ofdm系统中在频率较低的子载波上传输，符号间干扰要小一些，误码率较低，?
单载波调制和OFDM调制
单载波的调制：
单载波的调制就是采用一个信号载波传送所有的数据信号。无线信道的多路径散射会造成相邻符号之间的干扰，就是我们常说的符号间干扰（ISI）。如果这一信号使有用信号恶化，影响到射频信号的正确解调，那么有两种方法来解决：
一种是在接收机端采用均衡器来消除ISI干扰，可以达到接近OFDM调制的误码率。
另一种是采用分集天线的方式可以有效地消除这种干扰，即采用两个不同方向的天线来进行接收。对于3.5G的频段，在城市的覆盖区中，不同天线接收的信号必须将延迟均方根值速度限制在1us或者更少，尽量减少延迟速度大于10us的信号的比例。对于这些延迟速度的值，本地时间均衡器提供一个简单的解决方法。按照这种方式，单载波系统能够与OFDM调制方式提供相同的误码率。
时分单载波处理系统提供很大的灵活性，因为发射的数据包能被动态调整到恰当的长度，而最小数据包的长度上没有限制。如果需要，很小长度的数据包都能够被处理，如短的确认信号等。这种方式相对于以数据块交换的系统如OFDM有着更高的传输效率和更低传输延迟的优点。
单载波调制的其它关键优势：
单载波避免了多载波系统的在各相位相同时的最大瞬时电功率与平均电功率的比值（PAPR）很大的问题，这样在设计中可以采用更经济高效的功率放大器，技术更成熟，系统的稳定性更高。
单载波系统对频率偏移和相位噪声要求相对于OFDM系统要低得多。
对于突发的点对多点的通信系统，单载波的调制方式能够使频率和时间同步设计变得更加简单，同时提高了系统的稳定性。
OFDM 调制：
OFDM调制方式是一种多载波调制方式，这种方式将一个载波分为许多个带宽较窄的次载波，这些次载波相互正交，采用快速傅立叶变换将这些次载波信号进行编码。
次载波频分器将信号反转，使之正交，对于n个次载波，每一个次载波的符号速率被载波调制器分为整个符号速率的1/n，这使得调制后符号速率长于多经延迟从而减少符号间干扰（ISI）。但是还是需要均衡器来纠正次载波的相位和增益。OFDM系统的复杂性在于同时发射端和接收端进行傅立叶变换。
OFDM调制并不能增加信号电平
接收信号的电平取决于中心站收发信机的发射电平、回馈、天线增益和无线传输链路中的衰落情况，也就是说，无论采用何种调制技术，对于同样频段的射频信号，同样的中心站发射功率谱密度，在同一个CPE远端站处，接收到的信号电平是恒定的，采用OFDM技术并不能提高该远端站的接收电平。
那么，OFDM能解决什么问题呢？设计较好的OFDM系统可以有效解决多经干扰问题（请注意，并不是所有的OFDM系统都可以有效作到这一点）。OFDM系统通过多个次载波同步传输有效载荷，并采用差错纠正编码，对于因为多路径接收到的、时延不同的、相位不同的信号有较好的抑制。
如果该CPE远端站的接收电平低于接收机门限电平，那么，OFDM系统同样无法正确解调，CPE在该地点也无法工作。
设计了均衡器的单载波系统同样可以达到类似的效果。
次载波的数量:
OFDM只是一种调制技术，而衡量一个系统的好坏不能只看一个系统是否是OFDM调制方式，而应该看该系统的实际实现方式，如次载波的数量就是一个最基本的因素。目前市场中通常设计的次载波数量有多种，如64、128、256、512、1024个次载波等，其中，次载波的数量越多，对多经干扰的抑制能力越强，反之越差。如采用64或128个差载波设计的系统对多经的抑制极为有限，但是设计简单，成本低，容易实现，反之，如512或1024次载波，对多经干扰抑制能力较强，但是成本较高，设计复杂，产品的成熟度较差。市场上真正作到512或1024个次载波的系统少之又少。
循环前导开销：
每个OFDM次载波符号中必须包含一个循环前导码，用来避免符号间干扰。但是循环前导码导致极大的开销，而且次载波越多，循环前导码开销越大，频谱利用率越低，这些次载波的开销加起来的总开销远大于单载波的开销。而开销大对于3.5GHz有限的频率资源是极为不利的。
减少开销的办法是减少次载波的数量，但是，相应的抑制多经的能力也较差。显然，开销和系统性能是OFDM无法调和矛盾，对于3.5GHz无线接入频率资源少的情况就尤其明显。
另外，每256个次载波中只有200个次载波用来传输有效载荷，其余的载波用来坐差错纠正编码、同步控制、重传等。每3.5MHz载波中有大于500KHz用来作频率隔离。如此可见，为了实现OFDM调制，系统需要牺牲很多宝贵的频率资源和特性，我们认为对频率资源有限的3.5GHz无线接入来说是非常不合算的。
频率控制：
OFDM采用正交的次载波，在这些次载波中有1%的空间用于频率控制。频率偏移误差意味着次载波不能够正交，这样会导致载波间干扰从而造成设备性能的下降。
例如：在3.5MHz的带宽中，分为512个次载波，频率间隔为6.8KHz，要求频率的准确度高于68Hz。正由于这种原因，OFDM对于频率偏移和相位噪声的要求非常高，需要特性较高的射频处理部件。次载波的数量越多，频率间隔越小。要求的频率准确度也越高。在宽带无线接入系统中，通过无线电波进行传送数据，会有多种环境因素导致额外的频率偏移，使得目前的OFDM系统的稳定性能远未达到预期的目标
OFDM编码和解码的要求：
OFDM信道中一个无效的频率导致一个或多个次载波的信噪比变得非常低，这些次载波将导致总的误码率下降。正是以上原因，OFDM没有任何的电平/速率适配器和调制解调器。在这一方面，比单载波调制的效果要差一些。实现OFDM的基本要求是在每个接收机的每个次载波中均作到信号电平和比特率之间的最优化，但是对于下行采用广播方式的系统来说是不可能的。
避免每个次载波出现无效频率相应的另外一种方法是使用差错控制编码，采用非常低的编码速率，通常是在0.5到0.75范围之间，该种编码后的OFDM和单载波调制有着相似的效果，，这样会造成整个系统数据吞吐量的严重下降，另外，这样会增加接收机的复杂度，特别是卷积码的复杂度。
OFDM和单载波调制在复杂度上最大的区别是：如果没有电平/速率适配器，用在误码调制上的开销将是无法避免的并且非常的大。
| 调制方式
| 次载波(n)
| 每载波的信号速率khz
| 码元长度
| 延迟（us）
| 额外延迟（Bits）
| | OFDM
| 128
| 19.5
| 128
| 51
| 128
| | OFDM
| 256
| 9.75
| 256
| 103
| 640
| | OFDM
| 512
| 4.88
| 512
| 205
| 1664
| | OFDM
| 1024
| 2.44
| 1024
| 410
| 3712
| | SC
| 1
| 2500
| 96
| 38
| 0
|
(表一：OFDM和单载波的延迟比较)
延迟和包处理：
OFDM中的快速傅立叶变换被执行的包的大小为”f ”。在这里，f与次载波的数量n的值相等。如果次载波的数量增加，对于FFT的包的尺寸也要增加，使得每个发送的包需要最小的包尺寸，导致传输小的突发数据时产生大的延迟和较低的效率。OFDM的时延长主要是由于一个完整的OFDM数据块只够传输一个最小的突发数据包。
在表一中，我们可以看到：OFDM系统和单载波系统的延迟和额外延迟数据。假设我们在宽带无线接入系统中采用3.5Mhz的带宽。采用单载波调制，符号速率为2.5MHz，采用ATM封装，分别利用OFDM和单载波进行传送，对于单载波调制采用16QAM的调制方式，对于OFDM调制方式采用53个次载波，每一个载波承担一个ATM信元，外加一些子信道用于防护带和引导作用，例如，在512个次载波的OFDM信元中（有效地次载波信元为425个），能够承载8个ATM信元。但是，OFDM符号不能够被发送，直到该符号是满的，这就意味着如果仅仅一个ATM信元被发送，那么它的有效延迟和7个ATM净荷一样（即n=512）.
单载波传送系统非常有效，这是由于数据包的长度能够被减少到适合ATM的净速率。
同步：
OFDM系统的同步相对于单载波调制系统来讲，要难以实现一些。需要花费一些OFDM符号，每一个符号要花去一部分次载波用于寻址，这在宽带OFDM中是可行的（例如HDTV）,因为其中有足够的时间来处理同步信号，但是，对于突发性的数据来讲，点对多点的传送（特别是上传时）系统能够处理同步信号的时间就变得非常的少，而同步信号对于系统而言，又是必须的。（PrasetyoDD）
最大瞬时电功率与平均电功率的比值（PAPR）:
随着次载波数量的增加，PAPR也会随之增加，下表二显示了不同数量的次载波对应的PAPR的CDF值。举例来讲：一个带有512个次载波的OFDM波的PAPR动态范围为6-9dB，平均值为8dB。采用编码的方式使PAPR值小范围的减少是可能的，这这种做法的代价是减少了有用数据的比例。一般采用OFDM方式编码的功放要比单载波的功放要多4-5dB的功放回退.
高成本：
OFDM系统比SC系统的成本要高一些主要是由于OFDM在频率控制方面需要很高的要求和在功率回退方面的线性要求。并且，次载波数量越多，系统性能越好，但是对同步、差错纠正编码、关键元器件的精度和稳定性等的要求越高，系统设计越复杂，系统稳定性越难控制。总之，成本低的OFDM系统的性能较差，性能好的系统成本也高，不利于运营商的成本回收。
系统吞吐量小：
由于轮询前导码、错误控制码和减小PARR，每个3.5MHz载波中，有大于500KHz的频率需用来传输控制、纠错和同步等信息，即开销，当所有的开销定义以后，OFDM系统的吞吐量要远低于SC系统，每个中心站能够支持的用户数量也少得多，因为运营商的频率资源有限，每个扇区的载波数量有限，为了达到和单载波系统相同的系统容量，只能通过增加中心站数量的方法来实现，相应增加了运营商的设备投资和运营成本。
综 述：
ü 单载波调制：
单载波调制系统提供了一个高效率、高灵活性和稳定性高的点对多点无线通信解决方案。包长可以动态调整，对所有的大包、小包的传输效率都很高。单载波系统避免了PAPR，比如与OFDM相关的相位噪声和频率偏移问题，单载波系统可以允许低成本的CPE硬件而不需要折衷效果，可以支持更多的远端站用户。
ü OFDM调制：
如果采用昂贵的、线性好的功放， OFDM调制方式能够提供很好的性能。在每一个大功率和高比特率的次载波都能提供最佳的效果和的DSL系统，OFDM工作效果也很好。然而对于突发业务、点对多点的无线方面，在功率/比特率自适应方面不适合，因为错误控制码是强制性的，这样降低了系统的吞吐量。循环前导码标明了一个附加开销和固化的OFDM符号尺寸导致对小包的时延，延时直到整个OFDM码元被填满为止。高PAPR要求功率放大器回退和线性特性很好，这些都将使OFDM系统在功放方面的费用远高于一个同等的单载波系统。另一个特殊费用负担是需要低噪声的射频器件来应付增加的相位噪声敏感性和频率偏移（OFDM的基本特性）。
对固定的无线系统的适应性
频谱利用率和吞吐量
大多数OFDM是基于FWA特性讨论了有限频谱效率或者实际数据比特率，这些与每秒每赫兹的调制效率是相反的。OFDM系统不可避免的需要很高的码元传输，同步和接入竞争开销。这些开销意味着对OFDM系统整体而言很大，效率很低。
很难对大多数的OFDM系统进行量化的评估。一个设计很好的单载波系统在多通道传输时可与OFDM相匹配，也可提供相当的效率，可以提供80％的实际用户的业务速率。对一个OFDM系统，同样的设计为40%左右——是同样的单载波系统的一半数据吞吐量。对频率资源有限的3.5GHz无线接入来说，仅仅是因为采用了OFDM标准，很多带宽资源被浪费了。
最重要的一点是，技术本身无所谓好和坏，关键是看该技术是否适合某一个特定的市场的需求，是否适合特定应用的要求，是否适合运营商的实际需求。对于3.5GHz无线固定接入市场来说，如果帮助运营商用最少的成本，来最大限度地利用有限的频率资源，远比盲目追求华而不实的技术和标准更为重要。
自适应OFDM调制解调徐静琴 李兵兵
（西安电子科技大学，陕西西安 710071）
摘 要 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，适合高速数据传输。自适应OFDM调制解调根据信道估计的结果对比特与功率进行动态分配以达到充分利用频带资源、提高系统整体性能的目的。本文对OFDM自适应调制解调的基本原理及其相关技术进行了分析。
关键词 OFDM；自适应调制；算法
1 引言无线信道的一个重要特点是多径传播，这使接收信号相互重叠，产生符号间干扰（ISI）。正交频分复用（OFDM）的概念是由B.R.Saltaberg在20世纪60年代提出的，它使用并行数据传输和子信道相互交叠的技术，在充分利用可用带宽的同时，对抗突发噪声和多径失真。
物理信道对于宽带的OFDM系统一般会呈现出较为明显的频率选择性，这种条件下传输错误通常集中于严重衰落的子载波中。如果对所有子载波均采用相同的调制方式，则会严重影响系统总体性能。针对信道的频域选择性特征，可以采用自适应调制解调的方式，通过对信道参数的估计，动态地分配子信道的比特数和改变调制方式以适应信道要求，达到最佳传输性能，因此自适应OFDM具有重要的理论研究价值和广泛的应用前景。
2 OFDM的自适应调制解调原理自适应调制的原理就是当信道条件好时，采用高阶的调制方式，当信道条件差时，采用低阶的调制方式。
用户的模拟信号经过A/D转换后，转换成二进制数据。二进制数据进行串并变换，然后数据送入自适应子载波调制模块。数据在自适应载波模块中根据自适应比特分配算法对各个子信道采取响应方式的调制。调制方式可以采用MQAM或MPSK调制。调制后的数据经IFFT变换将N列的数据序列变换为时域信号。插入保护间隔可以有效的消除符号间干扰（ISI）信道为加性白噪声的频率选择时变衰落信道。在接收端，接收到的信号经去除保护间隔和分路后进行FFT变换，得到N列并行信号，送入各个子信道解调器。调制参数由比特分配信息模块给定。解调后的数据再经并串和D/A转换还原成用户数据。
在信道估计模块中，自适应OFDM调制解调需要对信道进行精确估计，根据接收的导频信号可对数据子信道的冲激响应进行估计，估计的结果可用来确定每个子信道的信噪比，根据不同的算法确定各个子信道下一次传输采用的基带调制方式，从而实现多载波方式下的自适应调制。
3 自适应OFDM调制算法3.1 基于连续比特分配算法该算法是在一定的数据速率和误码率的约束下，根据信道特性，自适应调整每一个子载波的发射功率使系统的总发射功率达到最小的一种链路自适应方式。公式表达为：
限制条件，  。
在频率选择性衰落信道中，不同的子载波可以经历独立的衰落情况， аn表示第n个子载波上的信道衰落幅度。f (c)表示在信道增益等于1时，一个子载波实现可靠接受c个信息比特所需的接收能量。在迭代算法中每次只分配一个比特，并且这个比特被分配给满足指定BER条件下需要增加的发射功率最小的子载波上，同时该子载波也相应地增加发射功率以保证BER。该算法的复杂度取决于每个OFDM符号承载的比特数。因此当子载波数量较大，且每个符号周期包含的比特数也较多时的多载波系统中，该自适应算法的速度比较慢。
3.2 基于频谱效率最优的自适应算法P.S Chow提出了一种实用化的自适应比特和功率分配策略，大大降低了算法复杂度，提高了速度，使自适应调制可以应用在高速数据传输中。该算法的目标是在数据速率以及误码率的约束条件下，得到每个子载波上的比特分配方式以达到最优的系统性能余量，最后根据每个子载波上的比特分配来调整发射功率来满足误码率的要求。算法是根据每个子载波上的信道容量来进行比特和功率分配的。算法中的第i个子载波的比特数目由下式计算：
系统的总数据速率为  。
其中，SNR(i)是第 i个子载波上的信噪比；  表示理论信道容量与各种调制方案的实际信道容量之间差值的一个常数； 表示系统性能的余量，它在迭代中被确定最终保证系统提供的总速率达到目标速率。在接收端，该算法首先计算每个子载波的SNR，根据此SNR计算每个子载波上支持的速率以及系统支持的总速率。如果系统性能  的总速率和目标速率不相等，那么就调整性能余量 ，并重新计算系统支持的速率，经过反复的迭代最终得到满足速率要求时每个子载波上的比特分配方式。最后调整发射功率保证每个子载波上的BER。
3.3 基于系统误比特率性能最优的自适应调制算法Fischer提出的算法与chow算法不同，它的最优化准则是在维持恒定传输速率和给定总发射功率的前提下，使系统的误比特率性能功能达到最优。当所有子载波上的误比特率相等时，系统的误比特率达到最小值。当所有子载波上的误比特率相等时，先把各个子载波上的噪声功率值 存储下来，接下来就只需进行一些加法和除数为整数的除法，因为它的复杂度较chow算法有了进一步的降低。
步骤1：初始化。首先必须已知各个子载波上的噪声方差ni，i=1，2…，N，N为子载波的总数。设置目标比特速率，也就是要分配的比特总数RT。记N’为已使用的子载波数，设N’的初值N’=N。记激活的子载波集合为I，设I 的初值 I={1，2，…，N}。然后计算各个子载波的  ，i=1，2，…，N，并把这些值存储下来，这样下次使用时不需要再做对数运算。
步骤2：计算 I 中各个子载波可分配的比特数目。
步骤3：若Ri≤0且i∈I，那么N`=N`-1，把第i个子载波从I中删除。然后转到步骤2，继续下去直到Ri>0，i∈I。
步骤4：由于激活子载波上所分配的比特数Ri一般情况下都不是整数，所以必须进行量化。RQi =round(Ri)。量化误差等于△Ri=Ri-RQi。。
步骤5：计算分配的比特总数  。
步骤6：若  ，则转到下一步，否则调整Ri直到  。
若Rsum> RT，找到最小的△Ri且RQi>0，调整RQi= RQi-1，Rsum=Rsum-1，△Ri=△Ri+1.
若 Rsum< RT，找到最小的△Ri且RQi>0，调整RQi= RQi+1，Rsum=Rsum+1，△Ri=△Ri-1.
步骤7：最后一个步骤是功率分配。每个激活的子载波上分配的发射功率按下式计算。
以上是Fischer算法的各个步骤。因为Fischer算法给出了比特分配和功率分配的闭式解。所以算法复杂度较小，适合高速无线数据传输。而且它的误比特率性能接近与Chow算法。
3.4 基于子带分配算法随子载波数目的增大，每个子载波所占的带宽变小，这样距离近的子载波的信道特性相关性较大，因此在不严重降低系统容量的前提下，为了减少计算量，提高比特分配速率，可将相邻的m个子载波作为一个子带，子带中的所有子载波都使用相同的比特分配方式。使用该方法时要注意子带大小要合适。若选择太大时，子带内的子载波之间的相关性变小，那么此时必须使用子带中衰落最大的子载波的信道特性作为比特分配的依据。基于子带划分的自适应OFDM调制算法可以分为以下几种：
(1) 固定门限自适应算法。系统根据误码率的要求对于每种调制方式都对应有固定的信噪比门限，在每个子带内，根据误码率和每个子载波的信噪比选出满足所有子载波误码率要求的最高阶调制方式作为子带内所有子载波共同采用的调制方式，这种算法实质上是采用的子带内信道最差估计方法，通过使用误码率优先原则，对系统性能有一定的影响。
(2) 子带BER估计自适应算法。上述固定门限自适应算法采用信噪比最低的子载波所采用的调制方式，此时子带的平均BER已经低于系统BER的要求，是系统资源造成一定的浪费。因此采用使子带BER估计自适应算法中子带内的平均误比特率满足系统要求的前提下，使得发送数据最大的方法。该方法也应用了误码率最优的原则。
基于自适应OFDM的调制解调技术能有效的提高系统的性能，因此已经成为研究的热点。目前，除了以上所述的方法外，还有一些改进的次最优的算法。例如：多用户OFDM系统的动态资源分配、MIMO与OFDM相结合等。
4 结束语OFDM由于其频谱利用率高、抗干扰能力强等优点在数据通信领域中得到了广泛的应用，被认为是未来无线通信的关键技术之一。在OFDM系统中使用自适应调制技术，不但可以大大地提高频谱利用效率，系统的误码率也有了明显的改进。与自适应OFDM调制解调相关的信道估计、自适应动态资源分配算法等关键技术则越来越受到关注。
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收稿日期：7月16日 修改日期：7月23日
作者简介：徐静琴(1979-)，女，湖北，在读研究生，主要研究方向：多速率信号处理、数字通信；李兵兵 (1955-)，男，江苏，教授，主要研究方向：多速率信号处理、数字通信。
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发表于 2009-3-19 10:45:11
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