面向5G通信的OFDM技術(shù)研究

鄭天宇 西南大學電子信息工程學院

面向5G通信的OFDM技術(shù)研究

鄭天宇 西南大學電子信息工程學院

5G階段是移動通信新的發(fā)展趨勢，OFDM技術(shù)是解決5G中頻譜利用率一項關(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)，通過劃分若干個正交子載波，高效利用了有限的頻譜資源，同時降低了系統(tǒng)的符號間干擾。最終通過matlab實驗驗證了系統(tǒng)的可靠性。

5G 頻譜利用率 OFDM 正交 matlab仿真

緒論

在現(xiàn)代科技的推動下，移動通信技術(shù)從早期模擬通信的1G技術(shù)，過渡到基于數(shù)字通信的4G階段，提供的業(yè)務(wù)也從單一的語音業(yè)務(wù)發(fā)展到集語音、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)的快速普及推廣對于移動通信提出新的需求，5G技術(shù)已然成為通信領(lǐng)域研究的熱點。

5G作為新一代的移動通信，肩負改善并創(chuàng)新現(xiàn)有移動通信的使命。具有以下幾方面特點：1）注重用戶體驗2）通信速率大幅提升3）低時延4）綠色節(jié)能。與此同時，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挑戰(zhàn)，能否有效的突破，是5G移動通信發(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問題。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利用有限的頻譜資源勢在必行。

（一）OFDM的基本概念

正交頻分復用技術(shù)，即OFDM技術(shù)，由MCM（多載波調(diào)制技術(shù)）發(fā)展而來。它的調(diào)制和解調(diào)是基于IFFT和FFT來實現(xiàn)的，是復雜度最低、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)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，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擾。

（二）OFDM與傳統(tǒng)FDM對比

在傳統(tǒng)的頻分復用技術(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間隔，這些間隔就造成了頻譜資源的浪費。

對于OFDM技術(shù)，由于在一個碼元持續(xù)時間內(nèi)任意兩個子載波都正交，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。因此，子信道之間不需要保護間隔，這樣就能有效地提高頻譜利用率。

圖1 FDM與OFDM頻譜利用率對比圖

（三）OFDM的優(yōu)缺點

OFDM技術(shù)有以下優(yōu)點：

1.子載波正交使得符號間干擾減小。

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)易于實現(xiàn)。

4.支持非對稱高速率數(shù)據(jù)傳輸。

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

1.易受信道時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信號畸變。

（四）OFDM的關(guān)鍵技術(shù)

1.時域和頻域同步

OFDM系統(tǒng)對定時和頻率偏移敏感，時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移動終端廣播發(fā)送同步信號，同時在上行鏈路中須使不同移動終端的信號同步到達基站，才能確保子載波正交。

2.信道編碼和交織

通過對信道的交織，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)前綴的長度必須很長，通過增加加均衡器以使循環(huán)前綴的長度適當減小，達到頻譜利用率提高的目的。

二、matlab仿真驗證誤比特率

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移動通信是未來通信發(fā)展的趨勢，然而頻譜資源的有效利用是一個巨大挑戰(zhàn)。本文介紹了一種面向5G的OFDM技術(shù)，通過劃分正交的子載波，提升了頻譜利用率，降低符號間干擾，并通過實驗檢測系統(tǒng)的誤比特性能，以此證明OFDM技術(shù)實用性和可靠性較高。

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