OFDM是LTE物理層最基礎的技術。MIMO、帶寬自適應技術、動態(tài)資源調(diào)度技術都建立在OFDM技術之上得以實現(xiàn)。LTE標準體系最基礎、最復雜、最個性的地方是物理層。

1.OFDM

正交頻分復用技術，由多載波技術MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制）發(fā)展而來，OFDM既屬于調(diào)制技術，又屬于復用技術。采用快速傅里葉變換FFT可以很好地實現(xiàn)OFDM技術，在以前由于技術條件限制，實現(xiàn)傅里葉變換的設備難度大，直到DSP芯片技術發(fā)展，F(xiàn)FT技術實現(xiàn)設備成本降低，OFDM技術才走向高速數(shù)字移動通信領域。首批應用OFDM技術的無線制式有WLAN、WiMax等。

1.1 OFDM和CDMA

多址技術是任何無線制式的關鍵技術。LTE標準制定時面臨的兩大選擇是CDMA和OFDM。不選擇CDMA的原因如下：

• 首先CDMA不適合寬帶傳輸，CDMA相對于GSM不過是增加了系統(tǒng)容量，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。但CDMA在大帶寬時，擴頻實現(xiàn)困難，器件復雜度增加。所以WCDMA不能把帶寬從5MHz增加到20MHz或更大。假如未來無線制式支持100MHz，CDMA缺點更大，但OFDM不存在這個問題。
• 其次CDMA屬于高通專利，每年需要向其支付高額專利費用。
• 最后，從頻譜效率上講，在5MHz帶寬時兩者頻譜效率差不多，在更高帶寬時，OFDM的優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)。

使用CDMA無法滿足LTE制定的帶寬靈活配置、時延低、容量大、系統(tǒng)復雜度低的演進目標，OFDM是真正適用于寬度傳輸?shù)募夹g。

LTE采用OFDM，空中接口的處理相對簡單，有利于設計全新的物理層架構，有利于使用更大的帶寬，有利于更高階的MIMO技術實現(xiàn)，降低終端復雜性，方便實現(xiàn)LTE確定的演進目標。

1.2 OFDM本質(zhì)

OFDM本質(zhì)上是一個頻分復用系統(tǒng)。FDM并不陌生，用收音機接收廣播時，不同廣播電臺使用不同頻率，經(jīng)過帶通濾波器的通帶，把想要聽的廣播電臺接收下來，如圖所示。

1G、2G、3G都用到FDM技術，將整個系統(tǒng)的頻帶劃分為多個帶寬互相隔離的子載波；接收端必備器件是濾波器，通過濾波器，將所需的子載波信息接收下來。

通過保護帶寬隔離的不同子載波，雖可以避免不同載波的互相干擾，但犧牲了頻譜利用效率。另外當子載波數(shù)成百上千時濾波器的實現(xiàn)就非常困難了。

OFDM雖然也是一種FDM，但它客服了傳統(tǒng)FDM頻譜利用率低的缺點，接收端也無需用濾波器去區(qū)分子載波。

OFDM就是利用相互正交的子載波來實現(xiàn)多載波通信的技術。在基帶相互正交的子載波就是類似sinwt，sin2wt……和coswt，cos2wt，cos3wt……的正弦波和余弦波，屬于基帶調(diào)制部分?；鶐Щハ嗾坏淖虞d波再調(diào)制到射頻載波ωc上，稱為可以發(fā)射出去的射頻信號。

在接收端，將信號從射頻載波上解調(diào)下來，在基帶用相應的子載波通過碼元周期內(nèi)的積分把原始信號解調(diào)出來?；鶐渌虞d波信號與信號解調(diào)所用的子載波由于相互正交，在一個碼元周期內(nèi)積分結果為0，所以不會對信息的提取產(chǎn)生影響。

整個OFDM調(diào)制/解調(diào)過程如圖所示。

在時域上信號為一個非周期矩形波，在頻域上滿足A=sinc(f)=sinf/f的曲線。假若有很多路不同的方波信號，在基帶經(jīng)過不同頻率的子載波調(diào)制，形成了如圖所示的基帶信號頻譜圖，然后經(jīng)過射頻調(diào)制，最終傳送出去的射頻信號頻譜圖如圖所示。

子載波之間的頻率間隔為OFDM符號周期的倒數(shù)，每個子載波的頻譜都是sinc()函數(shù)。該函數(shù)以子載波頻率間隔為周期反復的出現(xiàn)零值，這個零值剛好落在其他子載波的峰值頻率處，所以對其他子載波的影響為0。

經(jīng)過基帶多個頻點的子載波調(diào)制的多路信號，在頻域中是頻譜相互交疊的子載波。由于這些子載波相互正交，原則上彼此攜帶的信息互不影響。在接收端，通過相應的射頻解調(diào)和基帶解調(diào)過程，可以恢復出原始的多路方波信號。

2.OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 并行傳輸

多徑時延會引起符號間干擾（Inter Symbol Interference，ISI），增大系統(tǒng)自干擾。頻率選擇性衰落易引起較大的信號失真，需要信道均衡操作，帶寬越大，信道均衡操作越難。

OFDM中，并行傳輸技術可以降低符號間干擾，簡化接收機信道均衡操作，便于MIMO技術的引入。

在發(fā)射端，用戶高速數(shù)據(jù)流進過串/并轉(zhuǎn)化后成為多個低速率碼流，每個碼流可用一個子載波發(fā)送，并行傳輸技術使每個碼元的傳輸周期大幅增加，降低了系統(tǒng)自干擾。當多徑時延τ比碼元周期大很多時，自干擾較嚴重；相反地，當多徑時延比碼元周期小時，系統(tǒng)自干擾減小。

對于寬帶單載波傳輸，為克服頻率選擇性衰落引起的信號失真，需要增加復雜的信道均衡操作。使用并行傳輸技術將寬帶單載波轉(zhuǎn)換為多個窄帶子載波操作，每個子載波信道響應近似沒有失真，接收機的信道均衡操作簡單，極大地降低了信號失真。

2.2 FFT

使用快速傅里葉變換FFT可以較好地實現(xiàn)正交變換。在發(fā)射端，OFDM系統(tǒng)使用IFFT（逆快速傅里葉變換）模塊來實現(xiàn)多載波映射疊加過程，經(jīng)過IFFT模塊可將大量窄帶子載波頻域信號變換成時域信號，如圖所示。

在接收端，OFDM系統(tǒng)不能用帶痛濾波器來分隔子載波，而是用FFT模塊把重疊在一起的波形分隔出來。

總之，OFDM系統(tǒng)在調(diào)制時用IFFT，解調(diào)時用FFT。

2.3 加入CP

由于多徑時延，導致OFDM符號到達接收端可能帶來符號間干擾（ISI），還可能使得不同子載波到達接收端后，不能再保持絕對的正交性，因此存在多載波間干擾（ICI），如圖所示。

如果在OFDM符號發(fā)送前，在碼元間插入保護間隔，當保護空間足夠大的時候，多徑時延造成的影響不會延伸到下一個符號周期內(nèi)，從而消除了符號間干擾和多載波間干擾，如圖所示。

OFDM中，使用的保護間隔是CP（Cyclic Prefix，循環(huán)前綴）。所謂循環(huán)前綴，就是將每個OFDM符號的尾部一段復制到符號之前，如圖所示。加入CP，比起純粹的加空閑保護時段來說，增加了冗余符號信息，更有利于克服干擾。

CP的作用：

（1）CP作為保護間隔，大大減少了ISI。

（2）CP可以保證信道間的正交性，大大減少了ICI。

3.OFDM參數(shù)

與OFDM系統(tǒng)設計相關的參數(shù)有三類：與傅里葉變換相關的參數(shù)、與頻域資源和時域資源相關的參數(shù)。

（1）快速傅里葉變換

OFDM使用FFT及IFFT，實現(xiàn)頻域多個子載波與時域信號間的映射。FFT是離散傅里葉變換，和他相關的參數(shù)有FFT采樣點數(shù)NFFT、采樣頻率Fs、采樣周期Ts

采樣點NFFT越大，變換過程中信息失真越少，但對芯片速度要求越高。

采樣頻率Fs、采樣周期Ts互為倒數(shù)。

（2）頻域參數(shù)

子載波間隔△f是影響OFDM性能的重要參數(shù)，

△f不能設計的過小，過小對抗多普勒頻移的影響能力下降，無法支撐高速移動的無線通信。也不能設計的過大，過大OFDM符號周期T就會過小，于是為克服子載波間干擾ICI，加入CP的開銷相對于有用符號來說就會過大，使傳送效率受影響。

典型的△f在10-20KHz之間。LTE的子載波間隔為15KHz，而WiMAX子載波間隔為10.98KHz。

采樣頻率Fs與采樣點數(shù)NFFT之比就是△f，即△f=Fs/NFFT。

子載波間隔△f和OFDM符號周期T互為倒數(shù)，即△f=1/T

△f與可用子載波數(shù)目Nc的乘積，即為信道帶寬Bw，即Bw=Nc×△f，但在系統(tǒng)設計時帶寬要留有足夠的余量，所以Bw要遠大于Nc×△f

（3）時域參數(shù)

一個OFDM符號周期TOFDM應包括有用符號周期時間Tu和循環(huán)前綴時間Tcp，即TOFDM=Tu+Tcp

OFDM系統(tǒng)的一個時隙長度Tslot會包括多個OFDM符號周期TOFDM。對于LTE常規(guī)時隙來說，一個時隙包括7個OFDM符號周期，即Tslot=7×TOFDM

CP的長度Tcp不能過小，必須能夠大于覆蓋范圍內(nèi)可能的多徑時延，否則將會造成ISI，同時CP長度Tcp也不能太大，否則冗余開銷太大，會影響系統(tǒng)的信息傳送效率。LTE中為適應不同應用場景，設計了多種CP長度

4.OFDM多址接入

4.1 OFDMA

4.2 SC-FDMA

DFT-S-OFDM技術是一種調(diào)制復用技術，在IFFT處理之前，使用使用DFT可以將時域信號s(t)轉(zhuǎn)換到頻域進行擴展。然后再經(jīng)過IFFT模塊,又變成時域信號，然后發(fā)送出去。

4.3 虛擬資源塊VRB

5.OFDM特點

5.1 OFDM優(yōu)點

5.2 OFDM缺點