浅析4G移动通信系统的核心技术

摘要：文章简述了4G移动通信系统中使用的两类核心技术CDMA多址通信和OFDM多载波调制技术，并对各自的工作原理和特点进行了归纳总结，在此基础上，探讨了三种基于OFDM的多载波CDMA系统方案，即MC-CDMA、MC-DS-CDMA和MT-CDMA，研究三种方案的基本原理并对各自优缺点进行探讨。

关键词：多径效应；码间串扰；信道间干扰；OFDM-CDMA融合方案；4G移动通信系统

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）34-0027-02

从1G到3G/4G移动通信，短短几十年，数字移动通信制式经历了从频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）到码分多址（CDMA）的演进，CDMA多址系统以系统容量大、抗信道干扰能力强、辐射功率少的优势超越FDMA、TDMA多址系统，一跃成为3G/4G移动通信系统的核心制式标准。随着移动通信宽带化、综合化和智能化的发展趋势，人们对通信系统传输速率提出更高要求，高速率势必会造成严重符号间串扰（ISI）和信道间干扰（ICI）。正交频分复用调制技术（OFDM）以其良好的抗频率选择性衰落和抗码间干扰等优势成为4G移动通信系统的核心技术之一，本文旨在探讨适用于宽带移动通信中的OFDM-CDMA融合技术方案。

1 CDMA多址通信原理

CDMA是码分多址接入技术的缩写，是数字移动通信中的一种先进的无线扩频通信技术，它能够满足市场对移动通信容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。CDMA属于扩频通信，基本思想是用伪随机编码把窄带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度信号进行发射。由于扩频中使用不同的伪随机编码区分用户，不同用户可在同频段、同时间工作而互不影响或影响极小。具体说来，在发端用户使用各自不同的伪随机编码调制信号，在接收端使用与发端相同的伪随机码做扩频解调处理，从宽带信号中恢复出基带信号。显然，当接收端不知道扩频使用的伪随机编码时，要进行解扩是不可能的，因此能实现信息的保密通信。CDMA最早由美国高通公司推出，由于技术和市场等因素得以迅速发展，成为3G/4G移动通信系统的核心技术。与FDMA、TDMA相比，CDMA技术有其独特优点，具体表现为通话质量好、掉话率少、消耗功率小、辐射低、健康环保等。在2.5G阶段，CDMA 1X RTT与GPRS在技术上已有明显不同，在传输速率上CDMA2000.1X RTT高于GPRS，在新业务承载上也比GPRS成熟，可提供更多的中高速率的新业务。从2.5G向3G技术体制过渡上，CDMA2000.1X向CDMA2000.3X过渡比GPRS向WCDMA过渡更为平滑。

然而CDMA是一种自干扰系统，由于来自非同步CDMA网中不同的用户的扩频序列不完全正交，从而引起多址干扰。另外，由于系统中用户使用相同的载频同时工作，许多用户共用一个信道，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，从而产生“远近效应”，影响用户通话。随着移动通信朝着宽带化、智能化的方向发展，要求系统提供更高的传输速率，CDMA系统自身的问题越发明显，为此人们又提出了许多新方法来改进传统CDMA系统的容量并提升其抗干扰能力，其中利用OFDM技术的优势来提升CDMA系统的性能成为当前研究的热点。

2 OFDM调制技术

OFDM即正交频分复用技术，是一种多载波调制技术，其突出优点是可以化频率选择性衰落信道（由于多径衰落产生的）为平坦衰落信道，提高通信系统的抗干扰性能。其主要原理是：将一定带宽的信道分成若干正交子信道，将高速串行数据信号转换成低速并行的子数据流，调制到每个正交子信道上进行传输。由于子信道正交，在接收端可采用相关技术来分开数据流，减少子信道之间的相互干扰。由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除信号码间干扰。此外由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一部分，信道均衡变得相对容易。OFDM成为3G/4G通信中的关键技术，其优势在于：

（1）在带宽很窄情况下也能传送大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力要优于CDMA技术。

（2）OFDM能动态匹配信道条件，接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信，该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。

（3）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰，具有很强的抗衰落能力，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输，结合各个子载波的联合编码，可以进一步提高系统性能。

（4）信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

3 OFDM-CDMA融合方案

CDMA虽然具有容量大、抗干扰能力强等优点，然而传统的CDMA系统属窄带扩频系统，它的数据速率较低，不能满足3G/4G高速数据通信的需要，而OFDM则具有高数据速率传输的特点，可以利用OFDM技术实现CDMA通信系统抗干扰性能的提升。目前研究热点主要集中在多载波码分多址（MC-CDMA）、多载波直扩码分多址（MC-DS-CDMA）和多音码分多址（MT-CDMA）三种方案上，具体分析如下：

（1）MC-CDMA采用扩频码对原始数据扩频后将每一码片调制到不同的子载波上，即在频域完成扩频，可以获得频率分集的效果，具体说来，先将原始数据流复制成N路并行数据，每一路数据乘以长度为N的频域扩展码的一位，再调制到互相正交的子载波上进行传输，该技术能有效对抗多径效应引起的符号间串扰（ISI）并具有频率分集的优点。该技术具有传统CDMA抗干扰能力强、容量大等优点和OFDM技术抗多径干扰能力，非常适宜于无线高速数据传输。MC-CDMA被认为是未来无线移动通信中最有潜力的方案之一。

（2）MC-DS-CDMA是在发送端，先对各个用户的数据信息进行串并变换，然后对并行的每路信号进行相同的短码扩频，再进行OFDM调制传输。和OFDM系统类似，MC-DS-CDMA频谱中相邻的子带频谱有一半重叠，且保持正交关系。此种方案的扩频序列一般选择较短的序列，是因为扩频后的数据带宽被限制在一个子载波里。优点：对上行传输链路比较有利，因为它不需要用户间的同步；缺点：因为没有频率分集作用，不同子载波受到的多普勒频移不同，会引起一定程度码间串扰。

（3）MT-CDMA方案与MC-DS-CDMA类似，扩频都是在时域完成，在时域待传输数据先进行串并变换，之后经长扩频码扩频（此处长扩频码的使用是为了扩大系统容量），再经OFDM调制传输。由于在扩频前，各子载波具有满足正交情况下的最小频率间隔，经长扩频后信号的频谱将发生变化，子载波间不再满足正交关系。与MC-DS-CDMA不同的是，扩频序列的码片持续期与子载波的频率间隔不再互为倒数关系。MT-CDMA方案使用与子载波数目成正比的更长的扩展码，扩频码长度远大于DS-CDMA方案，具有更大的扩频处理增益，因此该系统可以容纳更多的用户。该方案的缺点在于各个子载波在同一物理信道中心部分的频谱叠加成分最多且子载波不正交，导致码间串扰和信道间干扰。

综上，当使用相同脉冲时，MC-CDMA和MC-DS-CDMA所需频带宽度是DS-CDMA的一半；MT-CDMA与DS-CDMA的带宽近似相同。三种方案均利用OFDM的多载波调制思想，利用其频率分集有效抑制窄带衰落，但具体实现方法不同：MC-CDMA中扩频在频域完成，OFDM在时域完成，最终的信号仍为OFDM信号，OFDM与CDMA的各自优点得到保留；后两种方案扩频在时域完成，最终的信号相当于调制在各个子载波上的多个CDMA信号的叠加，不再具有OFDM正交性，因此导致码间串扰和信道间干扰，接收机的复杂性提高。MC-CDMA中用户的同一比特信息被分配到所有子信道中在频域实现了分集增益，而后两种方案中，不同子信道传输的是用户不同的信息没有频域的分集增益，MC-CDMA的误码率性能优于后两者。

作者简介：谢越（1976—），男，安徽巢湖人，供职于上海钧晟机电技术有限公司。