華泓信息移動(dòng)培訓(xùn)系列課程OFDM技術(shù)原理與應(yīng)用

1、華華泓信息泓信息2011年移年移動(dòng)動(dòng)培培訓(xùn)訓(xùn)系列系列課課程程 ofdm技術(shù)原理與應(yīng)用技術(shù)原理與應(yīng)用廣州市華泓信息科技有限公司vavo1. ofdm的的實(shí)現(xiàn)問題實(shí)現(xiàn)問題2. ofdm信信號(hào)檢測(cè)號(hào)檢測(cè)contents廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm的實(shí)現(xiàn)問題的實(shí)現(xiàn)問題廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm的實(shí)現(xiàn)問題的實(shí)現(xiàn)問題v檢測(cè)檢測(cè)v峰均比峰均比v多址接入多址接入v自適應(yīng)技術(shù)自適應(yīng)技術(shù)廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdmv由于一個(gè)多用戶系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其所采用的多址技術(shù),所以在ofdm 系統(tǒng)中,如何選擇

2、一種高效的多址技術(shù)就顯得異常重要。v通常的多址方法有3 種:時(shí)分多址( tdma) ,頻分多址( fdma) 及碼分多址(cdma) 。廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm多址接入多址接入vofdmavofdm-fdmavofdm-tdmavofdm-cdma廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm-fdmavofdm - fdma 方案將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集,通過將不同的子載波集分配給不同的用戶,可用帶寬資源可靈活地在不同移動(dòng)終端之間共享,從而避免了不同用戶間的多址干擾。vofdm - fdma 將所有載波的確定子集分配給每個(gè)用戶,這種分配表現(xiàn)為一種純粹的數(shù)字化的子載波管理,

3、子載波分配不是固定的,而是采用自適應(yīng)方式。對(duì)于有效的多址接入方案,當(dāng)其進(jìn)行時(shí)間和帶寬資源分配時(shí),應(yīng)滿足高度適應(yīng)性。廣州市華泓信息科技有限公司vavo廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm-fdmav具體體現(xiàn)在n一方面一方面,應(yīng)應(yīng)考慮頻率選擇性無(wú)線信道的特性;n另一方面,也要滿足用戶對(duì)不同的或可變的數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。ofdm - fdma 系統(tǒng)中,這種適應(yīng)性可由恰當(dāng)選擇與每個(gè)用戶相關(guān)的子載波來滿足。n每個(gè)用戶經(jīng)歷不同的無(wú)線信道的情況,可以通過只將具有高信噪比的“好”子載波分配給每個(gè)用戶來實(shí)現(xiàn)。而且特定用戶的子信道數(shù)目可以依據(jù)要求的傳輸速率進(jìn)行變化。廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm

4、 tdmav 在ofdm - tdma 中,n在一段時(shí)間內(nèi)將全部帶寬資源在一段時(shí)間內(nèi)將全部帶寬資源(所有子載波所有子載波) 分配給一個(gè)特定的用戶分配給一個(gè)特定的用戶,即即在單個(gè)的在單個(gè)的tdma 幀內(nèi)幀內(nèi),所有子載波在幾個(gè)時(shí)隙內(nèi)為某個(gè)用戶獨(dú)占。所有子載波在幾個(gè)時(shí)隙內(nèi)為某個(gè)用戶獨(dú)占。n這種這種ofdm - tdma 的時(shí)間、帶寬資源分配方式的時(shí)間、帶寬資源分配方式,可看作將全部資源可看作將全部資源(時(shí)間、帶寬時(shí)間、帶寬) 在時(shí)間軸上進(jìn)行分割。在時(shí)間軸上進(jìn)行分割。n在在ofdm - tdma 系統(tǒng)中系統(tǒng)中,假定全部帶寬分配給每個(gè)用戶假定全部帶寬分配給每個(gè)用戶,假如在單個(gè)假如在單個(gè)tdma 幀內(nèi)的一

5、些幀內(nèi)的一些ofdm 符號(hào)間隔內(nèi)符號(hào)間隔內(nèi),所有子載波被分配給一個(gè)用戶。所有子載波被分配給一個(gè)用戶。每個(gè)每個(gè)tdma 幀的幀的ofdm 符號(hào)數(shù)目可以根據(jù)每個(gè)用戶的需求進(jìn)行變化。符號(hào)數(shù)目可以根據(jù)每個(gè)用戶的需求進(jìn)行變化。n在在ofdm - tdma 系統(tǒng)中系統(tǒng)中, 雙向業(yè)務(wù)可以由雙向業(yè)務(wù)可以由tdd 方式實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn),這種方式在這種方式在上行和下行鏈路中都使用了子幀結(jié)構(gòu)。上行和下行鏈路中都使用了子幀結(jié)構(gòu)。nofdm - tdma 方案具有如下特點(diǎn)方案具有如下特點(diǎn):n(1) ofdm - tdma 方案在特定的方案在特定的ofdm 符號(hào)內(nèi)將全部帶寬分配符號(hào)內(nèi)將全部帶寬分配給一個(gè)用戶給一個(gè)用戶,這種分

6、配方式不可避免地存在帶寬資源浪費(fèi)、頻帶利用這種分配方式不可避免地存在帶寬資源浪費(fèi)、頻帶利用率低、靈活性差的缺點(diǎn)。率低、靈活性差的缺點(diǎn)。n(2) ofdm - tdma 的信令開銷在很大程度上取決于是否采用濾的信令開銷在很大程度上取決于是否采用濾除具有較低信噪比子載波的技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制除具有較低信噪比子載波的技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)制/ 編碼技術(shù)。采用上述編碼技術(shù)。采用上述技術(shù)雖然可以改善性能但是也會(huì)增加信令開銷技術(shù)雖然可以改善性能但是也會(huì)增加信令開銷廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm tdma&fdmav圖中用小方格的灰度不同來區(qū)分不同用戶。每個(gè)小方格表示一個(gè)ofdm 符號(hào)中的一個(gè)子載波

7、。在ofdm - fdma 系統(tǒng)中,不同用戶的子載波是以交織的方式分配的。v在ofdm - tdma 系統(tǒng)中,每個(gè)用戶有一定數(shù)目的時(shí)隙,在該時(shí)隙內(nèi),所有的子載波都可以為該用戶所使用。v假定每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度等于ofdm 的符號(hào)長(zhǎng)度。廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm tdma廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdm tdma&fdma性能比較性能比較廣州市華泓信息科技有限公司vavoofdmav寬帶無(wú)線寬帶無(wú)線ofdm通信系統(tǒng)廣泛采用的自適應(yīng)通信系統(tǒng)廣泛采用的自適應(yīng)ofdma多址接入方式這種方式是多址接入方式這種方式是ofdm一一fdma一一tdma多種技術(shù)的融合。多種技術(shù)的融合

8、。v在這種方式下無(wú)線資源是一個(gè)時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)。在在這種方式下無(wú)線資源是一個(gè)時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)。在時(shí)域方面，無(wú)線資源可以劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)域方面，無(wú)線資源可以劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙由多個(gè)時(shí)隙由多個(gè)ofdm符號(hào)組成符號(hào)組成;在頻域方面，無(wú)線在頻域方面，無(wú)線資源可以劃分為多個(gè)子信道，多個(gè)子載波組成一資源可以劃分為多個(gè)子信道，多個(gè)子載波組成一個(gè)子信道個(gè)子信道v子信道的子載波可以是按一定規(guī)律間隔子信道的子載波可以是按一定規(guī)律間隔(如等間隔如等間隔)分散到整個(gè)帶寬上的，這種分配方式稱為分布式分散到整個(gè)帶寬上的，這種分配方式稱為分布式方式方式;也可以采用將連續(xù)子載波合并為子信道的方也可以采用將連續(xù)子載波合并為

9、子信道的方式，這種分配方式稱為集中式方式。式，這種分配方式稱為集中式方式。廣州市華泓信息科技有限公司vavov基于時(shí)頻塊結(jié)構(gòu)基于時(shí)頻塊結(jié)構(gòu)ofdma無(wú)線資源無(wú)線資源廣州市華泓信息科技有限公司vavov分布式方式將分配給一個(gè)用戶的子載波分散到整分布式方式將分配給一個(gè)用戶的子載波分散到整個(gè)帶寬，從而獲得頻率分集增益。但這種方式下個(gè)帶寬，從而獲得頻率分集增益。但這種方式下用戶子信道內(nèi)的子載波之間具有非相關(guān)性，故信用戶子信道內(nèi)的子載波之間具有非相關(guān)性，故信道估計(jì)較為復(fù)雜，也無(wú)法采用頻域調(diào)度。道估計(jì)較為復(fù)雜，也無(wú)法采用頻域調(diào)度。廣州市華泓信息科技有限公司vavov 集中式方式將連續(xù)子載波組成的子信道分配

10、給一個(gè)用戶，集中式方式將連續(xù)子載波組成的子信道分配給一個(gè)用戶，子信道中的連續(xù)子載波個(gè)數(shù)與信道時(shí)延擴(kuò)展和子載波帶寬子信道中的連續(xù)子載波個(gè)數(shù)與信道時(shí)延擴(kuò)展和子載波帶寬有關(guān)，只要保證子信道中的子載波數(shù)是相關(guān)的，那么其一有關(guān)，只要保證子信道中的子載波數(shù)是相關(guān)的，那么其一個(gè)子信道只需做一次信道估計(jì)就可以，故集中方式可以降個(gè)子信道只需做一次信道估計(jì)就可以，故集中方式可以降低信道估計(jì)的難度。低信道估計(jì)的難度。v 同時(shí)集中式方式下系統(tǒng)可以通過頻域調(diào)度同時(shí)集中式方式下系統(tǒng)可以通過頻域調(diào)度(scheduling選擇較優(yōu)的子信道選擇較優(yōu)的子信道(用戶用戶)進(jìn)行傳輸，從而獲得多用戶分集進(jìn)行傳輸，從而獲得多用戶分集增益

11、。增益。v 基于頻域的多用戶分集增益是由于不同用戶在同一時(shí)刻性基于頻域的多用戶分集增益是由于不同用戶在同一時(shí)刻性能優(yōu)良的子信道可能彼此不同，只把條件好的子信道分配能優(yōu)良的子信道可能彼此不同，只把條件好的子信道分配給某一用戶，并采用自適應(yīng)調(diào)制編碼方式，從而獲得最優(yōu)給某一用戶，并采用自適應(yīng)調(diào)制編碼方式，從而獲得最優(yōu)的無(wú)線資源利用率。但這種方式獲得的頻率分集增益較小，的無(wú)線資源利用率。但這種方式獲得的頻率分集增益較小，用戶平均性能略差。用戶平均性能略差。廣州市華泓信息科技有限公司vavov在多用戶在多用戶ofdma系統(tǒng)中，一個(gè)時(shí)隙中的子信道系統(tǒng)中，一個(gè)時(shí)隙中的子信道是一個(gè)最小資源劃分單位，稱為資源單

12、元。是一個(gè)最小資源劃分單位，稱為資源單元。n一個(gè)資源單元可以分配給任何一個(gè)用戶，一個(gè)用戶可以得到多個(gè)資源單元，但是同一個(gè)資源單位不能同時(shí)分配給多個(gè)用戶。n其多用戶資源分配機(jī)制非常靈活。還可以根據(jù)用戶業(yè)務(wù)量的大小動(dòng)態(tài)分配資源單元的數(shù)量。因而既可以達(dá)到很高的系統(tǒng)無(wú)線資源利用率，又能滿足用戶業(yè)務(wù)qos需求廣州市華泓信息科技有限公司vavov多用戶多用戶ofdma系統(tǒng)自適應(yīng)資源分配的模型系統(tǒng)自適應(yīng)資源分配的模型廣州市華泓信息科技有限公司vavov 該模型中假定每個(gè)用戶都有一個(gè)單獨(dú)的分組隊(duì)列緩存器，分組以先進(jìn)該模型中假定每個(gè)用戶都有一個(gè)單獨(dú)的分組隊(duì)列緩存器，分組以先進(jìn)先出先出(fifo方式進(jìn)入隊(duì)列，同時(shí)

13、假定各個(gè)用戶的信道相互獨(dú)立。在方式進(jìn)入隊(duì)列，同時(shí)假定各個(gè)用戶的信道相互獨(dú)立。在進(jìn)行資源分配進(jìn)行資源分配(如子信道分配如子信道分配)前，需要得到用戶業(yè)務(wù)隊(duì)列緩存信息及前，需要得到用戶業(yè)務(wù)隊(duì)列緩存信息及物理信道狀態(tài)反饋，基于這些信息，資源分配模塊選擇最適合的用戶物理信道狀態(tài)反饋，基于這些信息，資源分配模塊選擇最適合的用戶使用各子信道。當(dāng)對(duì)某個(gè)子信道選擇了相應(yīng)用戶后，在單位使用各子信道。當(dāng)對(duì)某個(gè)子信道選擇了相應(yīng)用戶后，在單位ofdm符號(hào)內(nèi)此子信道上所能承載的比特則由自適應(yīng)調(diào)制編碼模塊確定。符號(hào)內(nèi)此子信道上所能承載的比特則由自適應(yīng)調(diào)制編碼模塊確定。v 從系統(tǒng)資源分配的角度來說，該模型既可以用于上行資源

14、分配也可以從系統(tǒng)資源分配的角度來說，該模型既可以用于上行資源分配也可以用于下行資源分配。只不過在進(jìn)行子信道分配算法時(shí)，需要得知用戶用于下行資源分配。只不過在進(jìn)行子信道分配算法時(shí)，需要得知用戶的信道反饋信息以及的信道反饋信息以及qos及緩存隊(duì)列信息。對(duì)于及緩存隊(duì)列信息。對(duì)于bs集中控制的蜂窩集中控制的蜂窩系統(tǒng)，下行鏈路上每個(gè)用戶業(yè)務(wù)系統(tǒng)，下行鏈路上每個(gè)用戶業(yè)務(wù)qos及隊(duì)列信息都是為及隊(duì)列信息都是為bs所知的所知的;而上行鏈路上這些信息是分布在用戶端不為而上行鏈路上這些信息是分布在用戶端不為bs所知。所知。v 因此在寬帶因此在寬帶ofdma系統(tǒng)中針對(duì)上行鏈路，研究設(shè)計(jì)了針對(duì)不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)中針對(duì)上行鏈

15、路，研究設(shè)計(jì)了針對(duì)不同業(yè)務(wù)類型的上行調(diào)度服務(wù)機(jī)制，這些機(jī)制保證用戶能夠及時(shí)有效的報(bào)告其類型的上行調(diào)度服務(wù)機(jī)制，這些機(jī)制保證用戶能夠及時(shí)有效的報(bào)告其業(yè)務(wù)信息要求給業(yè)務(wù)信息要求給bs，便于，便于bs進(jìn)行資源的調(diào)度。進(jìn)行資源的調(diào)度。廣州市華泓信息科技有限公司vavomc-cdmav多載波多載波cdma系統(tǒng)的基本原理系統(tǒng)的基本原理v多載波多載波cdma系統(tǒng)研究熱點(diǎn)系統(tǒng)研究熱點(diǎn)vmc-cdma系統(tǒng)子載波功率自適應(yīng)系統(tǒng)子載波功率自適應(yīng)vds-cdma多用戶檢測(cè)多用戶檢測(cè)v多用戶檢測(cè)下的多用戶檢測(cè)下的mc-cdma系統(tǒng)功率系統(tǒng)功率自適應(yīng)自適應(yīng)廣州市華泓信息科技有限公司vavo一、一、 多載波多載波cdma

16、的基本原理的基本原理v 傳統(tǒng)傳統(tǒng)ds-cdma系統(tǒng)系統(tǒng)圖 the basic ds-cdma model 是用戶k的第i個(gè)數(shù)據(jù)比特， 比特率為1/t 是信道衰減因子 為高斯白噪音，方差為n0/2 是用戶k的特征波形，具有歸一化的能量 特征波形 的互相關(guān) 其中 為碼片波形，滿足 kbi 1, 1kb i kai kst n t ,11cnkk ntcistcptit ctpt 00, 1,2,cctttcpt pt nt dtn 0,tijijijs ss t s t dt 2201ktksst dt廣州市華泓信息科技有限公司vavo一、一、 多載波多載波cdma 的基本原理的基本原理vmc-c

17、dma(ofdm-cdma)：擴(kuò)頻在頻域內(nèi)進(jìn)行：擴(kuò)頻在頻域內(nèi)進(jìn)行廣州市華泓信息科技有限公司vavo一、一、 多載波多載波cdma 的基本原理的基本原理vmc-ds-cdma：擴(kuò)頻在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行：擴(kuò)頻在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行廣州市華泓信息科技有限公司vavo二、二、 多載波多載波cdma 的研究熱點(diǎn)的研究熱點(diǎn)廣州市華泓信息科技有限公司vavo三、三、 mc-cdma子載波功率自適應(yīng)分配子載波功率自適應(yīng)分配 v 假定收發(fā)兩端可提供完美的假定收發(fā)兩端可提供完美的csi，在各子載波上根據(jù)其信道衰落，通過一定的，在各子載波上根據(jù)其信道衰落，通過一定的算法，自適應(yīng)地分配功率。圖中，算法，自適應(yīng)地分配功率。圖中， 表示用

18、戶表示用戶k第第n個(gè)子載波的發(fā)射功率增益，個(gè)子載波的發(fā)射功率增益，即功控因子，滿足即功控因子，滿足 st是平均比特發(fā)射功率。子載波功率分配，是平均比特發(fā)射功率。子載波功率分配，就是如何選取就是如何選取 的問題。的問題。mc-cdma系統(tǒng)子載波功率自適應(yīng)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)子載波功率自適應(yīng)發(fā)射機(jī),k n,11nk nne,k n廣州市華泓信息科技有限公司vavo三、三、 mc-cdma子載波功率自適應(yīng)分配子載波功率自適應(yīng)分配 v 圖中圖中 gk,n表示第用戶表示第用戶k的第的第n個(gè)子載波上的合并權(quán)重，取決于具體的合個(gè)子載波上的合并權(quán)重，取決于具體的合并方式（如并方式（如egc/mrc/orc/gsc等）等

19、）mc-cdma系統(tǒng)子載波功率自適應(yīng)接收機(jī)系統(tǒng)子載波功率自適應(yīng)接收機(jī)廣州市華泓信息科技有限公司vavo三、三、 mc-cdma子載波功率自適應(yīng)分配子載波功率自適應(yīng)分配 v 用戶用戶k的第的第i個(gè)比特的發(fā)射信號(hào)為個(gè)比特的發(fā)射信號(hào)為 (1)v 接收信號(hào)的第接收信號(hào)的第i個(gè)比特為個(gè)比特為 (2)n 用戶k的延遲nn(t) 高斯白噪音，單邊功率譜密度為n0n 信道功率增益v 對(duì)用戶對(duì)用戶1的第的第i個(gè)比特進(jìn)行判決個(gè)比特進(jìn)行判決, 判決變量為判決變量為 (3) ,12 cos 22 (1)/nk ik ntk ik nncsts bt ctf tnft t ,11,2 cos 22 (1)/( )knk

20、 ntk n k ikk nkknck nr tsbtctf tnft tn tk,k n1,1,11,12( )cos 22 (1)/nllcltlur tg ctf tlft tdtt廣州市華泓信息科技有限公司vavodscdma傳統(tǒng)傳統(tǒng)單用戶單用戶檢測(cè)檢測(cè) 1( )( )( )()( ), 0,kmkkkkkimy ta i b i s titn ttt 1100 ttkkyy t s t dtyy t st dt 0tkknn t st dtkkk kjjjkkj kyababn廣州市華泓信息科技有限公司vavo四、多用戶檢測(cè)下的四、多用戶檢測(cè)下的mc-cdma功率自適應(yīng)功率自適應(yīng),1

21、,tkkk nggg1,tdecklgg廣州市華泓信息科技有限公司vavomc-cdma性能分析性能分析廣州市華泓信息科技有限公司vavooutlinevintroductionvsystem modelvperformance analysisvnumerical resultsvconclusion廣州市華泓信息科技有限公司vavointroductionv minimum mean square error (mmse) detection has been shown to be an effective interference suppression technique.v how

22、ever, it is very difficult to derive a closed expression for the bit error rate (ber) of the mmse detector.v the ber evaluation of the mmse detector for mc-cdma were all employed simulation or monte carlo method in the publications.廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem model：transmittervwe consider an asynchronou

23、s mc-cdma communication system that k simultaneously active mobiles communicate with a single base station (bs).v each of the active users employs n subcarriers and binary phase-shift keying (bpsk) modulation. 廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem model：transmitterfig.1. transmitter model廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem m

24、odel：transmitter the transmitted signal corresponding to the ith data bit for the user k can be expressed as (1) ,12cosntk ik ik nnk nnsstbt cttn廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem model: channelvfor each user, we consider a slowly varying nakagami-m fading channel. all subcarriers are assumed to experience fla

25、t but correlated fading.vthe fading amplitude and phase shift for the nth subcarrier of user k are, respectively, nakagami-m distributed rv with and uniform rv over 0, 2). vthe channel is assumed to have an exponential multi path intensity profile with delay spread td. ,k nt ,k nt ,21k net廣州市華泓信息科技有

26、限公司vavosystem model: channelv the covariance of and is given by(2)v the received signal corresponding to the ith data bit at the bs is(3) where ,11,2 cos( )kntk nk ikk nkknnk nsr tt btctnttn t2222,2,1/ 1k lk nk lk nlndr l neeemt 2,k l2,k n ,k nk nk nnktt 廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem model: receiverv we c

27、onsider the receiver structure as followsfig.2. receiver model廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem model: receivervwith coherent reception, the received signal present at the nth subcarrier for the ith bit of user 1 as the desired user is(4)nwhere is the white gaussian noise with zero mean and variance 11,1,2cos

28、 =itnlllitnnnnr ir t citidtts iiijii0/2n ni廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem model: receivern is desired signal n is the same carrier interference from other users given by nsi 11,bnnesibiin ,1,1,2,cos 11ktnk nnk nnkkk nkkk nksiii ciiintbicibi cit nii廣州市華泓信息科技有限公司vavosystem model: receivern is other carrier i

29、nterference from other users given by ,1,21,1,(1),1, 11 cos coskkkntnk lnkll nitkk llnk lnititkk ljlk jlitsjii cintb icitiidtb i citiidt nji廣州市華泓信息科技有限公司vavoperformance analysisv let (5) 12,tniriririr 12,tniiii 12,tnisisisis 12,tnniiiiiiii 12,tnijijijij 12,tniwiwiwiw廣州市華泓信息科技有限公司vavoperformance analysisv for the mmse receiver, there exists a vector w0(n) such that(6)v then the ith data of user 1 is estimated by (7)v the solution of (6) is obtained by applying the orthogonal principle and has the form(8) 1sg ntbiiiwr 201argmintiieb iiiwwwr 1011 tieiiebii