LTE物理層培訓--OFDM基本原理

1、OFDM基本原理培訓基本原理培訓主要內(nèi)容主要內(nèi)容OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術的優(yōu)點OFDM技術的缺點OFDM關鍵技術OFDM的變形技術：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術的引入技術的引入通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高數(shù)據(jù)傳輸速率提高后將直接導致每個碼元的傳輸周期縮短在無線通信系統(tǒng)中，存在多徑效應，這樣當碼元傳輸周期縮短時，碼間干擾會更加嚴重，從而導致檢測性能下降如果將并行傳輸技術引入通信系統(tǒng)中，則可以同時傳輸多個碼元，這樣在總數(shù)據(jù)傳輸速率相同時，每個碼元的傳輸周期可以大大增長OFDM技術恰恰可以利用正交子載波組來實現(xiàn)并行傳輸，從而增強系統(tǒng)對碼間干擾的魯棒性OFDM技術的發(fā)

2、展技術的發(fā)展OFDM技術的應用已有近40年的歷史，最初主要用于軍用無線通信系統(tǒng)20世紀的五六十年代，美國軍方創(chuàng)建了世界上第一個多載波調(diào)制系統(tǒng)二十世紀七十年代，采用大規(guī)模子載波和頻率重疊技術的OFDM系統(tǒng)出現(xiàn)二十世紀九十年代，隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，OFDM系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端分別采用IFFT和FFT來實現(xiàn)，從而導致系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度大大降低，使得該技術開始廣泛應用OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術的優(yōu)點OFDM技術的缺點OFDM關鍵技術OFDM的變形技術：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術的模擬基帶實現(xiàn)技術的模擬基帶實現(xiàn)主要思想：將數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換，得到N路并行的數(shù)據(jù)流，并將它們

3、調(diào)制到相互正交的子載波上，各個子載波的頻譜相互交疊發(fā)送信號表達式：在接收端對其進行相關解調(diào)時，下面的式子可以保證子載波之間的正交性：10)sincos()(NnnnnntbtatXsTTTjisjidttftfT00, 0)2sin()2cos(1sTTTjisjidttftfT00, 0)2cos()2cos(1OFDM技術的數(shù)字基帶實現(xiàn)技術的數(shù)字基帶實現(xiàn)1010( )(cossin)Re()exp()NnnnnnNnnnnX tatbtajbjt對發(fā)射信號以Ts/N進行采樣，得到將發(fā)射信號改寫成實數(shù)調(diào)制到復載波上的形式：1010( )Re()exp( 2) Re()exp( 2) Re()

4、NsnnnsNnnnnmTnX majbjTNmnajbjNIDFT ZOFDM技術的數(shù)字基帶實現(xiàn)示意圖技術的數(shù)字基帶實現(xiàn)示意圖下圖描述了OFDM系統(tǒng)在發(fā)射端用IFFT來實現(xiàn)多載波疊加的過程由前面的公式可以得出，對發(fā)射序列進行IFFT之后所得到的，恰好是模擬基帶實現(xiàn)時多載波疊加后數(shù)據(jù)的采樣序列，對其進行D/A轉(zhuǎn)換，即可得到模擬基帶實現(xiàn)時的發(fā)射信號tje0tjNe1S0 , ns1, NnsP/SIDFT0 , ns1, NnsD/AOFDM系統(tǒng)中子載波之間的正交性系統(tǒng)中子載波之間的正交性OFDM系統(tǒng)的發(fā)射信號中，各個載波之間是完全正交的OFDM系統(tǒng)的子載波間隔為OFDM符號周期的倒數(shù)，每個子載

5、波的頻譜均為SINC函數(shù)，該函數(shù)以子載波間隔為周期周期性地出現(xiàn)零值，這樣恰好在其他子載波的峰值位置處貢獻為零-10-8-6-4-20246020406080100120140Linear Amplitude時域信號波形和頻譜時域信號波形和頻譜時域信號：多個載波信號的時域疊加頻譜：相等頻譜間隔且相互有重疊OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)框圖系統(tǒng)實現(xiàn)框圖下圖給出了OFDM系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖，該圖僅僅是為了凸現(xiàn)OFDM系統(tǒng)如何將數(shù)據(jù)進行并行傳輸而畫的P/SIFFTS/Ps(t)AddCyclicPrefixTx. filter: GT()Channel: H()n(t)S/PFFTP/Sr(t)RemoveCyclic

6、PrefixRx. filter: GT()TransmitterReceiverChannelOFDM概述OFDM基本原理OFDM技術的優(yōu)點OFDM技術的缺點OFDM關鍵技術OFDM的變形技術：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術的優(yōu)點技術的優(yōu)點頻譜利用率高抗多徑干擾抗頻率選擇性衰落信道估計與均衡實現(xiàn)簡單OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率高系統(tǒng)的頻譜利用率高下圖給出了單載波和正交多載波系統(tǒng)的頻譜示意圖，由于OFDM系統(tǒng)中只預留少部分保護子載波，不象傳統(tǒng)的多載波系統(tǒng)那樣需要較大的保護頻帶，因而頻譜利用率有一定程度的提高OFDM系統(tǒng)中各個子載波之間是彼此重疊、相互正交的，從而極大提高了頻譜利用率OF

7、DM系統(tǒng)能有效抵抗多徑干擾系統(tǒng)能有效抵抗多徑干擾在傳輸速率一定的前提下，通過并行傳輸使每個碼元的傳輸周期延長為原來的N倍，這樣每個碼元在傳輸過程中受多徑干擾影響的部分大大減小如果每個碼元的傳輸周期為無窮大，則完全可以忽略信號在傳輸過程中所受到的多徑干擾如果在每個OFDM符號前面或后面插入一個保護間隔，則可以進一步降低多徑延遲所引起的符號間干擾，當保護間隔的長度大于最大多徑時延時，可以完全避免符號間干擾GI和和CP的區(qū)別的區(qū)別每個OFDM符號前所加的保護間隔可以有兩種不同的形式：一種是不發(fā)射信號的Guard Interval；另一種是將OFDM符號周期內(nèi)的后面一部分拷貝到前面去，形成循環(huán)前綴Cy

8、clic Prefix如果采用GI，可以節(jié)省發(fā)射功率，但由于在有效的OFDM符號周期內(nèi)，延遲后的信號路徑只取到了一部分，從而使得其頻譜不再滿足以子載波為間隔周期性出現(xiàn)零點的特征，所以會引入ICI如果采用CP，而且CP的長度大于最大多徑時延，則在有效的OFDM符號周期內(nèi)，每一徑的信號都是完整的，從而保證了子載波之間的正交性CP抗多徑示意圖抗多徑示意圖OFDM系統(tǒng)能有效抵抗頻率選擇性衰落系統(tǒng)能有效抵抗頻率選擇性衰落下圖給出了多徑無線信道的頻率選擇性衰落特征，該頻率選擇性衰落是由多徑引起的OFDM系統(tǒng)中可以通過動態(tài)子載波分配技術來抵抗頻率選擇性衰落，在衰落子載波上不傳數(shù)據(jù)或者采用較低階調(diào)制01002

9、00300400500600-30-25-20-15-10-50510FrequencyFrequency Slective Fading10)()(*)()(Liiitsathtstr1010)2exp()()2exp()()(LiiiLiiifjafSfjfSafROFDM概述OFDM基本原理OFDM技術的優(yōu)點OFDM技術的缺點OFDM關鍵技術OFDM的變形技術：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術的缺點技術的缺點OFDM技術最大的缺點是對頻率偏移特別敏感，收發(fā)兩端晶振的不一致會引起ICI，雖然在接收端可以通過頻率同步來獲取頻率偏移并進行校正，但由于頻偏估計的不精確而引起的殘留頻偏將

10、會使信號檢測性能下降在移動環(huán)境下，由于終端移動而引起的多普勒頻譜擴展，同樣會引起ICI，這就要求系統(tǒng)設計時合理地配置各種參數(shù)以盡量降低ICI對檢測性能的影響OFDM系統(tǒng)的PAPR較大，對功放和削波提出了更高的要求OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術的優(yōu)點OFDM技術的缺點OFDM關鍵技術OFDM的變形技術：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM關鍵技術關鍵技術時頻同步信道估計PAPR抑制動態(tài)資源分配時頻同步重要性（一）時頻同步重要性（一）左圖顯示，實際的FFT窗如果在最佳FFT窗之后，則一定會引入ISI和ICI；右圖顯示，如果實際的FFT窗相對于最佳FFT窗的提前量太大，也會引入ISI和I

11、CI時頻同步重要性（二）時頻同步重要性（二）由下圖可以看出，滯后的時間同步誤差對于系統(tǒng)性能的影響遠大于提前的時間同步誤差，所以實際系統(tǒng)在得到同步位置后，通常往前提一到兩個碼片時頻同步重要性（三）時頻同步重要性（三）下圖顯示，頻率不同步將直接引入ICI，而且ICI的影響要比ISI的影響大得多，所以在OFDM系統(tǒng)中，頻率同步的精度要求比時間同步高OFDM系統(tǒng)信道估計系統(tǒng)信道估計資源：利用訓練序列進行信道估計利用導頻子載波進行信道估計方法：最小二乘（LS）最小均方誤差（MMSE）降噪算法（NR）利用訓練序列進行信道估計通常進行一維（頻域）插值，利用導頻子載波進行信道進行估計，要進行時頻二維插值，一般

12、采用線性插值即可滿足要求OFDM系統(tǒng)降低系統(tǒng)降低PAPR的方法的方法OFDM系統(tǒng)中，PAPR與系統(tǒng)所采用的調(diào)制方式基本無關，隨可用子載波數(shù)目的增多而非線性增加降低PAPR可采用下述方法：合理地設計各個子載波的相位l 當相位為有效信息時，該方法不再適應預編碼l 當子載波數(shù)目較大時，找不到好的預編碼方案限幅l 產(chǎn)生非線性失真，增加帶內(nèi)干擾及帶外輻射，使BER提高預留子載波自適應序列選擇l 需要傳遞冗余信息OFDM系統(tǒng)的動態(tài)資源分配系統(tǒng)的動態(tài)資源分配OFDM系統(tǒng)中可供分配的資源包括功率、子載波、編碼調(diào)制方式根據(jù)信道質(zhì)量為每個用戶動態(tài)分配最優(yōu)子載波根據(jù)信道質(zhì)量為每個子載波動態(tài)分配合適的編碼調(diào)制方式根據(jù)

13、注水定理，通過合理的資源分配使系統(tǒng)容量最大化或者發(fā)射功率最小化將QoS與動態(tài)資源分配相結(jié)合，考慮業(yè)務需求和公平性將功率分配與遠近效應相結(jié)合，盡量降低自干擾OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術的優(yōu)點OFDM技術的缺點OFDM關鍵技術OFDM的變形技術： DFT-S-OFDMOFDMADFT-S-OFDM實現(xiàn)方法優(yōu)點信號既保持OFDM的特點，又具有單載波特性，時域上明顯降低PAPR缺點增加處理復雜度 DFT Sub-carrier Mapping CP insertion Size-NTX Size-NFFT Coded symbol rate= R NTX symbols IFFT OFDM

14、概述OFDM基本原理OFDM技術的優(yōu)點OFDM技術的缺點OFDM關鍵技術OFDM的變形技術：DFT-S-OFDMOFDMAOFDMA的主要思想的主要思想將每個OFDM符號的可用子載波劃分為多個資源塊，每個用戶可以占用其中的一個或者幾個資源塊實際上是TDMA+FDMA的多址方式OFDMA的優(yōu)點的優(yōu)點資源分配的力度更小，資源分配更加靈活，在同一個OFDM符號內(nèi)可以支持多個用戶接入對于上行鏈路，可以通過功率匯聚（power concentration）來擴大覆蓋。對于下行鏈路，往往不會出現(xiàn)覆蓋受限，如果出現(xiàn)，可以通過重復編碼或者同樣采用功率匯聚來擴大覆蓋。Scalable OFDMA在802.16e

15、或LTE OFDMA物理層標準中，不同帶寬的系統(tǒng)所采用的FFT點數(shù)是不一樣的，稱之為Scalable OFDMA，如1.25M帶寬采用128點，5M帶寬采用512點等采用Scalable OFDMA，在系統(tǒng)應用環(huán)境相同時，不同帶寬系統(tǒng)的符號周期是相同的，子載波間隔也是相同的，因而它們對于頻率選擇性衰落和多普勒頻移的忍受能力也是一樣的如果Scalable OFDMA系統(tǒng)中采用相同的CP長度，如1/4，那么帶寬不同時對于多徑時延的抵抗能力是相同的OFDMA系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的MAI在OFDM系統(tǒng)中，如果頻偏校正后的殘留頻偏比較小，其引入的ICI對系統(tǒng)性能影響不大在OFDM系統(tǒng)中，如果參數(shù)配置合理，即多普勒頻移遠小于子載波間隔，則其引入的ICI對系統(tǒng)性能影響也不大在OFDMA系統(tǒng)中，由于多用戶之間的頻率選擇性衰落信道是不一樣的，這樣由