OFDM技术发展历程

OFDM技术其实是由早期的多载波(MCM)技术发展而来的，它最先由贝尔实验室的R.W.Chang于1966年提出，Chang并对该技术申请了专利。该技术基于频分多路复用(FDM)技术，但其独特之处在于子载波间相互重叠，大大地提高了并行数据传输的效率。OFDM波形示意如图5-1所示。

图5-1 OFDM波形示意

1971年，Weinstein和Ebert在R.W.Chang工作的基础上提出了一种基于傅里叶变换的OFDM系统实现方法。也就是说，OFDM可以通过采用快速傅里叶变换(FFT)的数字信号处理(DSP)方法简单实现。

对于无线信道中最头疼的多径效应问题，OFDM技术则通过添加保护间隔的方法克服。这一方法虽然不能完全克服子载波间的干扰，但是采用傅里叶变换的实现方法却是一个非常重要的贡献，使得OFDM可以用数字信号处理方法简单实现，为它的大规模使用奠定了基础。

1980年，Peled和Ruiz在此基础上又提出了通过在每一个OFDM符号前添加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)对抗无线信道多径效应的方法。其基本思路是通过这一方法，把无线信道多径效应的线性卷积关系转变为循环卷积关系，而后再通过傅里叶逆变换方法复原发送信号。理论上，只要CP的长度大于信道中最大的多径时延，接收侧就可以把原始发送信号完整复原出来。

OFDM既是一种调制技术，也是一种多址技术。这一技术可以有效地对抗无线通信中的多径效应，可以在较差的信道环境中有效传输数据。但是，早期由于受到技术条件的限制，实现傅里叶变换所需的设备复杂度大、成本高，使得OFDM技术无法实现大规模应用。在2G和3G的标准化过程中，都曾经有提案采用OFDM，但是由于考虑计算的复杂性和终端功耗等而被否决。

随着数字信号处理和半导体芯片技术的发展，OFDM在很多地方开始获得了应用，如数字音频广播(DAB)系统、数字视频广播(DVB-T)系统、无线局域网(WLAN，802.11a/g/n)、WiMAX(802.16)等。OFDM最终成了4G和5G时代所选用的波形技术。

目前业界使用较多的是采用循环前缀的CP-OFDM波形。CP-OFDM波形实现示意如图5-2所示。

图5-2 CP-OFDM波形实现示意

CP-OFDM通过在每一个符号(symbol)的前部添加循环前置，有效地对抗了最大延迟(delay spread)小于循环前缀长度的无线信道多径效应。(www.xing528.com)

LTE系统的上行终端侧在IFFT前通常先对数据进行一个DFT的操作，业界称其为离散傅里叶变换扩展OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM，DFT-S-OFDM)或SC-FDMA。这样做可以有效地降低发射波形的峰值对均值之比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)，以降低功放回退的要求，从而降低终端发射机的功耗。基站侧对于功耗的要求没那么苛刻，所以在下行则不进行这个DFT扩展的操作，以减少数字信号处理的需要。

CP-OFDM具有如下主要优点。

①频谱效率非常高。这主要归功于并行的数据传输和频率重叠。

②有效抵抗无线信道所面临的最大问题，即多径效应和频率选择性衰落。

③可以采用FFT/IFFT算法实现波形变换，易于发射机和接收机的硬件实现，以及可在频域进行信道的均衡处理。

④利用子载波的正交性消除小区间的干扰。

⑤易于与自适应调制技术和大规模天线MIMO技术进行适配。

说起LTE，就不能不提到它的伙伴WiMAX。