OFDM是LTE物理層的最基礎的技術，MIMO技術、頻寬自適應技術、動態資源排程技術都是在OFDM技術之上得以實現的。

1.OFDM技術原理

OFDM（Orthogonal Frenquency Division Multiplexing），是一種正交頻分複用技術，既屬於調製技術，也屬於複用技術。

【OFDM本質】

　　OFDM本質上是一個頻分複用系統（FDM）。FDM並不陌生，用收音機接收廣播的時候，不同的廣播電臺使用不同的頻率，經過帶通濾波器的通帶，把想要聽的廣播電臺接收下來。如下圖1所示。1G、2G、3G都用到了FDM技術。

　　將整個系統的頻帶分為多個頻寬互相隔離的子載波；接收端的必備器件是濾波器，通過濾波器，將所需的子載波資訊接收下來。

　　通過保護頻寬隔離不同子載波，雖可以避免不同載波的互相干擾，但犧牲了頻譜利用率。OFDM雖然也是一種FDM，但是它克服了傳統FDM頻譜利用率低的缺點，接收端也無須使用濾波器去區分子載波。

　　OFDM就是利用相互正交的子載波來實現多載波通訊的技術。在基帶相互正交的子載波就是類似{sin(wt)、sin(2wt)、sin(3wt)}和{cos(wt)、cos(2wt)、cos(3wt)}的正弦波和餘弦波，屬於基帶調製部分。基帶相互正交的子載波再調製在射頻載波Wc上，成為可以發射出去的射頻訊號。

　　在接收端，將訊號從射頻載波上解調下來，在基帶用相應的子載波通過碼元週期內的積分把原始訊號解調出來。基帶其他子載波訊號與訊號解調所用的子載波由於在一個碼元週期內積分結果為0，相互正交，所以不會對資訊的提取產生影響。

　　在時域上訊號為一個非週期矩形波，如圖5-5（a）所示，在頻域上是滿足A=sinc(f)=sinf/f的曲線，如圖5-5（b）所示。
　　假若有很多路不同的方波訊號，如圖5-5（c）所示，在基帶經過不同頻率的子載波調製，形成了5-5（d）所示的基帶訊號頻譜圖，經過射頻調製，最終傳送出去的射頻訊號的頻譜圖如圖5-5（e）所示。

　　子載波之間的頻率間隔為OFDM符號週期的倒數(△f=1/T)，每個子載波的頻譜都是sinc()函式。該函式以子載波頻率間隔為週期反覆地出現零值，這個零值正好落在了其他子載波的峰值頻率處，所以對其他子載波的影響為零。

　　經過基帶多個頻點的子載波調製的多路訊號，在頻域中，是頻譜相互交疊的子載波。由於這些子載波相互正交，原則上彼此攜帶的資訊互不影響。在接收端，通過相應的射頻解調和基帶解調過程，可以恢復出原始的多路方波訊號。

2.OFDM系統實現

OFDM系統包含很多功能模組，OFDM實現強相關的功能模組有3個：
（1）串並、並串轉換模組
（2）FFT、逆FFT轉換模組
（3）加CP、去CP模組

①並行傳輸

　　無線訊號在空中傳播，對訊號傳播影響較大的是多徑效應。

【多經效應】
　　指無線電波經過一點發射出去，經過直射、繞射、反射等多種路徑到達接收端的時間和訊號強度是不同的。到達時間不同，成為多徑時延或時間色散。

【選擇性衰落】
到達的訊號強度不同，稱為選擇性衰落。
由於路徑不同造成的衰落可以稱為空間選擇性衰落；
而在寬頻傳輸系統中，不同頻率在空間中的衰落特性是不一樣的，這稱為頻率選擇性衰落，如圖5-8所示。

　　多經時延可以引起符號間干擾（Inter Symbol Interference，ISI），增大了系統的自干擾。頻率選擇性衰落易引起較大的訊號失真，需要通道均衡操作，以便糾正通道對不同頻率的響應差異，儘量恢復訊號傳送前的樣子。頻寬越大，通道均衡操作越難。

　　在OFDM系統中，並行傳輸技術可以降低符號間干擾，簡化接收機通道均衡操作，便於MIMO技術的引入。

　　 在發射端，使用者的高速資料流經過串/並轉換後，成為多個低速率碼流，每個碼流可用一個子載波傳送，如圖5-9所示。這是一種並行傳輸技術，它可使每個碼元的傳輸週期大幅增加，降低了系統的自干擾。

　　對於寬頻單載波傳輸，為了克服頻率選擇性衰落引起的訊號失真，需要增加複雜通道的均衡操作。使用並行傳輸技術將寬頻單載波轉換為多個窄帶子載波操作，每個子載波的通道響應近似沒有失真，這樣，接收機的通道均衡操作非常簡單，極大地降低了訊號失真，如圖5-10所示。

②FFT

　　OFDM要求各子載波之間相互正交，在理論上已證明，使用快速傅立葉變換（FFT）可以較好地實現正交變換。但在OFDM發明初期，遇到困難，20世紀才得以使用。

　　在發射端，OFDM系統使用IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅立葉變換)模組來實現多載波對映疊加過程，經過IFFT模組可將大量窄帶子載波頻域訊號，變換成時域訊號，如圖5-11所示。

　　在接收端，OFDM系統不能用帶通濾波器來分隔子載波，而是用FFT模組把重疊在一起的波形分隔出來。

　　總之，OFDM系統在調製時，使用IFFT；在解調時，使用FFT。

③加入CP

　　 由於多徑時延的問題，導致OFDM符號到達接收端可能帶來符號間干擾（ISI）；同樣，由於多徑時延的問題，使得不同子載波到達接收端後，不能再保持絕對的正交性，為此引入了多載波間干擾（Inter Carrier Interference，ICI），如圖5-12所示。

　　如果在OFDM符號傳送前，在碼元內插入保護間隔，當保護間隔足夠大的時候，多徑時延造成的影響不會延伸到下一個符號週期內，從而消除了符號間干擾和多載波間的干擾，如圖5-13所示。

　　在OFDM中，使用的保護間隔是CP（Cyclic Prefix，迴圈字首）。所謂迴圈字首，就是將每個OFDM符號的尾部一段複製到符號之前，如圖5-14所示。加入CP，比起純粹的加空閒保護時段來說，增加了冗餘符號資訊，更有利於克服干擾。

　　加入CP如同給OFDM加一個防護外衣，攜帶有用資訊的OFDM符號在CP的保護下，不易丟失或損壞。

❤在OFDM的發展中，CP是非常重要的思想，主要有下面兩個作用：

（1）CP作為保護間隔，大大減少了ISI（符號間干擾，Inter Symbol Interference）
（2）CP可以保證通道間的正交性，大大減少了ICI（多載波間干擾，Inter Carrier Interference）

3.OFDM引數

　　與OFDM系統設計相關的引數有3類：與傅立葉變換相關的引數、與頻域資源和時域資源相關的引數，如下表。

（1）快速傅立葉變換引數
　　 OFDM系統採用快速傅立葉變換及其逆變換，實現頻域多個子載波與時域訊號之間的對映；快速傅立葉變換是離散傅立葉變換。

取樣點Nfft越大，變換過程中的資訊失真越少，但對晶片的運算速度要求越高。
Fs=1/Ts  //取樣頻率Fs 取樣週期Ts

（2）頻域引數

OFDM系統的子載波的間隔△f是影響OFDM效能的很重要的引數。
　　△f不能設計過小，過小的話，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訊；
　　△f不能設計過大，過大的話，OFDM符號週期T就會過小（T=1/△f），於是為克服子載波間的干擾，加入CP的開銷相對於有用符號來說就會過大，使傳送效率受到影響。

　　典型的△f在10~20kHz之間。LTE的子載波間隔△f=15kHz，而WiMax(全球微波互聯接入,802.16)的子載波間隔△f=10.98kHz。

1.△f=Fs/Nfft  //子載波間隔△f 取樣頻率Fs 取樣點數目Nfft
 （Ts=T/Nfft） //取樣週期Ts OFDM符號週期T 取樣點數目Nfft（Fs=1/Ts）

2.△f=1/T      //子載波間隔△f OFDM符號週期T

3.Bw=Nc*△f    //通道頻寬Bw 有效子載波數目Nc
（但在系統設計時，頻寬要留有足夠的餘量，所以Bw要遠遠大於Nc*△f）

（3）時域引數

Tofdm=Tu+Tcp   //一個OFDM符號週期Tofdm 有用符號時間Tu 迴圈字首的時間Tcp

　　OFDM系統的一個時隙長度Tslot會包括多個OFDM符號週期Tofdm。對於LTE常規時隙來說，一個時隙包括7個OFDM符號週期，即

Tslot = 7*Tofdm

　　CP的長度Tcp不能過小，必須能夠大於覆蓋範圍內可能的多徑時延(見圖5-13)，否則將會造成符號干擾（ISI）；另一方面，CP的長度Tcp不能過大，冗餘開銷太大，會影響系統的資訊傳送效率。在LTE中，根據不同應用場景的需要，設計了多種CP長度。

4.OFDM多址接入

　　LTE的空中介面的多址技術是以OFDM技術為基礎的。前面講的OFDM是從調製複用的角度上介紹的，這裡從使用者多址接入的角度介紹OFDM。

　　LTE的多址接入技術上、下行有別：下行主要是OFDMA技術，上行主要是SC-FDMA。

　　既然是多址方式，就需要給不同的使用者分配不同的資源。那麼OFDM系統使用者接入的資源是什麼呢？
　　OFDM多址接入的資源具有時間和頻率兩個維度。這兩個維度的大小決定了使用者接入資源佔用的多少。即OFDMA其實是TDMA和FDMA的結合。

5.兩種幀結構

　　上、下行資訊如何複用有限的無線資源，這是所有無線制式必須考慮的雙工技術問題。LTE標準上即支援時分雙工（TDD），又支援頻分雙工（FDD），分別對應著不同的幀結構設計。
　　

5.1兩種雙工模式

　　LTE標準支援兩種雙工模式：頻分雙工（Frequency Division Duplexing，FDD）和時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）。於是，LTE定義了兩種幀結構：FDD幀結構和TDD幀結構。
　　LTE在整個標準的制定過程中充分考慮了TDD和FDD雙工方式在實現過程的異同，增大二者實現共同點、減少二者的差異處。
　　

①FDD與TDD

　　FDD的關鍵詞是“共同的時間、不同的頻率”。FDD在兩個分離的、對稱的頻率通道上分別接收和傳送。FDD必須採用成對的頻率區分上行、下行鏈路，上、下行頻率間須有保護頻段。 FDD的上、下行在時間上是連續的，可以同時接收和傳送資料。
　　TDD的關鍵詞是“共同的頻率、不同的時間”。TDD的接收和傳送是使用同一頻率的不同時隙來區分上、下行通道，在時間上是不連續的。一個時間段由移動臺傳送給基站（UL），另一個時間段由基站傳送給移動臺（DL）。因此，基站和移動臺之間對時間同步的要求是比較苛刻的。
　　FDD和TDD的上、下行復用原理如圖所示：
　　
　　
　　TDD和FDD優缺點對比如表所示：