基于OFDM技術(shù)的4G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

◆劉國(guó)順

（山東萬博科技股份有限公司濰坊分公司 山東 261000）

基于OFDM技術(shù)的4G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

◆劉國(guó)順

（山東萬博科技股份有限公司濰坊分公司 山東 261000）

隨著3G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，4G也開始得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。4G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是建立在3G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)之上，強(qiáng)化3G的主要優(yōu)點(diǎn)，摒棄3G的主要缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)使用功能的完美化。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）最大的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：（1）抗干擾；（2）抗信道衰落；（3）頻譜利用率極高。本文分析OFDM的基本使用原理、4G技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)以及現(xiàn)階段通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后分析OFDM技術(shù)在4G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

OFDM技術(shù)；4G通信；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；應(yīng)用研究

0 引言

現(xiàn)階段的日常生活中，人們已經(jīng)離不開通信手段，各個(gè)通信領(lǐng)域的廣泛發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾種特點(diǎn)：其一，多媒體業(yè)務(wù)層出不窮；其二，用戶的數(shù)量急劇上升[1-2]。從上述特點(diǎn)來看，新型移動(dòng)通信系統(tǒng)需要有更高的配置來滿足用戶的基本需求，繼而4G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。4G網(wǎng)絡(luò)在3G的基礎(chǔ)上增加了不同介質(zhì)下達(dá)到語音以及高清多媒體界面等業(yè)務(wù)，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)使得人們的生活更為豐富多彩，但是與此同時(shí)4G技術(shù)也面臨著寬帶利用功率低以及多徑衰落等困難，運(yùn)用OFDM技術(shù)能夠有效地解決上述問題，OFDM技術(shù)通過分解信道使得多徑衰落信道逐漸走向平坦衰落信道。簡(jiǎn)而言之，OFDM技術(shù)是一種多載波數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)，能夠有效消除符號(hào)之間的干擾，對(duì)抗多徑效應(yīng)，在4G通信中發(fā)揮著重要作用。

1 OFDM技術(shù)基本原理

OFDM技術(shù)是一種無線信道高速數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)，一方面屬于復(fù)用技術(shù)，另外一方面又屬于多載波技術(shù)。在傳輸環(huán)境較差的情況下都會(huì)使用到OFDM技術(shù)，主要原因是因?yàn)镺FDM技術(shù)具有抵抗多種干擾的作用，就算是處于被外界信號(hào)干擾的情況下OFDM技術(shù)也能夠發(fā)揮出其作用[3-4]。簡(jiǎn)而言之，OFDM技術(shù)基本流程為：通過發(fā)送數(shù)據(jù)流到符號(hào)映射到S/P轉(zhuǎn)換到編碼交織到導(dǎo)頻插入到IFFT帶插保護(hù)間隔到P/S變化到D/A轉(zhuǎn)換到發(fā)送濾波器再到無線信道，通過無線信道傳給接收濾波器再到A/D轉(zhuǎn)換到S/P變換到去保護(hù)間隔到FFT到去導(dǎo)頻到解編碼交織到P/S變換到解符號(hào)映射到接收數(shù)據(jù)流。

2 4G通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 4G通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

4G技術(shù)是以3G技術(shù)為前提，摒棄3G技術(shù)不好的功能，對(duì)其進(jìn)行深度的研究與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)3G所不能夠?qū)崿F(xiàn)的速度，在高清下載方面以及數(shù)據(jù)傳輸方面等有了重大突破。另外，4G技術(shù)本身對(duì)傳播介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)有了更高的要求，相比起以往的網(wǎng)絡(luò)信息通道更需要更寬的頻率（達(dá)到100MHz），4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到3G技術(shù)的20倍左右；4G通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量也開始發(fā)生巨大的變化，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸通道容量是3G技術(shù)的10倍左右[5-6]。

4G通信技術(shù)中的無縫通信技術(shù)是最大的突破點(diǎn)，無縫通信技術(shù)的出現(xiàn)使得移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能夠在不同的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行銜接且沒有任何障礙，有效彌補(bǔ)了3G網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)缺陷。4G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息分配方式也能夠符合不同渠道的通信條件，將實(shí)際緊密結(jié)合起來，使得通信技術(shù)能夠分配得更加合理化。

2.2 4G通信技術(shù)的缺點(diǎn)

4G通信技術(shù)在發(fā)展高效傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)也帶來一定程度的弊端，舉例來說，通話的容量較小，不能高效滿足人們的通話需求，因此只能利用OFDM技術(shù)來彌補(bǔ)此項(xiàng)缺陷。3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠滿足人們大量通話需求，因此4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍然需要在通話容量方面加以深入研究，繼而有效解決上述缺點(diǎn)，提供更為優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)。

2.3 4G通信技術(shù)安全目標(biāo)

4G通信技術(shù)安全目標(biāo)有以下幾個(gè)：（1）可用性，保證網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器不會(huì)被惡意破壞；（2）互相操作性，確保安全解決方案能夠避免互相操作性問題；（3）易使用性，可以讓用戶能夠更為安全地使用相關(guān)功能和服務(wù)；（4）靈活性，安全系機(jī)構(gòu)必須非常靈活，繼而能夠適應(yīng)自身的脆弱性以及不斷變化的安全需求；（5）QoS 保證，類似與加密算法的安全解決方案能夠滿足QoS顯著以及語音需求等。

3 OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 頻譜利用率高

相比起常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)，OFDM系統(tǒng)就有更大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在能夠最大限度地利用資源，在各個(gè)子載波之間存在正交性，OFDM系統(tǒng)可以使得各個(gè)子載波的頻譜互相重疊，也就是說當(dāng)子載波數(shù)量達(dá)到最多時(shí)系統(tǒng)的頻譜利用率最高，可以達(dá)到2BAUD/Hz。

3.2 抗多徑能力強(qiáng)

OFDM技術(shù)能夠?qū)⒏咚贁?shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)能夠持續(xù)增加，有效降低各個(gè)子載波之間的符號(hào)速率，減輕ISI（符號(hào)間干擾）的干擾；與此同時(shí)，引入CP（循環(huán)前綴）、克服ICI（鄰信道之間的干擾）、保持子載波正交性?；诖?，接收機(jī)不需要采用時(shí)域均衡器，有效降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。相比起3G網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)核心以CDMA為對(duì)抗多徑，需要復(fù)雜的均衡器，在實(shí)現(xiàn)過程中遇到的困難比較多。

3.3 抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)

OFDM技術(shù)將寬帶信道轉(zhuǎn)化成幾個(gè)平坦的窄帶子信道，每一個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每一個(gè)子信道生的頻率選擇性衰落可以被當(dāng)作是平坦性衰落。利用OFDM技術(shù)可以自動(dòng)提供頻率分集，聯(lián)合各個(gè)子載波編碼，進(jìn)一步增強(qiáng)深度衰落的子載波信息，將其進(jìn)行正確恢復(fù)。

3.4 調(diào)制解調(diào)實(shí)現(xiàn)容易

通過FFT（快速傅里葉變換）、IFFT（快速傅里葉反變換）可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)子信道之間的解調(diào)與調(diào)制，與此同時(shí)，采用FFT與IFFT能夠在處理很多子載波數(shù)量時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。目前，隨著DSP技術(shù)以及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)FT與IFFT技術(shù)非常容易實(shí)現(xiàn)。另外，OFDM技術(shù)中的窄帶干擾會(huì)影響到一小部分子信道，在一定程度上能夠抵抗此種干擾。為了能夠有效提高OFDM系統(tǒng)的傳輸速率，各個(gè)子載波可以選擇頻率極高的多進(jìn)制調(diào)劑方式。OFDM技術(shù)中的主要優(yōu)勢(shì)能夠滿足4G的高速傳輸需求，因此也相應(yīng)成為了4G通信中的核心技術(shù)。

3.5 OFDM系統(tǒng)支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中一般存在著非對(duì)稱性，也就是說無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中的下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量要大于上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸量，通過使用不同的子信道，OFDM系統(tǒng)可以將下行鏈路與上行鏈路的不同傳輸速率有效實(shí)現(xiàn)，物理層需要支持非對(duì)稱性業(yè)務(wù)。OFDM系統(tǒng)恰好可以滿足上述相關(guān)要求，確保物理層支持非對(duì)稱的高速率數(shù)據(jù)傳輸作用。

3.6 OFDM技術(shù)能夠與多址方式結(jié)合使用

OFDM系統(tǒng)能夠與以下多種多址方式相互結(jié)合使用：（1）OFDM-TDMA；（2）MIMO-OFDM；（3）MCCDMA。用戶可以同時(shí)采用OFDM技術(shù)來有效實(shí)現(xiàn)信息高速率傳輸，使得通信質(zhì)量能夠有很大程度的提高。

4 OFDM技術(shù)在4G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用

4G又被稱為是第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)，4G技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，相比起3G網(wǎng)絡(luò)，4G更符合個(gè)人通信，目前來看，對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)達(dá)到以下共識(shí)：（1）最低數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到2Mb/s，最高達(dá)到100Mb/s；（2）實(shí)現(xiàn)無縫漫游，與各種媒體以及各種同通信主機(jī)達(dá)到無縫連接；（3）高度智能化的網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)所使用的智能技術(shù)能夠科學(xué)化以及自主化地分配好資源，處理不同信道環(huán)境下的業(yè)務(wù)以及容量，在操作方面具有更強(qiáng)大的應(yīng)用；（4）實(shí)現(xiàn)不同的 Q＆S業(yè)務(wù)，4G通信系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)帶寬以及調(diào)節(jié)好發(fā)射功率所使用的不同類型業(yè)務(wù)，能夠讓用戶在使用過程中獲得自己所需要的信息，繼而將信息系統(tǒng)以及個(gè)人通信有機(jī)結(jié)合起來，更為安全地向用戶提供豐富多彩的應(yīng)用與服務(wù)。

5 結(jié)束語

綜上所述，為了達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的目標(biāo)，相關(guān)技術(shù)人員需要對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的接入以及網(wǎng)絡(luò)的交換等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新突破，尤其是在頻譜資源有限的環(huán)境下，工作人員的關(guān)注點(diǎn)都在如何提高且安全可靠地運(yùn)行高速率數(shù)據(jù)傳輸問題上。因此，數(shù)據(jù)傳輸速率有可能受到一定程度的限制，倘若使用高于信道的帶寬，那么信號(hào)的質(zhì)量會(huì)有一定程度的下降，需要人們深入研究。

[1]劉明騫，李兵兵，趙雷等.多徑信道下OFDM信號(hào)子載波的調(diào)制方式識(shí)別新方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011.

[2]朱勇旭，易芝玲，吳斌等.WLAN MIMO-OFDM系統(tǒng)DSAP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014.

[3]何雪云，宋榮方，周克琴等.基于壓縮感知的OFDM系統(tǒng)稀疏信道估計(jì)新方法研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010.

[4]王進(jìn)祥，吳新春，毛志剛等.降低OFDM信號(hào)PAPR的低復(fù)雜度PTS方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010.

[5]黃敏，李兵兵.基于整體最小二乘的聯(lián)合信道估計(jì)及OFDM信號(hào)檢測(cè)算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2014.

[6]趙睿，鄒應(yīng)全，李春國(guó)等.多用戶MIMO網(wǎng)絡(luò)的OFDM放大轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼策略[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2010.