ofdm技術原理及在lte中的應用

1、OFDM技術原理及在LTE中的應用,中興通訊市場體系LTE產品規(guī)劃部姓 名：E-mail：×××,,膠片修改記錄,無線信道的特點OFDM技術原理OFDM關鍵技術OFDM在LTE下行鏈路中的應用OFDM在LTE上行鏈路中的應用,,,無線信道的特點,無線信道傳播特性無線信道的衰落多徑衰落造成的時間彌散性信道的時變性和頻率彌散性,無線信道傳播特性,由于移動臺的運動，還會使無線信道呈

2、現(xiàn)時變性，其中一種具體表現(xiàn)是會出現(xiàn)多普勒頻移。,與其他信道相比，移動無線信道是最為復雜的一種;信號通過無線信道時，會遭受各種衰落的影響。一般來說接收信號的功率可以表達為：,,無線信道的衰落,對應一個發(fā)送脈沖信號，下圖給出接收端接收的信號情況。由于時延擴展，接收信號中一個符號的波形會擴展到其他符號當中，造成符號間干擾（InterSymbol Interference，ISI）。,多徑衰落造成的時間彌散性,信道的

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

4、FDM調制解調的原理與實現(xiàn)OFDM保護間隔與循環(huán)前綴OFDM優(yōu)劣勢分析,OFDM將頻域劃分為多個子信道，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)流同時傳輸；OFDM子載波的帶寬 < 信道“相干帶寬”時，可以認為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”；OFDM符號持續(xù)時間 < 信道“相干時間”時，信道可以等效為“線性時不變”系統(tǒng)，降低信道時間選擇性衰落對傳輸

5、系統(tǒng)的影響。,OFDM基本思想,OFDM符號的調制原理,OFDM符號的解調原理,,所以：,因為如下所示子載波之間的正交性：,OFDM的正交性—時域描述,,,OFDM的正交性—頻域描述,調制與解調的IFFT及FFT實現(xiàn)形式,,,令,可以得到:,則,OFDM調制與解調示意圖,保護間隔與循環(huán)前綴—無保護間隔,,第1徑,,第2徑,,,第1徑的第2個符號與第2徑的第1個符號疊加干擾,,在沒有保護間隔的情況下，由于多徑的存在，各徑之間將在交疊處產生

6、符號間干擾(ISI),保護間隔與循環(huán)前綴——加保護間隔,,保護間隔,,為了最大限度地消除符號間干擾，在OFDM符號之間插入保護間隔，保護間隔長度大于無線信道的最大時延擴展，這樣一個符號的多徑分量不會對下一個符號造成干擾,保護間隔與循環(huán)前綴——無循環(huán)前綴,因多徑延時的存在，空閑的保護間隔進入到FFT的積分時間內，導致積分時間內不能包含整數(shù)個波形，破壞了載波間的正交性,保護間隔與循環(huán)前綴——加循環(huán)前綴,為了避免空閑保護間隔由于多徑傳播造成子

7、載波間的正交性破壞，將每個OFDM符號的后時間中的樣點復制到OFDM符號的前面，形成循環(huán)前綴(cyclic prefix) 只要各徑的延遲不超過Tg，都能保正在FFT的積分區(qū)間內包含各徑各子載波的整數(shù)個波形,OFDM原理框圖,OFDM的時頻結構,每列代表一個OFDM符號；每行代表一個OFDM子載波；,OFDMA示意圖,OFDM主要優(yōu)點,將大帶寬劃分成多個小帶寬，可有效對抗頻率選擇性衰落；可以有效的對抗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；正交調制和解調可以基于IDFT和DFT來實現(xiàn)；對于無線數(shù)據(jù)業(yè)務的非對稱性，可以通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行和下行的不同傳輸速率；可以通過動態(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,對頻率偏差敏感：傳輸過程中的頻率偏移（如多普勒頻率），或者接收機的本振和發(fā)射

9、機的載頻之間的頻差，都會破壞OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性，導致信道間的信號相互干擾；存在較高的峰均比（PAPR）：OFDM調制的輸出是多個子信道的疊加，如果多個信號相位一致，疊加信號的瞬間功率會遠遠大于信號的平均功率，導致較大的峰均比，這對發(fā)射機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關鍵技術,同步技術信道估計技術峰均比信道編碼信道時變性的影響自適應技術,同步技術,OFDM系統(tǒng)中的同步包括載波

10、同步、樣值同步和符號同步三部分;載波同步是為了實現(xiàn)接收信號的相干解調，而符號同步是為了區(qū)分每個OFDM符號塊的邊界。因為每個OFDM符號塊包含N個樣值，樣值同步是為了使接收端的取樣時刻與發(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階段，對于突發(fā)式的數(shù)據(jù)傳輸，一般是通過發(fā)送輔助信息來實現(xiàn)同步。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對同步精度的要求更高，同步偏差會在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI,信道估計技術,加入循環(huán)前綴后的O

11、FDM系統(tǒng)可等效為N個獨立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，Ｎ個子信道上的接收信號等于各自子信道上的發(fā)送信號與信道的頻譜特性的乘積。如果通過估計方法預先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，即可實現(xiàn)接收信號的正確解調;信道估計的方法有很多 ，在無線通信中，一般采用插入導頻的方法進行信道估計，如何設計導頻圖案和選擇性能好、復雜度低的信道估計算法是OFDM系統(tǒng)中的一項重要研究內容。,峰均比,在時域上，OFDM信號

12、是Ｎ路正交子載波信號的疊加，當這Ｎ路信號按相同極性同時取最大值時，OFDM信號將產生最大的峰值。該峰值信號的功率與信號的平均功率之比，稱為峰值平均功率比，簡稱峰均比(PAPR)。在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與Ｎ有關，Ｎ越大，PAPR的值越大，Ｎ=1024時，PAPR可達30dB。大的PAPR值，對發(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信號的PAPR值對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)格碼調制（TCM）及Turbo碼等；現(xiàn)在的發(fā)展方向是在OFDM系統(tǒng)中結合多天線技術使用空時編碼和空頻編碼，即所謂的MIMO OFDM技術，這項技術可顯著提高OFDM系統(tǒng)的性能，成為下一代無線通信系統(tǒng)的熱點技術。,信道時變性的影響,信道的時變性引起接收信號的多普勒擴展，使OFDM信號的正交性遭到破壞，引起子載波之間的干擾，造成系

14、統(tǒng)性能下降；克服多普勒擴展的傳統(tǒng)方法是采用信道編碼加交織技術來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將多普勒擴展變害為利，從而提高系統(tǒng)的性能。,自適應技術,采用OFDM技術的好處是可以根據(jù)信道的頻率選擇性衰落情況動態(tài)的調整每個子載波上的信息比特數(shù)和發(fā)送功率，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能，稱為自適應比特和功率分配，在許多文獻中也稱為自適應調制技術。,,OFDM在LTE下行鏈路中的應用,OFDM資源的時頻結構OFDM主要參數(shù),OFDM

15、資源的時頻結構,,OFDM主要參數(shù),,OFDM在LTE上行鏈路中的應用,DFT-S-OFDM概述DFT-S-OFDM原理框圖上行SC-FDMA多址方式幾個容易讓人困惑的問題,DFT-S-OFDM概述,OFDM的峰均比較高，功放效率降低，導致整機電源效率降低；終端的配置越來越多，功能越來越強大，導致對終端電源效率提出越來越高的要求，而電池技術卻一直沒有突破性進展，因此對終端的節(jié)能技術提出了越來越高的要求；所以，LTE系統(tǒng)中上行鏈

16、路采用SC-FDMA技術，以期降低PAPR，提高功放效率，延長電池壽命；DFT-S-OFDM可以認為是SC-FDMA的頻域產生方式，是OFDM在IFFT調制前進行了基于傅立葉變換的預編碼。,DFT-S-OFDM原理框圖,以長度為M的數(shù)據(jù)符號塊為單位完成DFT-S-OFDM的調制過程首先通過DFT離散傅里葉變換，獲取與這個長度為M的離散序列相對應的長度為M的頻域序列DFT的輸出信號送入N點的離散傅里葉反變換IDFT中去，其中N>

17、;M。IDFT的長度比DFT的長度長，IDFT多出的那一部分輸入用0補齊在IDFT之后，為避免符號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的特點可以方便的實現(xiàn)SC-FDMA多址接入方式通過改變不同用戶的DFT的輸出到IDFT輸入端的對應關系，輸入數(shù)據(jù)符號的頻譜可以被搬移至不同的位置，從而實現(xiàn)多用戶多址接入,幾個容易讓人困惑的問題,,1、為什么要進行DFT？因為OFDM的峰均比較高，所

18、以需要采用一些措施來降峰均比。預編碼技術是降峰均比的手段之一，而DFT就可以認為是一種降峰均比的預編碼技術。2、IDFT的作用是什么？實現(xiàn)多用戶的復用功能（即FDMA多址技術），不同用戶補0位置不同，從而實現(xiàn)頻譜搬移，進而實現(xiàn)多用戶復用；將數(shù)據(jù)變換回時域。3、為什么SC-FDMA叫單載波？在發(fā)射端，每個用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過DFT變換后其信息“擴散”到了分配給其的整個帶寬上，在IDFT之前的每個載波上的數(shù)據(jù)不是獨立的源數(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，這多個相關數(shù)據(jù)的子載波構成了單載波，因此“看起來像“是單載波，而DFT+IDFT便是完成了將用戶數(shù)據(jù)”擴展“到整個被分配帶寬上的擴頻過程。,幾個容易讓人困惑的問題（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在時域傳輸，而OFDMA的用戶原始信息在頻域傳輸。SC-FDMA比OFDMA多了一個DFT預編碼過程。5、 SC-FDMA與OFDMA 相比性

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