综合分析OFDM技术在各个领域的应用

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韩旭东        从技术层面来看，第四代移动通信系统将有望以OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）为核心技术，主要理由是无线电频率使用效益高、抗噪声能力强、适合高速数据传输等。然而OFDM仍有许多问题待解决，不过部分标准的制订工作已经接近尾声且即将商用化（如数字音频广播），目前，OFDM技术已经广泛应用于无线局域网领域，但若要应用在移动通信领域仍需时日。
        目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视(HDTV)、无线城域网、无线局域网（WLAN），甚至3G的CDMA也开始引入OFDM技术思想以提升其性能。
        技术不再陌生
        OFDM（正交频分复用技术）是一种无线环境下的高速传输技术。众所周知，无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率，如图所示。另一方面，OFDM技术也存在缺陷：对频率偏移和相位噪声很敏感；峰值与均值功率比相对较大，这个比值的增大会降低射频放大器的效率。
        应用日益广泛
        近年来，围绕OFDM存在的两个缺陷，业内人士进行了大量研究工作，并且已经取得了进展。OFDM技术既可用于移动的无线网络，也可以用于固定的无线网络，它通过在楼层、使用者、交通工具和现场之间的信号切换，有效地解决了其中的信息冲突问题。
        领域一:高清晰度数字电视广播
        OFDM在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播（DAB）标准是第一个正式使用OFDM的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统中采用的调制技术中就包括OFDM技术，欧洲HDTV传输系统已经采用COFDM（codedOFDM：编码OFDM）技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。选择OFDM作为数字音频广播和数字视频广播（DVB）的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。
        因此不难看出，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的DAB系统使用的OFDM调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移动中接收无线广播的效果，用于DAB的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中进行，它将使OFDM接收机的价格大大降低，其市场前景非常看好。
        领域二：无线局域网
        大家知道，HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbps，实际应用最低也能保持在20Mbps左右。另外，IEEE802.11无线局域网工作于ISM免许可证频段，分别在5.8GHz和2.4GHz两个频段定义了采用OFDM技术的IEEE802.11a和IEEE802.11g标准，其最高数据传输速率提高到54Mbps。
        技术的不断发展，引发了融合。一些4G及3.5G的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，以提升WLAN的性能。如802.11a和802.11g采用OFDM调制技术，提高了传输速率，增加了网络吞吐量。802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里（并且能够保障100Mbps的传输速率）。
        而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbps的数据传输速率还远远不够。为了进一步提升无线局域网的数据传输速率，实现有线与无线局域网的无缝结合，IEEE成立了IEEE802.11n工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准。IEEE802.11n计划将WLAN的传输速率从802.11a和802.11g的54Mbps增加至108Mbps以上，最高速率可达320Mbps，成为802.11b/a/g之后的另一场重头戏。和以往的802.11标准不同，802.11n协议为双频工作模式（包含2.4GHz和5.8GHz两个工作频段）。这样802.11n保证了与以往的802.11a/b/g标准兼容。
        领域三：宽带无线接入
        OFDM技术适用于无线环境下的高速传输，不仅应用于无线局域网，还在宽带无线接入（BWA）中得到应用。IEEE802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，它已经开发了一个2GHz～11GHzBWA的标准—IEEE802.16a，物理层就采用了OFDM技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重要意义。
        在BWA领域，一些公司开发的技术虽然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些专利技术，如Cisco和Iospan公司的VectorOFDM（VOFDM）、Wi-LAN公司的WidebandOFDM（WOFDM）、Flarion公司的flash-OFDM。其中，VOFDM由Cisco公司支持，WOFDM则由Wi-LAN公司提出，构成了基于两个组织的OFDM两大阵营：宽带无线Internet论坛（BWIF）和OFDM论坛，它们力图使自己的OFDM模式成为标准。其中由Wi-LAN公司倡导的OFDM论坛，有50多个成员，其中有如Breezecom、start-upBeamReach Networks和Nokia等参加，主要是协调提交到IEEE的OFDM提案。而宽带Internet论坛（BWIF）则是在Cisco倡导下，由IEEE工业标准技术组织IEEE-ISTO成立的，其主要目标是提供低成本宽带无线接入技术，号召采用基于VOFDM的标准作为解决方案。
        领域四：3GCDMA的新概念
        为满足未来无线多媒体通信需求，人们在加紧实现3G系统商业化的同时，开始了后3G（Beyond3G）的研究。从技术方面看，3G主要以CDMA技术为核心技术，而未来移动通信系统则以OFDM技术最受瞩目。在宽带接入系统中，由于OFDM系统具备良好的特性，将成为下一代蜂窝移动通信网络的有力支撑。
        另外一个事实是，3G网络现在面临诸多的问题，例如它的数据传输速度远远达不到广告中宣称的2Mbps，其实际传输速度仅为0.4Mbps左右，而当网络繁忙时可能连这一速度的三分之一都达不到。这一状况仅仅足够传输高质量的音频，用户要想传输高质量的视频恐怕还需要继续等待。
        CDMA技术为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。为了推动3G的发展，人们开始研究将OFDM技术的优势引入到CDMA系统中，推出MC-CDMA技术。与普通的DS-CDMA相比，MC-CDMA系统具有下述优点：
        （1）具有更大的灵活性。例如，在OFDM信号中加入保护时间带来的灵活性，可以使得在不同小区环境中达到最佳的频谱利用率；
        （2）高容量，高性能。由于频率交织，系统提供了更多重数的频率分集，因此，可以应用不同检测方法充分挖掘这种分集提供的增益；
        （3）高抗干扰性；
        （4）不需要均衡。由于多载波调制的特性，它将高速率信号分割成多个低速率信号，使得信号波形间的干扰得到消除，因此可以不需要均衡。
        综上所述，在时代交替之际，旧有系统之整合与升级是产业关心的话题，目前大家谈的是GSM如何升级到第三代移动通信系统，而未来则是CDMA如何与OFDM技术相结合？可以预计，CDMA绝对不会在第四代移动通信系统中消失，而是将成为其应用技术的一部份，或许未来也会有新的整合技术如OFDM/CDMA产生。前文所提到的数字音频广播，其实它真正运用的技术是OFDM/FDMA的整合技术，同样是利用两种技术的结合。因此未来以OFDM为核心技术的第四代移动通信系统，也将会结合两项技术的优点。