綜合分析OFDM技術在各個領域的應用

　　 

    從技術層面來看，第四代移動通信系統將有望以OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）為核心技術，主要理由是無線電頻率使用效益高、抗噪聲能力強、適合高速數據傳輸等。然而OFDM仍有許多問題待解決，不過部分標準的制訂工作已經接近尾聲且即將商用化（如數字音頻廣播），目前，OFDM技術已經廣泛應用于無線局域網領域，但若要應用在移動通信領域仍需時日。

    目前OFDM技術已經被廣泛應用于廣播式的音頻、視頻領域和民用通信系統中，主要的應用包括：非對稱的數字用戶環路（ADSL）、ETSI標準的數字音頻廣播（DAB）、數字視頻廣播（DVB）、高清晰度電視（HDTV）、無線城域網、無線局域網（WLAN），甚至3G的CDMA也開始引入OFDM技術思想以提升其性能。

    技術不再陌生

    OFDM（正交頻分復用技術）是一種無線環境下的高速傳輸技術。眾所周知，無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率，如圖所示。另一方面，OFDM技術也存在缺陷：對頻率偏移和相位噪聲很敏感；峰值與均值功率比相對較大，這個比值的增大會降低射頻放大器的效率。

    應用日益廣泛

    近年來，圍繞OFDM存在的兩個缺陷，業內人士進行了大量研究工作，并且已經取得了進展。OFDM技術既可用于移動的無線網絡，也可以用于固定的無線網絡，它通過在樓層、使用者、交通工具和現場之間的信號切換，有效地解決了其中的信息沖突問題。

    領域一：高清晰度數字電視廣播

    OFDM在數字廣播電視系統中取得了廣泛的應用，其中數字音頻廣播（DAB）標準是第一個正式使用OFDM的標準。另外，當前國際上全數字高清晰度電視傳輸系統中采用的調制技術中就包括OFDM技術，歐洲HDTV傳輸系統已經采用COFDM（coded OFDM：編碼OFDM）技術。它具有很高的頻譜利用率，可以進一步提高抗干擾能力，滿足電視系統的傳輸要求。選擇OFDM作為數字音頻廣播和數字視頻廣播（DVB）的主要原因在于：OFDM技術可以有效地解決多徑時延擴展問題。

    因此不難看出，OFDM技術良好的性能使得它在很多領域得到了廣泛的應用。歐洲的DAB系統使用的OFDM調制技術其試驗系統已在運行，很快吸引了大量聽眾。它明顯地改善了移動中接收無線廣播的效果，用于DAB的成套芯片的開發工作正在一項歐洲發展項目中進行，它將使OFDM接收機的價格大大降低，其市場前景非?？春?。

    領域二：無線局域網

    大家知道，HiperLAN/2物理層應用了OFDM和鏈路自適應技術，媒體接入控制（MAC）層采用面向連接、集中資源控制的TDMA/TDD方式和無線ATM技術，最高速率達54Mbps，實際應用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE 802.11無線局域網工作于ISM免許可證頻段，分別在5.8GHz和2.4GHz兩個頻段定義了采用OFDM技術的IEEE 802.11a和IEEE 802.11g標準，其最高數據傳輸速率提高到54Mbps.

    技術的不斷發展，引發了融合。一些4G及3.5G的關鍵技術，如OFDM技術、MIMO技術、智能天線和軟件無線電等，開始應用到無線局域網中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM調制技術，提高了傳輸速率，增加了網絡吞吐量。802.11n計劃采用MIMO與OFDM相結合，使傳輸速率成倍提高。另外，天線技術及傳輸技術，使得無線局域網的傳輸距離大大增加，可以達到幾公里（并且能夠保障100Mbps的傳輸速率）。

    而對于今后要開展的在無線局域網中的多媒體業務來說，最高為54Mbps的數據傳輸速率還遠遠不夠。為了進一步提升無線局域網的數據傳輸速率，實現有線與無線局域網的無縫結合，IEEE成立了IEEE 802.11n工作小組，以制定一項新的高速無線局域網標準。IEEE 802.11n計劃將WLAN的傳輸速率從802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可達320Mbps，成為802.11b/a/g之后的另一場重頭戲。和以往的802.11標準不同，802.11n協議為雙頻工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz兩個工作頻段）。這樣802.11n保證了與以往的802.11a/b/g標準兼容。

    領域三：寬帶無線接入

    OFDM技術適用于無線環境下的高速傳輸，不僅應用于無線局域網，還在寬帶無線接入（BWA）中得到應用。IEEE 802.16工作組專門負責BWA方面的技術工作，它已經開發了一個2GHz～11GHz BWA的標準—IEEE 802.16a，物理層就采用了OFDM技術。該標準不僅是新一代的無線接入技術，而且對未來蜂窩移動通信的發展也具有重要意義。

    在BWA領域，一些公司開發的技術雖然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些專利技術，如Cisco和Iospan公司的Vector OFDM（VOFDM）、Wi-LAN公司的Wideband OFDM（WOFDM）、Flarion公司的flash-OFDM.其中，VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM則由Wi-LAN公司提出，構成了基于兩個組織的OFDM兩大陣營：寬帶無線Internet論壇（BWIF）和OFDM論壇，它們力圖使自己的OFDM模式成為標準。其中由Wi-LAN公司倡導的OFDM論壇，有50多個成員，其中有如Breezecom、start-up BeamReach Networks和Nokia等參加，主要是協調提交到IEEE的OFDM提案。而寬帶Internet論壇（BWIF）則是在Cisco倡導下，由IEEE工業標準技術組織IEEE-ISTO成立的，其主要目標是提供低成本寬帶無線接入技術，號召采用基于VOFDM的標準作為解決方案。

    領域四：3G CDMA的新概念 

    為滿足未來無線多媒體通信需求，人們在加緊實現3G系統商業化的同時，開始了后3G（Beyond 3G）的研究。從技術方面看，3G主要以CDMA技術為核心技術，而未來移動通信系統則以OFDM技術最受矚目。在寬帶接入系統中，由于OFDM系統具備良好的特性，將成為下一代蜂窩移動通信網絡的有力支撐。

    另外一個事實是，3G網絡現在面臨諸多的問題，例如它的數據傳輸速度遠遠達不到廣告中宣稱的2Mbps，其實際傳輸速度僅為0.4Mbps左右，而當網絡繁忙時可能連這一速度的三分之一都達不到。這一狀況僅僅足夠傳輸高質量的音頻，用戶要想傳輸高質量的視頻恐怕還需要繼續等待。

    CDMA技術為了對抗多徑干擾，需要更復雜的均衡及調制，實現起來非常困難。為了推動3G的發展，人們開始研究將OFDM技術的優勢引入到CDMA系統中，推出MC-CDMA技術。與普通的DS-CDMA相比，MC-CDMA系統具有下述優點：

    （1）具有更大的靈活性。例如，在OFDM信號中加入保護時間帶來的靈活性，可以使得在不同小區環境中達到最佳的頻譜利用率；

    （2）高容量，高性能。由于頻率交織，系統提供了更多重數的頻率分集，因此，可以應用不同檢測方法充分挖掘這種分集提供的增益；

    （3）高抗干擾性；

    （4）不需要均衡。由于多載波調制的特性，它將高速率信號分割成多個低速率信號，使得信號波形間的干擾得到消除，因此可以不需要均衡。

    綜上所述，在時代交替之際，舊有系統之整合與升級是產業關心的話題，目前大家談的是GSM如何升級到第三代移動通信系統，而未來則是CDMA如何與OFDM技術相結合？可以預計，CDMA絕對不會在第四代移動通信系統中消失，而是將成為其應用技術的一部份，或許未來也會有新的整合技術如OFDM/CDMA產生。前文所提到的數字音頻廣播，其實它真正運用的技術是OFDM/FDMA的整合技術，同樣是利用兩種技術的結合。因此未來以OFDM為核心技術的第四代移動通信系統，也將會結合兩項技術的優點。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com