LT_BT002_C01_1 LTE OFDM 基本原理介紹

1、LTE OFDM 基本原理介紹中興通訊學(xué)院課程目標(biāo)n了解OFDM的基本概念n理解OFDM的基本原理n了解OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)n理解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)n了解OFDM在上下行鏈路中的應(yīng)用課程內(nèi)容無線信道的特性無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用無線信道傳播特性路徑損耗（大尺度衰落） 電波在自由空間內(nèi)的傳播損耗陰影衰落（中等尺度衰落） 由于傳播環(huán)境的地形起伏、建筑物和其他障礙物對地波的阻礙或遮蔽而引起的衰落多徑衰落（小尺度衰落） 無線電波在空間傳播存在反射、繞射、衍射等，因此造成信號會經(jīng)過多條路徑到達(dá)接收端，而每個信號分量的時(shí)延、衰落和相位不同，在接收端對多個信號分量疊

2、加時(shí)，造成同相增加，異相減小頻率選擇性衰落n多徑效應(yīng)會引起頻率選擇性衰落。l當(dāng)多路信號的相對時(shí)延與一個符號的時(shí)間相比不可忽略, 那么當(dāng)多路信號迭加時(shí), 不同時(shí)間的符號就會重迭在一起,造成符號間干擾（InterSymbol Interference，ISI），此時(shí)就認(rèn)為發(fā)生了頻率選擇性衰落。時(shí)間選擇性衰落n由于移動臺的運(yùn)動，還會使無線信道呈現(xiàn)出時(shí)變性，即時(shí)間選擇性衰落。n時(shí)間選擇性衰落的一種具體表現(xiàn)就是多普勒頻移（Doppler shift），即單一頻率信號經(jīng)過時(shí)變衰落信道之后會呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡(luò)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 Int

3、erference，ICI)。無線信道要解決的問題n自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區(qū)域的覆蓋，通過合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種不利影響。n在無線通信系統(tǒng)中，重點(diǎn)要解決時(shí)間選擇性衰落和頻率選擇性衰落。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用什么是OFDM？nOFDM: 正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種多載波傳輸方式。為什么采用OFDM？n帶寬利用率高：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)

4、流同時(shí)傳輸。n頻率選擇性衰落?。篛FDM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系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理多載波技術(shù)n多載波傳輸是相對于單載波傳輸而來的：使用多個載波并行傳輸數(shù)據(jù)。l1.把一串高速數(shù)據(jù)流分解為若干個低速的子數(shù)據(jù)流每個子數(shù)據(jù)流將具有低得多的速率；l2.將子數(shù)據(jù)流放置在對應(yīng)的子載波上；l3.將多個子載波合成，一起進(jìn)行傳輸。OFDM原理圖nOFDM技術(shù)中各個子載波之間相互正交且相互重疊，可以最大限度地利用頻譜資源。nOFDM是一種多載波并行調(diào)制方式，將符號周期擴(kuò)大為原來的N倍，從而提高了抗多徑衰落的能力。nOFDM可以通過IFFT

5、（快速傅立葉反變換）和FFT（快速傅立葉變換）分別實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)。LTE OFDM時(shí)頻結(jié)構(gòu)n時(shí)域：對應(yīng)OFDM符號 n頻域：對應(yīng)OFDM子載波nRB由RE構(gòu)成，頻域上包含12個子載波、時(shí)域上包含7個OFDM符號（常規(guī)CP情況為7個，擴(kuò)展CP情況下為6個）n每個無線幀長度為10ms，包含10個子幀，每個子幀有兩個時(shí)隙n每個子載波寬度為15kHznRB頻域?qū)挾葹?80kHzOFDM的優(yōu)勢抗多徑衰落 將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上傳輸，可以減少子信道的干擾。 每個子信道上的信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此每個子信道上的信號可以看成平坦性

6、衰落，從而可以消除符號間干擾頻譜利用率高 由于子載波之間正交，允許子載波之間具有1/2的重迭，具有很高的頻譜利用率計(jì)算簡單 選用基于IFFT/FFT的OFDM實(shí)現(xiàn)方法，計(jì)算方法簡單高效頻譜資源靈活分配 通過選擇子信道數(shù)目的不同，實(shí)現(xiàn)上下行不同的傳輸速率要求；通過動態(tài)分配充分利用信噪比高的子信道，提高系統(tǒng)吞吐量OFDM的不足易受頻率偏差的影響 由于OFDM子信道的頻譜相互重疊，因此對正交性要求嚴(yán)格。然而由于無線信道存在時(shí)變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，會導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性被破壞，引起子信道間的信號干擾存在較高的峰均比 因?yàn)镺FDM信號是多個小信號的總和，這些小信號的相

7、位可能同相，在幅度上疊加在一起會產(chǎn)生很大的瞬時(shí)峰值幅度。而峰均比(PAPR)過大，將會增加A/D和D/A的復(fù)雜性，降低射頻功率放大器的效率。由于OFDM系統(tǒng)峰均比大，對非線性放大更為敏感，故OFDM調(diào)制系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)對放大器的線性范圍要求更高 課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴循環(huán)前綴l同步技術(shù)l信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用多徑效應(yīng)路徑路徑2路徑1的第二個符號和路徑2的第一個符號形成干擾 路徑路徑1 多徑效應(yīng)將引起符號間干擾 保護(hù)間隔保護(hù)間隔GI (Guarding Interval)路徑路徑2路徑路徑 1保護(hù)間隔保護(hù)間隔n加入保護(hù)間隔避免符號

8、間干擾n當(dāng)保護(hù)間隔的長度超過信道最大延遲，一個符號的多徑分量不會干擾下一個符號 子載波干擾子載波子載波 1帶有時(shí)延的子載波帶有時(shí)延的子載波 2保護(hù)間隔保護(hù)間隔OFDM信號的積分區(qū)間信號的積分區(qū)間子載波子載波 2對子載波對子載波1帶來的帶來的ICI干擾干擾n引入保護(hù)間隔后，積分區(qū)間內(nèi)不再具有整數(shù)個子載波，子載波間的正交性被破壞，兩個子載波之間會產(chǎn)生載波間的干擾 循環(huán)前綴幅度保護(hù)間隔保護(hù)間隔FFT 積分時(shí)長積分時(shí)長 OFDM 符號長度符號長度n循環(huán)前綴是此符號后一段樣點(diǎn)值的重復(fù)，加入循環(huán)前綴的目的是不破壞子載波間的正交性； n只要每個路徑的時(shí)延小于保護(hù)間隔，F(xiàn)FT的積分時(shí)間長度就可以包含整數(shù)個多徑

9、子載波波形。循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)循環(huán)前綴循環(huán)前綴時(shí)間循環(huán)前綴（續(xù)）n加入循環(huán)前綴，要犧牲一部分時(shí)間資源，降低了各個子載波的符號速率和信道容量，優(yōu)點(diǎn)就是可以有效的抗擊多徑效應(yīng)。n下圖為采用IFFT實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前綴的過程：輸入串行數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換，輸出的并行數(shù)據(jù)就是要調(diào)制到相應(yīng)子載波上的數(shù)據(jù)符號，可以看成是一組位于頻域上的數(shù)據(jù)。經(jīng)過IFFT就實(shí)現(xiàn)了頻域到時(shí)域的轉(zhuǎn)換。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴l同步技術(shù)同步技術(shù)l信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用同步要求nOFDM系統(tǒng)的同步要求：l載波同步：實(shí)現(xiàn)接收信號的

10、相干解調(diào)；l樣值同步：使接收端的取樣時(shí)刻與發(fā)送端完全一致；l符號同步：區(qū)分每個OFDM符號塊的邊界，因?yàn)槊總€OFDM符號塊包含N個樣值。n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。同步技術(shù)-載波同步nOFDM系統(tǒng)利用導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)載波同步，載波同步分為兩個過程：l跟蹤模式：只需要處理很小的載波抖動；l捕獲模式：頻偏較大，可能是載波間隔的若干倍。nOFDM系統(tǒng)接收機(jī)通過兩個階段的同步，可以提供良好的捕獲性能和精確的跟蹤性能。l第一階段：盡快地進(jìn)行粗略的頻率估計(jì)，解決載波的捕獲問題；l第二階段：能夠鎖定并且執(zhí)行跟蹤任務(wù)。同步技術(shù)-符號同步和載波同步

11、nOFDM系統(tǒng)中，采用最大似然方法聯(lián)合實(shí)現(xiàn)符號定時(shí)同步和載波同步。n通常多載波系統(tǒng)都采用插入保護(hù)間隔的方法來消除符號間干擾，最大似然方法正是利用保護(hù)間隔所攜帶的信息完成符號定時(shí)同步和載波頻率同步，克服了需要插入導(dǎo)頻符號實(shí)現(xiàn)載波同步，浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴l同步技術(shù)l信道估計(jì)信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用信道估計(jì)技術(shù)n加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個獨(dú)立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，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(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

12、號與信道的頻譜特性相除，即可實(shí)現(xiàn)接收信號的正確解調(diào)。n常見的信道估計(jì)方法有基于導(dǎo)頻信道和基于導(dǎo)頻符號（參考信號）兩種，多載波系統(tǒng)具有時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)頻符號的輔助信道估計(jì)更靈活。導(dǎo)頻符號位置n導(dǎo)頻符號輔助方法是在發(fā)送端的信號中某些固定位置插入一些已知的符號和序列，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號和導(dǎo)頻序列按照某些算法進(jìn)行信道估計(jì)。n在多載波系統(tǒng)中，通常在時(shí)間軸和頻率軸兩個方向同時(shí)插入導(dǎo)頻符號，在接收端提取導(dǎo)頻符號估計(jì)信道傳輸函數(shù)。只要導(dǎo)頻符號在時(shí)間和頻率方向上的間隔相對于信道帶寬足夠小，就可以采用二維內(nèi)插濾波的方法來估計(jì)信道傳輸函數(shù)。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴

13、l同步技術(shù)l信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用峰均比（PAR）n在時(shí)域上，OFDM信號是路正交子載波信號的疊加，當(dāng)這路信號按相同極性同時(shí)取最大值時(shí)，OFDM信號將產(chǎn)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)。n在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與有關(guān)，越大，PAPR的值越大，=1024時(shí)，PAPR可達(dá)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。降峰均比技術(shù)降峰均比技術(shù) OFDM系統(tǒng)中采用信號預(yù)畸變技術(shù)降峰均比實(shí)現(xiàn)原理

14、在信號被送到放大器之前，首先經(jīng)過非線性處理，對有較大峰值功率的信號進(jìn)行預(yù)畸變，使其不會超出放大器的動態(tài)變化范圍，從而避免較大峰均比的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方法 限幅 壓縮擴(kuò)張限幅方法n限幅作用：信號經(jīng)過非線性部件之前進(jìn)行限幅，可以使得峰值信號低于所期望的最大電平值。n限幅導(dǎo)致的問題：會對系統(tǒng)造成自身干擾；會導(dǎo)致帶外輻射功率值的增加。n解決方法：利用其他非矩形窗函數(shù)對OFDM符號進(jìn)行時(shí)域加窗。壓縮擴(kuò)張n壓縮擴(kuò)張變化方法：把大功率發(fā)射信號壓縮，而把小功率發(fā)射信號進(jìn)行放大，從而可以使得發(fā)射信號的平均功率相對保持不變。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用在上下行鏈路的應(yīng)用下

15、行多址技術(shù)方案-OFDMAnOFDMA（正交頻分多址接入）：是傳統(tǒng)的基于CP的OFDM技術(shù)。nOFDMA多址接入方式：將傳輸帶寬劃分成相互正交的子載波集，通過 將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用資源被靈活的在不同移動終端之間共享。這可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術(shù)相結(jié)合的多址接入方式。如下圖所示：下行多址技術(shù)方案-OFDMAn根據(jù)每個用戶需求的數(shù)據(jù)傳輸速率、當(dāng)時(shí)的信道質(zhì)量對頻率資源進(jìn)行動態(tài)分配，如圖C所示。下行多址技術(shù)方案-OFDMA的優(yōu)勢n頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。n帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)：帶寬取決于子載波的數(shù)量。n抗多徑衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入。

16、n頻域調(diào)度和自適應(yīng)：l集中式/分布式子載波分配：子載波連續(xù)分配給一個用戶，頻域調(diào)度選擇較優(yōu)子信道，獲得多用戶分集增益；（高速移動或SINR較低時(shí)）將分配給子信道的子載波分散到整個帶寬，交替排列，獲得頻率分集增益。l頻率選擇性：SINR、調(diào)制編碼方式MSC。n實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡單：水平衰落信道，避免天線間干擾。上行多址接入技術(shù)方案-需求n上行多址技術(shù)的要求和下行不同，OFDM等多載波系統(tǒng)的輸出是 多個子信道號的疊加，因此，如果多個信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，存在較高的峰均比PAPR。n對發(fā)射機(jī)的線性度提出了很高的要求，會增加數(shù)模轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度，降低RF功放的效率，使發(fā)射機(jī)功放的成本和耗電量增加。n終端的能力有限，尤其是發(fā)射功率受限，所以在上行鏈路，基于OFDM的多址接入技術(shù)并不適合用在UE側(cè)使用。上行多址技術(shù)方案 SC-FDMA多址方式n采用SC-FDMA多址接入方式，多用戶復(fù)用頻譜資源時(shí)只需要改變不同用戶DFT的輸出到IDFT輸入的關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)多址接入，同時(shí)子載波之間具有良好的正交性，避免了多址干擾。n通過改變DFT到ID