循环前缀基本原理 - 基于OFDM技术的4G通信网络应用

　　2.3 循环前缀基本原理

　　在OFDM系统中，为了最大限度地消除符号间干扰，在每个OFDM符号之间要插入保护间隔，该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。

　　在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即保护间隔是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰，即子载波之间的正交性遭到破坏，使不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径传播造成的信道间干扰，将原来宽度为T的OFDM符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔，如下图3所示：\

　　将保护间隔内的信号称为循环前缀（Cyclicprefix）。由图3可以看出，循环前缀中的信号与OFDM符号尾部宽度为Tg的部分相同。在实际系统中，OFDM符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。接收端首先将接收符号开始的宽度为Tg的部分丢弃，将剩余的宽度为T的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。

　　通过在OFDM符号内加入循环前缀可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期个数是整数。这样，时延小于保护间隔Tg的时延信号就不会在解调的过程中产生信道间干扰。

　　通过对上述两个技术环节的分析可以看出，OFDM的调制解调技术可以降低硬件实现的复杂度；循环前缀技术可以有效消除由于多径传播造成的信道间干扰影响。这些对于4G通信系统降低设备成本以及提高信号质量都是至关重要的。

　　3 OFDM与CDMA技术的比较分析

　　作为4G中的核心技术，4G通信系统在频谱利用率、高速率多媒体服务的支持、调制方式的灵活性及抗多径信道干扰等方面优于3G通信系统。

　　这主要缘于4G采用的OFDM技术与3G中采用的CDMA技术在其技术特点上存在着差异。下面就从抗多径干扰、调制技术以及峰均功率比这三个方面对OFDM与CDMA的技术特点进行对比分析。

　　3.1 抗多径干扰

　　无线信道中，由于信道传输特性不理想容易产生多径传播效应，多径传播效应会造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，使接收端判断错误，从而严重地影响信号传输的质量，易造成符号间干扰。

　　CDMA系统中，为了减小多径干扰，CDMA接收机采用了分离多径（RAKE）分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源，RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等，试验证明，如果路径数超过7或8条，这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低，RAKE的接收性能下降就会很快。

　　OFDM将高速率的信号转换成低速率的信号，从而扩展了信号的周期，减弱了多径传播的影响，同时通过加循环前缀的方式，使各子载波之间相互正交，减少了ISI和各信道间的干扰，在4G的多媒体通信中能够提高通信质量。

　　3.2 调制技术

　　CDMA系统中，下行链路采用了多载波调制技术，但每条链路上的调制方式相同，上行链路不支持多载波调制，这使得CDMA系统丧失了一定的灵活性；同时，由于此链路的非正交性，使得不同调制方式的用户会产生很大的噪声干扰。

　　OFDM的上、下行链路都采用多载波调制技术，并且每条链路中的调制方式也可以根据实际信道的状况/自适应调制0,从而更加灵活。在信噪比（SNR）满足一定要求的前提下，对质量好的信道可以采用高阶调制技术（16QAM等）；在信道质量差的情况下，可以采用低阶调制技术（QPSK等），从而使系统可以在频谱利用率和误码率之间得到最佳配置。

　　3.3 峰均功率比

　　峰均功率比就是峰值与均值的功率比，定义为信号的最大峰值功率和同一信号平均功率之比，简称峰均比。

　　在实际应用中这是一个不容忽视的重要因素。因为较高的PAPR将导致发送端对功率放大器的线性要求也较高，这意味着要设备的功耗将增大，因此就要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸，从而导致设备成本的提高。

　　CDMA系统的PAPR一般在5-11dB,并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。OFDM信号是由多个独立的经过调制的正交子载波信号叠加而成，这种合成信号有可能产生比较大的峰值功率，从而带来较大的PAPR。目前，用来控制OFDM的PAPR的技术主要有以下两种：

　　（1）信号失真技术

　　采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。

　　（2）扰码技术

　　采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0,从而使OFDM的PAPR减少。具体的实现技术包括：编码、局部扰码、部分发送序列。

　　综上所述，在抗多径干扰、调制技术方面，OFDM的性能优于CDMA技术，并且可以通过其他技术来降低其峰均功率比。与第三代移动通信系统相比，OFDM以其更加灵活的调制方式、更强的抗多径干扰的能力以及更高的频谱利用率，全面提高了4G通信系统的性能，改善了4G移动业务的服务质量，并且大幅度降低了4G通信系统的成本，因而成为4G中不可或缺的核心技术。

　　4 结语

　　OFDM通过频域划分互相正交的子信道使其频谱效率与传统的频分复用技术相比有显着提高，同时由于子信道可以划分得很窄因而每一个子信道都很平坦，避免了使用复杂的均衡器。通过使用循环前缀，一方面消除了OFDM符号间干扰，另一方面保证了子载波之间的正交性，这对于频率选择性衰落信道克服多径干扰尤其有效。但是，OFDM还不是尽善尽美并存在许多问题需要解决。日后在4G的深入研究中应考虑将OFDM与其他技术进行结合（OFDM-CDMA等），从而达到更好的通信质量。