淺談OFDM與FBMC的能源效率比較

文/陳佳萱 編/梁瀚友

前言

在太赫茲通訊技術的發展中，節能成為了一項不容忽視的關鍵需求，為了滿足更高的數據傳輸速率與更低的延遲，無線通訊技術必須實現更高的頻譜利用率和更低的功率消耗！而在眾多技術中，OFDM（正交分頻多工）和FBMC（濾波器組多載波）作為兩種常見的調變技術，如何在能源效率上進行取捨？本文將深入剖析兩者的核心技術差異，並比較其在太赫茲通訊環境中的應用價值。

(圖片來源：Pinterest)

一、OFDM與FBMC的基礎概念與運作機制

1. OFDM（正交分頻多工）

OFDM通過將頻帶分割為多個子載波，並在每個子載波上同時傳輸數據，這個技術優勢在於實現簡單、對多路徑干擾的適應性強，因此成為了5G的核心調變技術，然而，這種方法也存在一些明顯的缺陷，特別是在能源消耗和頻譜利用效率方面：

• 頻譜洩漏：OFDM的子載波之間會發生頻譜重疊，這會導致信號能量的浪費，尤其是在多用戶的場景下，干擾問題變得更明顯。
• 功率需求高：為了減少頻譜洩漏，OFDM使用循環前綴（Cyclic Prefix）來避免符號間干擾，但這也會消耗不必要的能量，導致功率損耗的增加。
• 高峰均功率比（PAPR）：OFDM的PAPR值較高（典型值為13.1），這意味著發射機在高功率運行時，其效率會顯著降低，對能源需求的影響更大。

2. FBMC（濾波器組多載波）

與OFDM不同，FBMC在每個子載波上應用濾波器，以減少頻譜洩漏，進一步提高頻譜效率，這項技術特別是在節能通訊環境中備受矚目。

• 無需循環前綴（Cyclic Prefix-Free）：由於濾波器的使用，FBMC不需要像OFDM那樣浪費符號的前綴部分，這直接提高了能量利用效率。
• 頻譜利用率更高：每個子載波的頻譜重疊現象被大幅減少，這使得頻譜效率大幅提升，並允許更多的數據在相同的頻寬內傳輸。
• 功率消耗更低：由於沒有前綴的開銷，功率消耗相對較低。實驗證明，FBMC的能源效率大約能比OFDM高出1.5 倍，這對電池壽命至關重要，尤其是在IoT裝置和移動裝置中。

二、能源效率的深度比較：OFDM v.s. FBMC

OFDM與FBMC經通道傳輸後，在時域與頻域的訊號輸出比較。（圖片來源：筆者的實驗結果）

1. PAPR的影響

• PAPR（峰均功率比）是一個關鍵的性能指標，衡量訊號中峰值功率與平均功率的比值；OFDM的PAPR值通常較高，這意味著使用FBMC時，無線設備可在較低的功率下運行，而不會產生過多的功率峰值。

2. 能量損耗的來源

• OFDM的能量損耗：由於OFDM需要使用循環前綴來保證多路徑干擾的消除，這部分的開銷占用了不小的資源，導致了信號處理的冗餘；此外，OFDM的PAPR較高，這意味著需要更多的能量來驅動功率放大器（PA）。
• FBMC的能量節省：FBMC省去了循環前綴的功率消耗，並且其更低的PAPR值使發射機的能源需求大幅降低；這一優勢在低功耗的IoT設備中顯得尤為重要，因為它可以顯著延長電池壽命。

三、應用場景：FBMC與OFDM的應用潛力分析

1. 太赫茲通訊超低功耗設備

• 適用技術：FBMC
• 需求場景：穿戴式設備、物聯網感測器和智能家居設備需要長時間運行且電池容量有限，FBMC的高頻譜效率和低能耗使得其在這類設備中有更大的潛力！

2. 高處理量的數據傳輸

• 適用技術：OFDM
• 需求場景：當前的5G技術和高頻寬串流影片（如8K/16K）需要更高的數據處理量，OFDM的多子載波並行傳輸方式能夠滿足這一需求，適合用於高流量的影片瀏覽和線上遊戲互動。

3. 智能電網與工業物聯網（IoT）

• 適用技術：FBMC
• 需求場景：由於智能電網和工業物聯網需要極低的延遲和高可靠性，並且長期運行的設備更依賴低功率運行，FBMC因其低能耗、高頻譜利用率而具有更大的發展潛力。

（圖片來源：Pinterest）

四、結論

在太赫茲通訊系統中，能源效率是無線通訊技術的核心議題之一，通過對OFDM和FBMC的深度比較，我們能得出：OFDM 具有結構簡單、實現成本低的優勢，且在大規模數據傳輸場景中表現穩定；然而，OFDM的高峰均功率比（PAPR）導致更高的能量消耗，並且循環前綴（Cyclic Prefix）的使用使得功率消耗進一步上升，影響了其能源效率表現；此外，頻譜洩漏問題可能會導致鄰近頻帶的干擾，進一步加劇了能量損耗。

FBMC 在頻譜利用率和功率消耗方面表現優越，由於FBMC不依賴於循環前綴，其數據符號的傳輸效率更高；此外，與OFDM相比，FBMC具有更低的PAPR值，可有效降低峰值功率需求，從而實現更高的功率效率，特別是在需要長期低功耗運行的情境中，其能源效率表現優越。

太赫茲通訊的核心關注點不僅僅是速度的極限突破，更是如何實現高效能、低功耗的數據傳輸方式，隨著6G的逐步部署，期望全球的通訊技術標準也將向更節能、更高效的數據傳輸技術靠攏，這將為無線通訊技術的未來發展提供更加永續的技術路徑。

（圖片來源：Pinterest）

資料來源

[1] C. Y. Wong, et al., “Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit, and power allocation,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999

[2] A. Bedoui, et al., “A comparative analysis of filter bank multicarrier (FBMC) as 5G multiplexing technique,” 2017 International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications, 2017

[3] P. Siohan, et al., “Analysis and design of OFDM/OQAM systems based on filterbank theory,” IEEE Transactions on Signal Processing, 2002.

[4] A. A. Abdulhussein, et al., “Comparative Study of Peak to Average Power Ratio in OFDM and FBMC Systems,” 2021 7th International Conference on Space Science and Communication, 2021