面向5G通信的OFDM技术研究

郑天宇 西南大学电子信息工程学院

面向5G通信的OFDM技术研究

郑天宇 西南大学电子信息工程学院

5G阶段是移动通信新的发展趋势，OFDM技术是解决5G中频谱利用率一项关键技术。本研究从频谱利用率角度出发介绍了OFDM技术，通过划分若干个正交子载波，高效利用了有限的频谱资源，同时降低了系统的符号间干扰。最终通过matlab实验验证了系统的可靠性。

5G 频谱利用率 OFDM 正交 matlab仿真

绪论

在现代科技的推动下，移动通信技术从早期模拟通信的1G技术，过渡到基于数字通信的4G阶段，提供的业务也从单一的语音业务发展到集语音、图像、视频的多媒体业务，保密性和传输速率显著提升。而当下海量终端设备的出现和新服务的快速普及推广对于移动通信提出新的需求，5G技术已然成为通信领域研究的热点。

5G作为新一代的移动通信，肩负改善并创新现有移动通信的使命。具有以下几方面特点：1）注重用户体验2）通信速率大幅提升3）低时延4）绿色节能。与此同时，5G通信技术也面临诸多挑战，其中最突出的是：前四代移动通信占用大量的频谱资源，5G通信如何整合以及高效利用频谱成为一项挑战，能否有效的突破，是5G移动通信发展的关键。

一、5G关键技术—OFDM

众所周知，在通信领域，频谱资源的利用一直都是热点问题。目前几乎所有的通信系统的频谱都集中在300MHz-6GHz的频段上，而这个频段已经有大量频谱被占用，100MHz以上的连续频谱已经很难被找到，提出新的整合方法来利用有限的频谱资源势在必行。

（一）OFDM的基本概念

正交频分复用技术，即OFDM技术，由MCM（多载波调制技术）发展而来。它的调制和解调是基于IFFT和FFT来实现的，是复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样不仅可以减少子信道之间的相互干扰，而且能够有效消除码间串扰。

（二）OFDM与传统FDM对比

在传统的频分复用技术（FDM）中，系统总带宽被划分为占用着不同的频率N个子信道，为保证接收端能够正确地分离各子信道的数据，必须留出一定的保护间隔，这些间隔就造成了频谱资源的浪费。

对于OFDM技术，由于在一个码元持续时间内任意两个子载波都正交，即使它们的频谱发生重叠，接收端也可以利用正交性将各路子载波分开。因此，子信道之间不需要保护间隔，这样就能有效地提高频谱利用率。

图1 FDM与OFDM频谱利用率对比图

（三）OFDM的优缺点

OFDM技术有以下优点：

1.子载波正交使得符号间干扰减小。

2.最大化地利用频谱资源。

3.基于IFFT与FFT的调制和解调易于实现。

4.支持非对称高速率数据传输。

但是OFDM系统由于存在多个正交的，而且其输出信号是多个子信道信号的叠加，因此相比传统单载波系统，存在如下缺点：

1.易受信道时变性和频率偏差的影响，敏感性较差。

2.较高的峰值平均功率比可能带来信号畸变。

（四）OFDM的关键技术

1.时域和频域同步

OFDM系统对定时和频率偏移敏感，时域和频率同步尤为重要。不仅要保证下行链路中基站须向各个移动终端广播发送同步信号，同时在上行链路中须使不同移动终端的信号同步到达基站，才能确保子载波正交。

2.信道编码和交织

通过对信道的交织，以及子载波之间的卷积编码等方式，改善信道的特性，降低误码率，提升数字通信系统的性能。

3.均衡

在高度散射的信道中，循环前缀的长度必须很长，通过增加加均衡器以使循环前缀的长度适当减小，达到频谱利用率提高的目的。

二、matlab仿真验证误比特率

OFDM系统，随着信噪比的增加，误比特值在逐渐的减小，而且实际仿真出的误比特曲线与理想曲线较为接近，误差较小。因此，系统误比特性和可靠性较高。

图2 OFDM系统的误比特曲线

三、小结

5G移动通信是未来通信发展的趋势，然而频谱资源的有效利用是一个巨大挑战。本文介绍了一种面向5G的OFDM技术，通过划分正交的子载波，提升了频谱利用率，降低符号间干扰，并通过实验检测系统的误比特性能，以此证明OFDM技术实用性和可靠性较高。

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