LTE系统是3G向4G过渡的演进技术，它具有高数据速率、低时延性、基于OFDM和MIMO技术的全IP网络结构、高阶的调制技术等特征，是专门针对高数据量的需求而设计的技术。本文分析并研究了LTE系统的关键技术中的OFDM 技术，包括LTE系统的发展特点、OFDM技术的发展特点及基本原理。

关键词：OFDM技术，LTE

自古以来，人们对于远距离通信的畅想一直未曾停住脚步。移动通信是无线通信的一种，通过无线电波传送信息。 第一代蜂窝通信基于模拟幅度调制，资源按照固定频率划分(频分多址，FDMA)，模拟制式下的语音信号没有经过信源压缩，缺乏信道编码的纠错保护，发射功率也无有效控制，所以干扰非常严重。将TDMA时分多址技术与 FDMA技术相结合是第二代移动通信系统标准的基础，它主要以欧洲的GSM系统为代表，不仅提供了质量更高的语音业务，还实现了低速的数据传输业务，它的频谱利用率高、标准开放，在全球得到了普及。第三代移动通信系统（3G〉充分利用已有的TDMA、CDMA（码分多址)、和FDMA技术，形成了包括WCDMA、cdma2000、以及我国的TD-SCDMA技术在内的全球的三大技术标准，从而使多媒体数据业务的速度更高。随着移动通信系统向第四代系统演进，OFDM技术、MIMO技术、SDMA技术等在移动通信系统中得到应用。其中OFDM 技术凭借独特的魅力掀起了学术研究的热潮，几乎成了未来无线通信技术的标志。

正交频分复用技术即 OFDM，可以看作一种多载波调制技术。20世纪60年代就有人提出了OFDM技术，但由于相干解调阵列、正弦波载波发生器、基带成形滤波器阵列等技术难点，使并行传输系统难以实现。70年代，两位科学家提出一种能够实现多载波调制的技术，即离散傅里叶变换(DFT）及其快速算法，在OFDM的调制解调中应用DFT和IFFT技术，使OFDM技术的实用化得以实现。80年代，越来越多的人开始研究在移动通信和高速调制解调技术中更好的应用多载波调制技术。近年来，随着DSP技术和大规模集成电路CPLD的飞速发展，运用专门的芯片就可以实现载波高达成千上万的 DFT功能，从而OFDM 技术在无线通信环境中实用化的程度得以大大推动，同时人们也更广泛的关注到OFDM技术如何应用到高速数据传输领域中。最终，OFDM 技术被大量应用在高速的无线通信系统，包括802.11a、802.16、ADSL(非对称数字环路)等系统;同时也包括4G移动通信系统,例如LTE系统以及后续的LTE-A等系统。

(1)串/并转换把高速率数据符号流，变成低速的数据符号流，相对加长了各个子载波上数据符号的持续长度。这减少了系统接收机对于均衡器要求的复杂度， 也减少了无线信道中时间弥散所带来的符号间干扰 。同时循环前缀的引入可以直接消除ISI带来的不利影响，甚至由此可以省去均衡器。 (2)系统中各子载波之间的正交特性，这使得子信道的频谱之间不需要保护频带，而可以相互重叠，提高频谱资源的利用率。当子载波的个数趋于无穷时，系统的频谱利用率可以达到理论的极限值为2Baud/Hz。 (3)在各个子信道的正交调制和解调的过程中，可以采用离散傅里叶反变换（IDFT)和离散傅里叶变换（DFT）的方法来实现。 (4)数据业务上下行的不对称性。 (5)与其他不同接入方式的灵活结合使用，从而构成正交频分多址接入OFDMA系统。可以在同一时间，向不同的用户提供基于OFDM技术的高速数据传输业务。 (6)OFDM可以很好的降低多径效应对于信号的不利影响，可以在高层建筑物、地理位置上高低不平的环境下、信号散射严重的复杂地形环境和密集的居民区等场景下使用。另外，OFDM技术能敏感的感知传输媒介中通信特性的突变，并且能够动态的适应变化，并且能够采用切断相应的原载波和接通新的载波来保证通信业务的成功进行。 尽管OFDM 拥有种种优良特性，但仍然存在两个最主要的技术局限性; (1)对较高的峰值与均值功率比，由于载波的数量巨大，一些时域的OFDM样本信号会达到非常大的数量级，这个数量级将超出线性放大器的动态区域，从而由于非线性失真导致性能下降（更高的误比特率)。 (2)对于相位噪声、频率偏移比较敏感。

LTE的标准化工作始于2004年，研究阶段持续至2006年。第一个标准的版本于2008年完成。 LTE系统具有高速性能、低时延性、基于OFDM 和 MIMO 技术的全IP网 络结构、高阶的调制技术等的特征。在LTE系统中，传统的电路域和分组域网络将会融合到一个全IP的网络中，该网络可以支持各种不同类型的QoS。 LTE系统分为FDD和TDD两种不同的双工模式。同时基于OFDM和 MIMO 的技术是LTE空中接口所采用的方式，单个用户的峰值速率需求为下行100Mbps，上行50Mbps的标准客。LTE被认为是3.9G技术，因此我们可以把它看作是一个过渡标准。同时，更低的系统延迟、更高的数据传输速率、更大的系统容量、更广泛的覆盖范围和更低的运营成本是LTE标准自己的发展目标。

(1)在20MHz传输带宽的情况下，下行峰值速率为100Mb/s，上行峰值速率为50Mb/s。通信速率和频谱效率有了很大的提高。 (2)在系统架构设计上，将基于分组交换，并充分考虑严格的QoS机制，保证对实时业务的服务质量。 (3)支持高速移动速率是LTE系统的基础，同时也充分考虑到要使小区边缘用户吞吐量得到改善、使低速率移动的用户质量得到改善等系统需求。 (4)在系统部署上，充分考虑灵活性问题，支持多种系统带宽。 (5)有效支持各种类型的业务，最大限度的支持非对称频谱和对称频谱的有效使用，同时增强的核心网和 IMS(IP 多媒体子系统)也得到了有效支持。 (6)支持增强型的多播组播业务，具有很好的向下兼容性。 (7)系统和终端的合理设计，从而使得终端成本、终端功耗等得到显著降低。

OFDM技术的基本思想是在可用频段范围内，将信道“划分”成若干个正交的子信道。通过串并转换，把高速串行数据流变成多个低速并行数据流，进而让每个低速数据流都可以经过每一个子载波的调制。然后，在每个子信道上进行传输，可以使得每个子信道上的符号周期相对的增加，同时还能够保持总的数据速率是恒定的，从而降低甚至避免了每个子信道上的符号间干扰。

上图的OFDM系统模型可以称为多载波调制解调的框图。 星座映射指的是一种数字调制方式。在OFDM中，每个数字调制信号直接映射到所分配的子载波上，这个映射由一个基带的DFT或者IDFT来完成。其中常用的数字调制方式有BPSK、QPSK、16-QAM 和 64-QAM等。任何一个OFDM符号,都是输入数据流经过正交幅度调制(QAM)或者相移键控(MPSK)后的子载波的合成信号。以下我们以MPSK调制方式为例。 MPSK调制为幅度恒定的M进制相位调制，用M种相位表示k比特码元的2k种状态，k 比特码元的持续时间为Ts，即码元宽度。 N个经过数字调制的信号叠加成为一个OFDM符号，在各个子载波上分配要传输的比特，MPSK调制可以把这些要传输的比特符号，映射为子载波的幅度、相位。由图2，从开始为OFDM符号（等效基带信号)，可以得出下式: 其中相邻子载波之间相差一个周期，每个子载波在一个OFDM符号周期内要包含整数个符号周期T。子载波的正交性表示为: 在时间长度T内，对第j个子载波进行积分，就可解调恢复出期望符号;而对于其它情况解调时;其他情况积分结果为零。因此，OFDM信号的频谱可被视为，用以T为周期的矩形脉冲频谱与各子载波的脉冲响应做卷积。从而得出的函数结果，由此以4个子载波为例表示OFDM信号频谱示意图如下。

OFDM的基带调制采用IDFT进行，可以认为，接收端先在频域进行输入数据的编码映射，然后经IFFT的计算处理，转化为时域信号发送出去，接收端通过FFT解调出所需要的频域信号。

图4 OFDM的收发信机框图 发送端先对数据进行编码(即为信道编码)，然后对编码的数据进行交织(包括前向纠错、比特交织处理);接下来是串并变换的处理、星座映射即数字调制。常用的调制方式有BPSK、QPSK、l6-QAM和64-QAM等。不管采用哪种调制方式，输入信号都可映射为复数，输出值S可表示为: