Blog202506

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

五、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。

參考資料：

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