基于TD—LTE的OFDM系统设计与仿真

任君玉

【摘要】 OFDM是LTE的最核心的技术，OFDM在有效提高数据传输速率的同时很好的解决了ISI问题，通过引入CP很好的解决了ICI问题。文章对OFDM系统的实现进行了仿真，对比了不同CP长度时的系统性能。

【关键词】 LTE OFDM ISI 循环前缀 ICI

随着“移动通信宽带化”的发展趋势，移动互联网用户数量及业务正在以迅猛的势头增长，人们对于移动通信高速数据传输的要求日益增长，而频率资源有限，移动通信不得不断寻求新的技术，获得高的数据率及达到更高的带宽效率及容量。LTE作为3G的长期演进，由于采用了核心的OFDM配合MIMO等关键技术，达到了20M下行链路上lOOMbps的峰值数据传输速率，频谱利用率最高达到了5b/Hz，OFDM对于LTE起到了举足轻重的作用。

一、OFDM致力于解决带宽需求及带宽效率

OFDM与FDM都属于多载波传输技术，采用多载波传输的主要目标就是解决带宽效率问题。

由香农公式，C=Blog₂（1+S/N），如果带宽一定，假设需要提高通信容量C至10倍，则由公式后面的对数关系得到S/N需要提高约1000倍，即在系统噪声不变的情况下，需要提高发射信号功率到原先的1000倍。加大发射功率，除了会增加移动台的发射功耗，降低待机时间，妨碍应用，还会带来手机体积的增大，不满足移动便携性的要求；另外，过高的发射功率在电磁波的2G时代的低频段对人体不会有太大影响，但是如果像如今的3G、3.9G、4G，以至Wi-Fi，WiMAX，在微波这样的高频段的大的发射功率会对人体造成伤害，所以，这也是为什么在这些频段的通信都被严格限制发射功率的原因。

因此，如何有效的解决目前频谱资源的有限与日益增长的高数据率的矛盾，必须采用其他的办法，由上述香农公式，如果保持发射功率，即S/N不变，提高B，也可以获得C的提高。OFDM就是采用了这种思路，通过采用更高的带宽，设定为最高20M，是WCDMA带宽SM的4倍，思路是很简单，但是实现起来并非如此简单，因为在移动通信中，存在由于多径传播带来的ISI（码间干扰）问题，表现为当信号的带宽大于信道的相关带宽时，将产生脉冲波形的重叠即ISI，会严重影响系统的误码率，因此OFDM在采用了更高带宽的同时，通过将整个系统带宽进行分割到若干个子信道，将高速的数据流通过串并变换变为若干低速的子数据流，然后在每一路子信道将其调制到各路子载波上去传输。通过这样的方法即解决了高速数据率的需求，又很好的解决了ISI，通过设定保护时间间隔GI去确保无ISI的同时，又通过在GI时间内发送循环前缀CP，解决了子载波间的干扰ICI。

OFDM具体实现时的关键模块就是IDFT的IFFT算法，通过快速的基2运算，相当于快速的产生各路正交子载波，所以OFDM技术在移动通信中的成功应用得益于数字信号处理技术的发展。

实际系统实现中，OFDM核心模块需要配合信道纠错码及交织技术以获得系统性能的提高，另外在频谱效率要求更高时往往采用更高阶的数字调制技术，进行符号映射，以使每个符号携带更多的数据比特数，比如在LTE中最高用到了64QAM的高阶调制技术，当然OFDM中每一路载波可以灵活的采用不同的调制技术，这个需要系统在效率与误码率之问进行折中。而且OFDM非常适合不对称业务的通信，可以通过子载波数目的灵活分配进行适配不同业务的要求。

根据以上所述，得到OFDM的系统原理框图1。

二、MATLAB中OFDM主要模块的实现方法

（1）输入数据的产生

通过使用随机数产生器产生二进制数据，每次产生的数据个数=子载波数×每个子载波含符号数×每个符号含的比特数。

（2）信道编码及交织

在LTE中一般采用卷积码或Turbo码作为纠错编码，配合交织技术，可以较好的解决部分子信道可能存在的衰落问题，提高系统整体性能。

（3）数字调制

在图1中，系统设定各个正交子载波采用统一的调制方式。如前所述，若各个子载波为了适应不同的信道要求，可以设置不同的调制方式，此时，数字调制模块应放在串并变换模块之后，在LTE中可以选择QPSK、16QAM、64QAM，本仿真基于16QAM调制。

（4）串并转换

高速串行数据流转成低速的并行数据流传输。在Matlab中通过向量转置实现此功能。

（5） IFFT

IDFT的快速算法，通过对N路载波同时进行N点采样和对应点之间合并运算，输出N点数据块。

（6）循环前缀

循环前缀CP所占时间正好是保护间隔时间CI，GI的设置是为了最大限度的消除ISI，而如果在GI时间内发送空信号，会出现子载波干扰ICI。CP具体是将每个OFDM符号的后一段时间内的值复制平移到OFDM信号前形成前缀，此模块对于OFDM性能非常重要，这在Matlab中很容易通过程序实现，因此本仿真主要基于不同CP长度下的系统性能的仿真。

三、仿真结果

图2（a）、（a）、（a）分别为时延扩展<保护间隔，时延扩展超过保护间隔的长度为FFT积分时问的3%，时延扩展超过保护间隔的长度为FFT积分时间的10%时得到的16QAM星座图。可见，保护间隔的合理设置对于通信误码率的重要性，可以看出要使系统误码率最低，必须满足条件时延扩展<保护间隔（即CP时间长度）。

四、结论

OFDM作为LTE的核心技术，发挥着非常重要的作用，文章分析了OFDM在LTE的作用，对OFDM各个模块进行了分析，着重仿真对比了不同CP长度时的系统性能。