未来通信关键技术的研究

魏山林，申　莹

(周口师范学院 物理与电信工程学院，河南 周口466001)

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，早在20世纪60年代已被提出，由于硬件实现较为复杂和昂贵，其发展受到限制. 20世纪70年代，Weistein和Ebert通过离散傅里叶变换对研制出一个完整的多载波传输系统. 随着DSP技术的发展，OFDM得到广泛的应用和发展[1]. 为了在一定带宽下传输更多的信息，OFDM将各个子载波的信号重叠在一起发送，由于傅里叶变换的正交性，接收端可以很容易恢复原始信号. 此外，对于频率选择性信道，由于OFDM系统能够将其变为平坦信道，因此在接收端只需要简单的信道均衡就可以恢复出原来的信号. OFDM技术已经相对成熟，但同时也存在一些缺点，如峰均功率比高[2-4]、对频率偏移敏感[5]等，在一定程度上，也限制其发展. 因此，OFDM技术的进一步研究对通信领域的发展至关重要.

1　OFDM系统的原理

传统的OFDM系统，是将串行的数据符号转换为N个并行数据符号，这些数据通过离散傅里叶逆变换调制到N个彼此正交的信道上. 换句话说，OFDM将完整的信道分成了N个并行的子信道，这时，即使总的信道是频率选择性信道，但对于每一个子信道来说，由于每个子信道的符号传输速率变为发射信号的1/N倍，这大大加长了每一个子信道的持续时间. OFDM信号频域表示如图1所示.

图1　OFDM信号频域图

OFDM技术的结构框架如图2所示，首先发射信号经过串并转换器变为N个并行传输的信号，这些信号经过离散傅里叶逆变换后成为N路时域信号，接着每路信号增加循环前缀CP[6]，经数模转换后发送出去，这个过程就是信号的发送过程. 信号通过信道传输后，接收端收到的是一系列具有多个时间延迟和多个路径相叠加的多径信号. 接收信号经过模数转换，去掉循环前缀. 然后离散傅里叶变换将信号从时域变换到频域，通过频域的一些接收处理技术，可以从接收到的信号中检测出原始的发送信号.

图2　OFDM系统的结构框架图

2　OFDM系统中的峰值平均功率比

OFDM系统中的峰均功率比问题主要是由于由多个具有相同振幅和相位的单载波信号相互叠加而引起，如果载波数量比较大而且彼此相互独立，由中心极限定理能够得出：OFDM的传输信号将是一个高斯随机过程，峰值功率将会有一个N次方的关系，这样就出现很高峰值功率. 为了确保信号传输的有效性，这就要求系统的A/D转换器、D/A转换器和功率放大器具有较大的动态线性范围. 而现实中器件的有效线性范围往往不能满足系统的要求，常出现非线性放大，若信号被非线性放大，将会出现严重的失真，造成不同载波间频谱相互扩展，载波间干扰，破坏载波间原始的正交性，最终造成无法有效解调[7]. 另外，将系统硬件的动态范围做得太大，在技术上也存在很大的问题.PAPR越大，系统的包络的稳定性就会越差，因此，降低系统的PAPR，才能提高系统的性能.

OFDM的峰均功率比可以描述为信号的峰值功率最大值与平均功率的比值：

(1)

图3　OFDM系统的峰均功率比大小

图3给出了OFDM系统在16QAM调制方式下的峰均功率比大小，它的峰值功率比在10-3下达到了11，这远远大于它可以忍受的峰值容限. 因此OFDM系统的高峰值问题严重限制了它的快速发展，迫切需要合适的解决方案. 降低PAPR的方法主要有以下几种：

(1)限幅类通过多对信号的幅值进行剪切，操作起来简单直接. 由于对信号进行不可逆的操作，会带来噪声干扰，降低系统性能.

(2)概率类通过一些技术手段，降低较大峰值出现的概率，如选择映射法SLM，部分传输序列法PTS等，但增大了系统的复杂度.

(3)编码类将原始信号通过矩阵转移映射到性能较好的码集组合中，避免了信号的失真，但引入编码矩阵，增加了系统复杂度.

3　OFDM系统的误码率评估

误码率一直是评估通信系统可靠性的一个指标，在加性高斯白噪声信道下，OFDM系统的误码率[8]可表示如下：

(2)

式中的λ表示信噪比，Q是互补累计分布函数. 如果传输的信道是一个频率选择性信道，则OFDM系统的误码率函数可表示为

(3)

其中，E[ ]是信号的期望.

采用蒙特卡罗仿真算法，系统载波个数采用128个载波，使用的循环前缀个数为四分之一的符号数，多径衰落信道模型，QPSK方式调制信号，载波频率使用无需授权的2.4 GHz, 信道时延参数分别为[0 200 400 600] μs，信道衰减分别是[0 10 20 25] dB. 同时，也仿真了在没有乘性噪声的情况下，OFDM系统在白噪声影响下的性能. 图4仿真了平坦信道和频率选择型信道下OFDM系统的性能曲线.

图4　 OFDM系统在各种不同信道下的性能曲线

从图4中知道高斯白噪声性能是OFDM系统性能的上限，任何其他信道下的性能都不可能超过高斯白噪声的性能，平坦信道下由于信道的非频率选择性，相对于频率选择性信道来说性能会有一点点的提高. 同时由于多径信道的时间选择特性和频率色散特性，在多径信道的传输中，OFDM系统的性能会有很大的下降.

图5　OFDM系统在不同移动速度下的性能曲线

图5给出了OFDM系统在不同移动速率下，多径信道传输的性能. 从中得到，在300 km/h的移动速度中OFDM系统的性能差于6 km/h移动时的性能，由于时域的移位造成频域信号的频偏，在较大的时移下带来较大的性能损失. 因此高速率的移动带来了OFDM系统性能的下降.

4　总结与展望

阐述总结了正交多载波传输技术的原理以及存在的一些缺点，并全面评估了OFDM的系统性能，指出了下一代通信系统中还存在的一些问题. OFDM是一种正交多载波传输技术，可以将频率选择性信道变为平坦信道，提高系统传输的可靠性. 高峰均功率比和频率偏移的问题严重限制了它的发展，如果能够改进它在这两个方面的不足，在未来通信中，OFDM必将发挥更重要的作用.

参考文献：

[1] 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M].北京:国防工业出版社，2009.

[2]Ahmed M S. OFDM based on low complexity transform to increase multipath resilience and reduce PAPR[J]. IEEE transactions on signal processing, 2011, 59:5994-6007.

[3]Osseiran A, Braun V, et al. Scenarios for 5G mobile and wireless communications: the vision of the METIS project [J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(5): 26-35.

[4]Boccardi F, Heath R W, Lozano A, et al. Five disruptive technology directions for 5G[J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(2): 74-80.

[5]Yang N, Wang L,Geraci G, et al. Safeguarding 5G wireless communication networks using physical layer security [J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(4): 20-27.

[6]Kildal P S, Chen X, Gustafsson M, et al. MIMO characterization on system level of 5G microbase stations subject to randomness in LOS [J]. IEEE Access, 2014, 2: 1062-1075.

[7]Mavromoustakis C X, Bourdena A, Mastorakis G, et al. An energy-aware scheme for efficient spectrum utilization in a 5G mobile cognitive radio network architecture [J]. Telecommunication Systems, 2015, 59(1): 63-75.

[8]Lähetkangas E,Pajukoski K, Vihriälä J, et al. Achieving low latency and energy consumption by 5G TDD mode optimization[C]. 2014 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC). IEEE, 2014: 1-6.