ofdm技術(shù)原理及在lte中的應(yīng)用

1、OFDM技術(shù)原理及在LTE中的應(yīng)用,中興通訊市場(chǎng)體系LTE產(chǎn)品規(guī)劃部姓 名：E-mail：×××,,膠片修改記錄,無(wú)線信道的特點(diǎn)OFDM技術(shù)原理OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM在LTE下行鏈路中的應(yīng)用OFDM在LTE上行鏈路中的應(yīng)用,,,無(wú)線信道的特點(diǎn),無(wú)線信道傳播特性無(wú)線信道的衰落多徑衰落造成的時(shí)間彌散性信道的時(shí)變性和頻率彌散性,無(wú)線信道傳播特性,由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，還會(huì)使無(wú)線信道呈

2、現(xiàn)時(shí)變性，其中一種具體表現(xiàn)是會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移。,與其他信道相比，移動(dòng)無(wú)線信道是最為復(fù)雜的一種;信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道時(shí)，會(huì)遭受各種衰落的影響。一般來(lái)說(shuō)接收信號(hào)的功率可以表達(dá)為：,,無(wú)線信道的衰落,對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)送脈沖信號(hào)，下圖給出接收端接收的信號(hào)情況。由于時(shí)延擴(kuò)展，接收信號(hào)中一個(gè)符號(hào)的波形會(huì)擴(kuò)展到其他符號(hào)當(dāng)中，造成符號(hào)間干擾（InterSymbol Interference，ISI）。,多徑衰落造成的時(shí)間彌散性,信道的

3、時(shí)變性是指信道的傳遞函數(shù)是隨時(shí)間而變化的，即在不同的時(shí)刻發(fā)送相同的信號(hào)，在接收端收到的信號(hào)是不相同的；時(shí)變性在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)之一就是多普勒頻移（Doppler shift），即單一頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)變衰落信道之后會(huì)呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡(luò)的信號(hào)，稱為信道的頻率彌散性；頻率彌散性會(huì)造成信道間干擾(InterChannel Interference，ICI)。,信道的時(shí)變性和頻率彌散性,,OFDM技術(shù)原理,OFDM基本思想O

4、FDM調(diào)制解調(diào)的原理與實(shí)現(xiàn)OFDM保護(hù)間隔與循環(huán)前綴OFDM優(yōu)劣勢(shì)分析,OFDM將頻域劃分為多個(gè)子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同子信道相互正交。將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行的子數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸；OFDM子載波的帶寬 < 信道“相干帶寬”時(shí)，可以認(rèn)為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”；OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間 < 信道“相干時(shí)間”時(shí)，信道可以等效為“線性時(shí)不變”系統(tǒng)，降低信道時(shí)間選擇性衰落對(duì)傳輸

5、系統(tǒng)的影響。,OFDM基本思想,OFDM符號(hào)的調(diào)制原理,OFDM符號(hào)的解調(diào)原理,,所以：,因?yàn)槿缦滤咀虞d波之間的正交性：,OFDM的正交性—時(shí)域描述,,,OFDM的正交性—頻域描述,調(diào)制與解調(diào)的IFFT及FFT實(shí)現(xiàn)形式,,,令,可以得到:,則,OFDM調(diào)制與解調(diào)示意圖,保護(hù)間隔與循環(huán)前綴—無(wú)保護(hù)間隔,,第1徑,,第2徑,,,第1徑的第2個(gè)符號(hào)與第2徑的第1個(gè)符號(hào)疊加干擾,,在沒(méi)有保護(hù)間隔的情況下，由于多徑的存在，各徑之間將在交疊處產(chǎn)生

6、符號(hào)間干擾(ISI),保護(hù)間隔與循環(huán)前綴——加保護(hù)間隔,,保護(hù)間隔,,為了最大限度地消除符號(hào)間干擾，在OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔，保護(hù)間隔長(zhǎng)度大于無(wú)線信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣一個(gè)符號(hào)的多徑分量不會(huì)對(duì)下一個(gè)符號(hào)造成干擾,保護(hù)間隔與循環(huán)前綴——無(wú)循環(huán)前綴,因多徑延時(shí)的存在，空閑的保護(hù)間隔進(jìn)入到FFT的積分時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)致積分時(shí)間內(nèi)不能包含整數(shù)個(gè)波形，破壞了載波間的正交性,保護(hù)間隔與循環(huán)前綴——加循環(huán)前綴,為了避免空閑保護(hù)間隔由于多徑傳播造成子

7、載波間的正交性破壞，將每個(gè)OFDM符號(hào)的后時(shí)間中的樣點(diǎn)復(fù)制到OFDM符號(hào)的前面，形成循環(huán)前綴(cyclic prefix) 只要各徑的延遲不超過(guò)Tg，都能保正在FFT的積分區(qū)間內(nèi)包含各徑各子載波的整數(shù)個(gè)波形,OFDM原理框圖,OFDM的時(shí)頻結(jié)構(gòu),每列代表一個(gè)OFDM符號(hào)；每行代表一個(gè)OFDM子載波；,OFDMA示意圖,OFDM主要優(yōu)點(diǎn),將大帶寬劃分成多個(gè)小帶寬，可有效對(duì)抗頻率選擇性衰落；可以有效的對(duì)抗ISI，適用于多

8、徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸；可以最大限度的利用頻譜資源，由于子載波之間的正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，提高頻譜利用率；正交調(diào)制和解調(diào)可以基于IDFT和DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的非對(duì)稱性，可以通過(guò)使用不同數(shù)量的子信道來(lái)實(shí)現(xiàn)上行和下行的不同傳輸速率；可以通過(guò)動(dòng)態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，提高系統(tǒng)吞吐量。,OFDM主要缺點(diǎn),對(duì)頻率偏差敏感：傳輸過(guò)程中的頻率偏移（如多普勒頻率），或者接收機(jī)的本振和發(fā)射

9、機(jī)的載頻之間的頻差，都會(huì)破壞OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性，導(dǎo)致信道間的信號(hào)相互干擾；存在較高的峰均比（PAPR）：OFDM調(diào)制的輸出是多個(gè)子信道的疊加，如果多個(gè)信號(hào)相位一致，疊加信號(hào)的瞬間功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致較大的峰均比，這對(duì)發(fā)射機(jī)中功率放大器的線性度提出了更高的要求，也降低了功放的效率。,,OFDM關(guān)鍵技術(shù),同步技術(shù)信道估計(jì)技術(shù)峰均比信道編碼信道時(shí)變性的影響自適應(yīng)技術(shù),同步技術(shù),OFDM系統(tǒng)中的同步包括載波

10、同步、樣值同步和符號(hào)同步三部分;載波同步是為了實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的相干解調(diào)，而符號(hào)同步是為了區(qū)分每個(gè)OFDM符號(hào)塊的邊界。因?yàn)槊總€(gè)OFDM符號(hào)塊包含N個(gè)樣值，樣值同步是為了使接收端的取樣時(shí)刻與發(fā)送端完全一致;OFDM系統(tǒng)的同步一般分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段，對(duì)于突發(fā)式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過(guò)發(fā)送輔助信息來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步精度的要求更高，同步偏差會(huì)在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI,信道估計(jì)技術(shù),加入循環(huán)前綴后的O

11、FDM系統(tǒng)可等效為N個(gè)獨(dú)立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，Ｎ個(gè)子信道上的接收信號(hào)等于各自子信道上的發(fā)送信號(hào)與信道的頻譜特性的乘積。如果通過(guò)估計(jì)方法預(yù)先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號(hào)與信道的頻譜特性相除，即可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的正確解調(diào);信道估計(jì)的方法有很多 ，在無(wú)線通信中，一般采用插入導(dǎo)頻的方法進(jìn)行信道估計(jì)，如何設(shè)計(jì)導(dǎo)頻圖案和選擇性能好、復(fù)雜度低的信道估計(jì)算法是OFDM系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。,峰均比,在時(shí)域上，OFDM信號(hào)

12、是Ｎ路正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這Ｎ路信號(hào)按相同極性同時(shí)取最大值時(shí)，OFDM信號(hào)將產(chǎn)生最大的峰值。該峰值信號(hào)的功率與信號(hào)的平均功率之比，稱為峰值平均功率比，簡(jiǎn)稱峰均比(PAPR)。在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與Ｎ有關(guān)，Ｎ越大，PAPR的值越大，Ｎ=1024時(shí)，PAPR可達(dá)30dB。大的PAPR值，對(duì)發(fā)送端的功率放大器的線性度要求很高,并降低功放效率。如何降低OFDM信號(hào)的PAPR值對(duì)OFDM系統(tǒng)的性能和成本都有很大影響。,信道編碼,,信

13、道編碼可顯著地提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力；在OFDM系統(tǒng)中，可使用任意傳統(tǒng)的信道編碼，如分組碼、卷積碼、網(wǎng)格碼調(diào)制（TCM）及Turbo碼等；現(xiàn)在的發(fā)展方向是在OFDM系統(tǒng)中結(jié)合多天線技術(shù)使用空時(shí)編碼和空頻編碼，即所謂的MIMO OFDM技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可顯著提高OFDM系統(tǒng)的性能，成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的熱點(diǎn)技術(shù)。,信道時(shí)變性的影響,信道的時(shí)變性引起接收信號(hào)的多普勒擴(kuò)展，使OFDM信號(hào)的正交性遭到破壞，引起子載波之間的干擾，造成系

14、統(tǒng)性能下降；克服多普勒擴(kuò)展的傳統(tǒng)方法是采用信道編碼加交織技術(shù)來(lái)抵抗信道性能的下降；最近的發(fā)展是利用多普勒分集技術(shù)將多普勒擴(kuò)展變害為利，從而提高系統(tǒng)的性能。,自適應(yīng)技術(shù),采用OFDM技術(shù)的好處是可以根據(jù)信道的頻率選擇性衰落情況動(dòng)態(tài)的調(diào)整每個(gè)子載波上的信息比特?cái)?shù)和發(fā)送功率，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能，稱為自適應(yīng)比特和功率分配，在許多文獻(xiàn)中也稱為自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。,,OFDM在LTE下行鏈路中的應(yīng)用,OFDM資源的時(shí)頻結(jié)構(gòu)OFDM主要參數(shù),OFDM

15、資源的時(shí)頻結(jié)構(gòu),,OFDM主要參數(shù),,OFDM在LTE上行鏈路中的應(yīng)用,DFT-S-OFDM概述DFT-S-OFDM原理框圖上行SC-FDMA多址方式幾個(gè)容易讓人困惑的問(wèn)題,DFT-S-OFDM概述,OFDM的峰均比較高，功放效率降低，導(dǎo)致整機(jī)電源效率降低；終端的配置越來(lái)越多，功能越來(lái)越強(qiáng)大，導(dǎo)致對(duì)終端電源效率提出越來(lái)越高的要求，而電池技術(shù)卻一直沒(méi)有突破性進(jìn)展，因此對(duì)終端的節(jié)能技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求；所以，LTE系統(tǒng)中上行鏈

16、路采用SC-FDMA技術(shù)，以期降低PAPR，提高功放效率，延長(zhǎng)電池壽命；DFT-S-OFDM可以認(rèn)為是SC-FDMA的頻域產(chǎn)生方式，是OFDM在IFFT調(diào)制前進(jìn)行了基于傅立葉變換的預(yù)編碼。,DFT-S-OFDM原理框圖,以長(zhǎng)度為M的數(shù)據(jù)符號(hào)塊為單位完成DFT-S-OFDM的調(diào)制過(guò)程首先通過(guò)DFT離散傅里葉變換，獲取與這個(gè)長(zhǎng)度為M的離散序列相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為M的頻域序列DFT的輸出信號(hào)送入N點(diǎn)的離散傅里葉反變換IDFT中去，其中N>

17、;M。IDFT的長(zhǎng)度比DFT的長(zhǎng)度長(zhǎng)，IDFT多出的那一部分輸入用0補(bǔ)齊在IDFT之后，為避免符號(hào)干擾同樣為這一組數(shù)據(jù)添加循環(huán)前綴,上行SC-FDMA多址方式,利用DFT-S-OFDM的特點(diǎn)可以方便的實(shí)現(xiàn)SC-FDMA多址接入方式通過(guò)改變不同用戶的DFT的輸出到IDFT輸入端的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸入數(shù)據(jù)符號(hào)的頻譜可以被搬移至不同的位置，從而實(shí)現(xiàn)多用戶多址接入,幾個(gè)容易讓人困惑的問(wèn)題,,1、為什么要進(jìn)行DFT？因?yàn)镺FDM的峰均比較高，所

18、以需要采用一些措施來(lái)降峰均比。預(yù)編碼技術(shù)是降峰均比的手段之一，而DFT就可以認(rèn)為是一種降峰均比的預(yù)編碼技術(shù)。2、IDFT的作用是什么？實(shí)現(xiàn)多用戶的復(fù)用功能（即FDMA多址技術(shù)），不同用戶補(bǔ)0位置不同，從而實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多用戶復(fù)用；將數(shù)據(jù)變換回時(shí)域。3、為什么SC-FDMA叫單載波？在發(fā)射端，每個(gè)用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DFT變換后其信息“擴(kuò)散”到了分配給其的整個(gè)帶寬上，在IDFT之前的每個(gè)載波上的數(shù)據(jù)不是獨(dú)立的源數(shù)據(jù)，而是源數(shù)據(jù)

19、的頻譜信息占據(jù)了分配給它的所有子載波上，這多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)的子載波構(gòu)成了單載波，因此“看起來(lái)像“是單載波，而DFT+IDFT便是完成了將用戶數(shù)據(jù)”擴(kuò)展“到整個(gè)被分配帶寬上的擴(kuò)頻過(guò)程。,幾個(gè)容易讓人困惑的問(wèn)題（續(xù)）,,4、SC-FDMA與OFDMA的主要差別在哪里？SC-FDMA的用戶原始信息符號(hào)在時(shí)域傳輸，而OFDMA的用戶原始信息在頻域傳輸。SC-FDMA比OFDMA多了一個(gè)DFT預(yù)編碼過(guò)程。5、 SC-FDMA與OFDMA 相比性

20、能如何？OFDMA本質(zhì)上實(shí)在頻域上傳輸，能利用頻率選擇性衰落，而SC-FDMA本質(zhì)上在時(shí)延上傳輸，能利用時(shí)域選擇性衰落。而實(shí)際上信道大都是慢衰落信道（時(shí)域選擇性不強(qiáng)），但多徑延時(shí)嚴(yán)重（頻率選擇性強(qiáng)），所以利用頻率選擇性的OFDMA的性能一般比利用時(shí)域選擇性的SC-FDMA要好。6、為什么SC-FDMA比OFDMA的峰均比低？SC-FDMA的在任何時(shí)刻都傳輸?shù)氖菃蝹€(gè)符號(hào)，但帶寬卻是所分配的整個(gè)帶寬，而OFDMA在任何時(shí)刻都是多個(gè)獨(dú)