鄭天宇 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院

面向5G通信的OFDM技術(shù)研究

鄭天宇 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院

5G階段是移動(dòng)通信新的發(fā)展趨勢(shì)，OFDM技術(shù)是解決5G中頻譜利用率一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本研究從頻譜利用率角度出發(fā)介紹了OFDM技術(shù)，通過(guò)劃分若干個(gè)正交子載波，高效利用了有限的頻譜資源，同時(shí)降低了系統(tǒng)的符號(hào)間干擾。最終通過(guò)matlab實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

5G 頻譜利用率 OFDM 正交 matlab仿真

緒論

在現(xiàn)代科技的推動(dòng)下，移動(dòng)通信技術(shù)從早期模擬通信的1G技術(shù)，過(guò)渡到基于數(shù)字通信的4G階段，提供的業(yè)務(wù)也從單一的語(yǔ)音業(yè)務(wù)發(fā)展到集語(yǔ)音、圖像、視頻的多媒體業(yè)務(wù)，保密性和傳輸速率顯著提升。而當(dāng)下海量終端設(shè)備的出現(xiàn)和新服務(wù)的快速普及推廣對(duì)于移動(dòng)通信提出新的需求，5G技術(shù)已然成為通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

5G作為新一代的移動(dòng)通信，肩負(fù)改善并創(chuàng)新現(xiàn)有移動(dòng)通信的使命。具有以下幾方面特點(diǎn)：1）注重用戶體驗(yàn)2）通信速率大幅提升3）低時(shí)延4）綠色節(jié)能。與此同時(shí)，5G通信技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)，其中最突出的是：前四代移動(dòng)通信占用大量的頻譜資源，5G通信如何整合以及高效利用頻譜成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)，能否有效的突破，是5G移動(dòng)通信發(fā)展的關(guān)鍵。

一、5G關(guān)鍵技術(shù)—OFDM

眾所周知，在通信領(lǐng)域，頻譜資源的利用一直都是熱點(diǎn)問(wèn)題。目前幾乎所有的通信系統(tǒng)的頻譜都集中在300MHz-6GHz的頻段上，而這個(gè)頻段已經(jīng)有大量頻譜被占用，100MHz以上的連續(xù)頻譜已經(jīng)很難被找到，提出新的整合方法來(lái)利用有限的頻譜資源勢(shì)在必行。

（一）OFDM的基本概念

正交頻分復(fù)用技術(shù)，即OFDM技術(shù)，由MCM（多載波調(diào)制技術(shù)）發(fā)展而來(lái)。它的調(diào)制和解調(diào)是基于IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣不僅可以減少子信道之間的相互干擾，而且能夠有效消除碼間串?dāng)_。

（二）OFDM與傳統(tǒng)FDM對(duì)比

在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用技術(shù)（FDM）中，系統(tǒng)總帶寬被劃分為占用著不同的頻率N個(gè)子信道，為保證接收端能夠正確地分離各子信道的數(shù)據(jù)，必須留出一定的保護(hù)間隔，這些間隔就造成了頻譜資源的浪費(fèi)。

對(duì)于OFDM技術(shù)，由于在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)任意兩個(gè)子載波都正交，即使它們的頻譜發(fā)生重疊，接收端也可以利用正交性將各路子載波分開(kāi)。因此，子信道之間不需要保護(hù)間隔，這樣就能有效地提高頻譜利用率。

圖1 FDM與OFDM頻譜利用率對(duì)比圖

（三）OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)

OFDM技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.子載波正交使得符號(hào)間干擾減小。

2.最大化地利用頻譜資源。

3.基于IFFT與FFT的調(diào)制和解調(diào)易于實(shí)現(xiàn)。

4.支持非對(duì)稱高速率數(shù)據(jù)傳輸。

但是OFDM系統(tǒng)由于存在多個(gè)正交的，而且其輸出信號(hào)是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此相比傳統(tǒng)單載波系統(tǒng)，存在如下缺點(diǎn)：

1.易受信道時(shí)變性和頻率偏差的影響，敏感性較差。

2.較高的峰值平均功率比可能帶來(lái)信號(hào)畸變。

（四）OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

1.時(shí)域和頻域同步

OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感，時(shí)域和頻率同步尤為重要。不僅要保證下行鏈路中基站須向各個(gè)移動(dòng)終端廣播發(fā)送同步信號(hào)，同時(shí)在上行鏈路中須使不同移動(dòng)終端的信號(hào)同步到達(dá)基站，才能確保子載波正交。

2.信道編碼和交織

通過(guò)對(duì)信道的交織，以及子載波之間的卷積編碼等方式，改善信道的特性，降低誤碼率，提升數(shù)字通信系統(tǒng)的性能。

3.均衡

在高度散射的信道中，循環(huán)前綴的長(zhǎng)度必須很長(zhǎng)，通過(guò)增加加均衡器以使循環(huán)前綴的長(zhǎng)度適當(dāng)減小，達(dá)到頻譜利用率提高的目的。

二、matlab仿真驗(yàn)證誤比特率

OFDM系統(tǒng)，隨著信噪比的增加，誤比特值在逐漸的減小，而且實(shí)際仿真出的誤比特曲線與理想曲線較為接近，誤差較小。因此，系統(tǒng)誤比特性和可靠性較高。

圖2 OFDM系統(tǒng)的誤比特曲線

三、小結(jié)

5G移動(dòng)通信是未來(lái)通信發(fā)展的趨勢(shì)，然而頻譜資源的有效利用是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。本文介紹了一種面向5G的OFDM技術(shù)，通過(guò)劃分正交的子載波，提升了頻譜利用率，降低符號(hào)間干擾，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的誤比特性能，以此證明OFDM技術(shù)實(shí)用性和可靠性較高。

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