工作频率为200MHz,输出中频频率范围为0~80MHz；内部集成半带滤波器、CIC(CascadedIntegrator Comb)滤波器，反SINC滤波器和高速的14位数/模转换器，其核心是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS

(Direct Digital Synthesizer)。在该方案中，AD9857工作在正交调制模式，其32位频率控制字使输出频率的最高精确度为：SYSCLK(系统时钟)除以232。

正交数字下变频器采用ADI公司的AD6654。AD6654内部集成了一个14位、92.16Msps的模/数转换器和4/6通道的数字下变频器。每个通道可独立配置。数字下变频内部集成了频率变换器、可编程级联梳状滤波器（CIC）、2个滤波器组和数字自动增益控制。其中：频率变换是通过32位数控振荡器实现的；CIC实现1~32倍的抽取；2个滤波器组包括FIR滤波器和2倍抽取的半带滤波器。输入的中频模拟信号经过ADC和频率变换后，使用滤波器组进行滤波和抽取，最后并行输出正交基带数字信号。输入中频信号频率最高可到200MHz，此时，使用欠采样技术。

OFDM-技术优势

OFDM技术之所以成为新一代无线通信核心技术的趋势，是因为它具有如下的优点： 频谱效率高

OFDM频谱效率比较

由于FFT处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。以OFDM为基础的多址技术OFDMA(正交频分多址)可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效地避免了用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。 带宽扩展性强

由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百kHz，大到几百MHz，都很容易实现。尤其是随着移动通信宽带化(将由￡5MHz增加到最大20MHz)，OFDM系统对大带宽的有效支持，成为其相对于单载波技术(如CDMA)的“决定性优势”。 抗多径衰落

由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽(如20MHz)。 频谱资源灵活分配

OFDM系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。 实现MIMO技术较简单

由于每个OFDM子载波内的信道可看作水平衰落信道，多天线(MIMO)系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平(随天线数量呈线性增加)。相反，单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO技术的应用。

OFDM-存在缺点

(1) OFDM对系统定时和频率偏移敏感

OFDM频率偏差错误

定时偏差会引起子载波相位的旋转，如图8所示，而且相位旋转角度与子载波的频率有关，频率越高，旋转角度越大，如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和仍小于循环前缀的长度，此时子载波之间的正交性仍然成立，没有ISI和ICI（信道间干扰），对解调出来的数据信息符号的影响只是一个相位的旋转。如果定时的偏移量与最大时延扩展的长度之和大于循环前缀的长度，这时一部分数据信息丢失了，而且最为严重的是子载波之间的正交性破坏了，由此带来了ISI和ICI，这是影响系统性能的关键问题之一。

频率偏差是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频移等引起的，由子载波间隔的整数倍和子载波间隔的小数倍偏移构成。子载波间隔整数倍不会引起ICI，但是解调出来的信息符号的错误率为50％，子载波间隔的小数倍的偏移由于抽样点不在顶点，如图9所示，破坏了子载波之间的正交性由此引起了ICI。 (2)存在较高的峰值平均功率比

较高的峰值平均功率比

多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号相位一致时，所得的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率，如图10所示。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。

OFDM-实现中的问题

虽然OFDM已成为新一代无线通信最有竞争力的技术，但这种技术也存在一些内在的局限和设计中必须注意的问题： 子载波的排列和分配

OFDM子载波可以按两种方式排列：集中式(Locolized)和分布式(Distributed)。 集中式即将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统可以通过频域调度(scheduling)选择较优的子载波组(用户)进行传输，从而获得多用户分集增益。 另外，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带宽，从而获得频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。 PAPR问题

OFDM系统由于发送频域信号，峰平比(PAPR)较高，从而会增加了发射机功放的成本和耗电量，不利于在上行链路实现(终端成本和耗电量受到限制)。在未来的上行移动通信系统中，很可能将采用改进型的OFDM技术，如DFT-S(离散傅丽叶变换扩展)-OFDM或带有降PAPR技术(子载波保留、削波)的OFDM。 频偏问题和相位噪声

OFDM系统由于子载波宽度较窄，对频偏和相位噪声敏感(导致子载波间正交性恶化)。因此OFDM子载波宽度必须仔细选定，既不能太大(频谱效率较低)，也不能太小(难以支持高速移动)。

OFDM的小区间干扰

信道估计和导频设计

OFDM系统的信道估计，从某种意义上讲，比单载波复杂。需要考虑在获得较高性能的同时尽可能减小开销。因此导频插入的方式(时分复用还是频分复用)及导频的密度都需要认真考虑。

多小区多址和干扰抑制

OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间多址(CDMA则很容易实现)。

如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰(WiMAX系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难)。可能的解决方案包括：跳频OFDMA、小区间频域协调、干扰消除等。

OFDM-OFDMA

随着OFDM技术的发展，也出现了一系列改进的OFDM技术，以解决OFDM本身的一些问题。下面对最主要的几个技术进行介绍。首先，OFDM本身不具有多址能力，需要和其他的多址技术，如TDMA、CDMA、FDMA等结合实现多址，包括OFDMA（正交频分复用）、MC（多载波）-CDMA、MC-DS（直接序列扩频）-CDMA、VSF-OFCDM（可变扩频因子正交频码分复用）等技术。DFT-S-OFDM（离散傅丽叶变换扩展OFDM）是一种为降低PAPR设计的OFDM改进技术。 子信道OFDMA

两种子载波排列方式

将OFDM和FDMA技术结合形成的OFDMA技术是最常见的OFDM多址技术，又分为子信道（Subchannel）OFDMA和跳频OFDMA。子信道OFDMA即将整个OFDM系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户（也可以一个用户占用多个子信道）。 OFDM子载波可以按两种方式组合成子信道：集中式（Locolized）和分布式（Distributed），如图所示。集中式即将若干连续子载波分配给一个子信道（用户），这种方式下系统可以通过频域调度（scheduling）选择较优的子信道（用户）进行传输，从而获得多用户分集增益（图（a））。另外，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子信道的子载波分散到整个带宽，各子载波的子载波交替排列，从而获得频率分集增益（图（b））。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。 跳频OFDMA

跳频OFDMA

子信道OFDMA对子信道（用户）的子载波分配相对固定，即某个用户在相当长的时长内使用指定的子载波组（这个时长由频域调度的周期而定）。这种OFDMA系统足以实现小区内的多址，但实现小区间多址却有一定的问题。因为如果各小区根据本小区的信道变化情况进行调度，各小区使用的子载波资源难免冲突，随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰，则需要在相邻小区间进行协调（联合调度），但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持，对网络结构的影响较大。

另一种选择就是采用跳频OFDMA。在这种系统中，分配给一个用户的子载波资源快速变化，每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，各用户选用不同的子载波组（如图所示）。与基于频域调度的子信道化不同，这种子载波的选择通常不依赖信道条件而定，而是随机抽取。在下一个时隙，无论信道是否发生变化，各用户都跳到另一组子载波发送，但用户使用的子载波仍不冲突。跳频的周期可能比子信道OFDMA的调度周期短的多，最短可为OFDM符号长度。这样，在小区内部，各用户仍然正交，并可利用频域分集增益。在小区之间不需进行协调，使用的子载波可能冲突，但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来，即可将干扰白化为噪声，大大降低干扰的危害。随着各小区的负载的加重，冲突的子载波越来越多，这种“干扰噪声”也会积累，使信噪比降低，但在负载不是很重的系统中，跳频OFDMA可以简单而有效地抑制小区间干扰。 DFT-S-OFDM

DFT-S-OFDM

DFT-S-OFDM是基于OFDM的一种改进技术。由于传统OFDM技术的PAPR较高，在上行链路用户便携或手持终端有一定困难。OFDM本身也可以采用一系列降低PAPR的附加技术，如子载波预留和削波等。另一种方法是在发射机的IFFT处理前对系统进行预扩展处理，其中最典型的就是用离散傅丽叶变换进行扩展，这就是DFT-S-OFDM技术。

如图所示，将每个用户所使用的子载波进行DFT处理，由时域转换到频域，然后将各用户的频域信号输入到IFFT模块，这样各用户的信号又一起被转换到时域并发送。经过这样的改进，我们发现每个用户的发送信号由频域信号（传统OFDM）又回到了时域信号（和单载波系统相同），这样PAPR就被大大降低了。由于在这个系统中，每个用户的发送信号波形类似于单载波，也有人将其看作一种单载波技术，虽然它是从OFDM技术演变而来的。 在接收机端，系统先通过IFFT将信号转换到频域，然后用频域均衡器对每个用户的信号进行均衡（在发射机端须插入CP以实现频域均衡），最后通过DFT解扩展恢复用户数据

OFDM-OFDM和CDMA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。

1. 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。 2. 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。 3. 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。 4. 抗多径干扰能力

多径干扰示意图

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。 5. 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。 6. 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。 7. 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。

OFDM-MIMO-OFDM技术

MIMO系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，4G需要极高频谱利用率的技术，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO-OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外ODFM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。下面给出MIMO-OFDM的结合方案。

MIMO-OFDM系统框图

在本方案中的数据进行两次串并转换，首先将数据分成N个并行数据流，将这N个数据流中的第n（n∈[1，N]）个数据流进行第二次串并转换成L个并行数据流，分别对应L个子载波，将这L个并行数据流进行IFFT变换，将信号从频域转换到时域，然后从第n（n∈[1，N]）个天线上发送出去。这样共有NL个M-QAM符号被发送。整个MIMO系统假定具有N个发送天线，M个接收天线。在接收端第m（m∈[1，M]）个天线接收到的第l个子载波的接收信号为：

OFDM

其中Hm,n,l是第l个子载波频率上的从第n个发送天线到第m个接收天线之间的信道矩阵，并且假定该信道矩阵在接收端是已知的，Cn,l是第个子载波频率上的从第n个发送天线发送的符号，ηm,l是第l个子载波频率上的从第m个接收天线接收到的高斯白噪声。这样在接收端接收到的第l个子载波频率上的N个符号可以通过V-BLAST算法进行解译码，重复进行L次以后，NL个M-QAM符号可以被恢复。 MIMO-OFDM的信道估计

在一个传输分集的OFDM系统中，只有在收端有很好的信道信息时，空时码才能进行有效的解码。估计信道参数的难度在于，对于每一个天线每一个子载波都对应多个信道参数。但好在对于不同的子载波，同一空分信道的参数是相关的。根据这一相关性，可以得到参数的估计方法。MIMO-OFDM系统信道估计方法一般有三种：非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。下面分别对这三种信道估计方法进行简单介绍。 1. 非盲信道估计

非盲信道估计是通过在发送端发送导频信号或训练序列，接收端根据所接收的信号估计出导频处或训练序列处的信道参数，然后根据导频或训练序列处的信道参数得到数据信号处的信道参数。当信道为时变信道时，即使是慢时变信道，也必须周期性的发射训练序列，以便及时更新信道估计。这类方法的好处是估计误差小，收敛速度快，不足是由于发送导频或训练序列而浪费了一定的系统资源。 2. 盲信道估计

盲信道估计是利用信道的输出以及与输入有关的统计信息，在无需知道导频或训练序列的情况下估计信道参数。其好处是传输效率高，不足是鲁棒性相对较差、收敛速度慢，而且运算量较大。 3. 半盲信道估计

半盲信道估计是在盲信道估计的基础上发展起来的，它利用尽量少的导频信号或训练序列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利用盲信道估计算法进行跟踪、优化，获得信道参数。由于盲信道算法运算复杂度较高，目前还存在很多问题，难以实用化。而半盲信道估计算法有望在非盲算法和盲算法的基础上进行折衷处理，从而降低运算复杂度。可以预计，对盲及半盲信道估计的研究将成为MIMO-OFDM信道估计研究的热点。

OFDM-下一代移动通信中的应用

视频电话

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。

OFDM技术的主要思想是：将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。

与下一代移动通信系统有关的OFDM系统关键系统技术有： (1)时域和频域同步

前面已经提及，OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频率同步显得尤为重要。与其它数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。

在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发同步信号，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。

在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证子载波间的正交性。基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时频域同时进行同步。

(2)信道估计

在OFDM系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频信息的选择。由于无线信道常常是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送。二是既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器的设计。

在实际设计中，导频信息选择和最佳估计器的设计通常又是相互关联的，因为估计器的性能与导频信息的传输方式有关。 (3)信道编码和交织

为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。

在OFDM系统中，如果信道衰落不是太深，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统自身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码可以采用各种码，如分组码、卷积码等，卷积码的效果要比分组码好。 (4)降低峰均功率比

由于OFDM信号时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值占相加时，OFDM信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)的OFDM信号，发送端对高功率放大器(HPA)的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDM系统的性能大大下降甚至直接影响实际误应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号畸变技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等降低OFDM系统PAPR的方法。 (5)均衡

在一般的衰落环境下，OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此在一般情况下，OFDM系统就不必再做均衡了。

在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，CP的长度必须很长，才能够使ISI尽量不出现。但是，CP长度过长必然导致能量大量损失，尤其对子载波个数不是很大的系统。这时，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的提高。

OFDM-其他领域的应用

1. 高清晰度数字电视广播的应用

高清数字电视

OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM的标准。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，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM（codedOFDM：编码OFDM）技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。

因此不难看出，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的DAB系统使用的OFDM调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动中接收无线广播的效果，用于DAB的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使OFDM接收机的价格大大降低，其市场前景非常看好。 2. 无线局域网

无线局域网

HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbps，实际应用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段，分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54Mbps。

技术的不断发展，引发了融合。一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升WLAN的性能。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计划采用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，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。

而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbps的数据传输速率还远远不够。为了进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有线与无线局域网的无缝结合，IEEE成立了IEEE802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准。IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b/a/g之后的另一场重头戏。和以往的802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段）。这样802.11n保证了与以往的802.11a/b/g标准兼容。 3. 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。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。

在BWA领域，一些公司开发的技术虽然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些专利技术，如Cisco和Iospan公司的VectorOFDM（VOFDM）、Wi-LAN公司的WidebandOFDM（WOFDM）、Flarion公司的flash-OFDM。其中，VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM则由Wi-LAN公司提出，构成了基于两个组织的OFDM两大阵营：宽带无线Internet论坛（BWIF）和OFDM论坛，它们力图使自己的OFDM模式成为标准。其中由Wi-LAN公司倡导的OFDM论坛，有50多个成员，其中有如Breezecom、start-upBeamReach Networks和Nokia等参加，主要是协调提交到IEEE的OFDM提案。而宽带Internet论坛（BWIF）则是在Cisco倡导下，由IEEE工业标准技术组织IEEE-ISTO成立的，其主要目标是提供低成本宽带无线接入技术，号召采用基于VOFDM的标准作为解决方案。

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