計(jì)算機(jī)通信專業(yè)核心技能.doc

韶關(guān)學(xué)院專業(yè)核心技能訓(xùn)練（論文） 通信電源的維護(hù)11115032028黃國(guó)興 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院11通信工程2班題 目學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名學(xué) 院專業(yè)班級(jí)OFDM技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用摘 要:OFDM技術(shù)是一種高頻帶利用率的多載波調(diào)制技術(shù),它在提高頻帶利用率的同時(shí),也能有效地抵抗字符間干擾。目前OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于廣播式的音頻、視頻領(lǐng)域和民用通信系統(tǒng)。在OFDM系統(tǒng)中引入了正交的子載波,使得它的頻帶利用率比以前任何一種調(diào)制技術(shù)都要高,第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃OFDM為技術(shù)核心提供增值服務(wù),它在寬帶領(lǐng)域有很大的潛力。關(guān)鍵詞:正交頻分復(fù)用系統(tǒng); 多載波調(diào)制; 正交子載波調(diào)制; 干擾；網(wǎng)絡(luò)OFDM系統(tǒng)的英文全稱為Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing ,即正交頻分復(fù)用系統(tǒng)。OFDM是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù),它能夠同時(shí)滿足高速和抗干擾兩方面的要求，因此常常會(huì)被用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。一、OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)概述OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。眾所周知，無(wú)線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，而OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。另一方面，OFDM技術(shù)也存在缺陷：對(duì)頻率偏移和相位噪聲很敏感；峰值與均值功率比相對(duì)較大，這個(gè)比值的增大會(huì)降低射頻放大器的效率。OFDM具有如下的優(yōu)勢(shì) :(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸 ;(2) OFDM 技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的變化 ;(3) 可以自動(dòng)地檢測(cè)到哪一個(gè)特定的子載波存 在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖 ,然后采取合適的調(diào)制措施避免使用這些子載波 ,實(shí)現(xiàn)成功通信 ;(4) 特別適合用于高層建筑物 ,居民密集和地 理上突出 ,信號(hào)撒播以及需要?jiǎng)h除多徑影響 (例如高 速的數(shù)據(jù)傳輸及播音) 的地方 ;(5) 允許子載波間相互重疊 ,從而提高了頻帶 的利用率 ;(6) 可以有效抵抗頻率選擇性衰減 ,用信道編 碼和 interleaving 可以恢復(fù)由于頻率選擇性衰減而丟失的信號(hào) ;(7) 幾乎不需要均衡技術(shù) ,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ; (8) 用 FFT 技術(shù)簡(jiǎn)化了計(jì)算 ;(9) 有效抵抗 ICI 和 impulsive parasitic noise 。 OFDM在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。 在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中，數(shù)字音頻廣播（DAB）標(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)正式使用OFDM標(biāo)準(zhǔn)的。另外，當(dāng)前國(guó)際上全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)中就包括OFDM技術(shù)，在無(wú)線局域網(wǎng)中，OFDM等技術(shù)開(kāi)始得到應(yīng)用，以提升WLAN的性能。80211n計(jì)劃采用MIMO與OFDM相結(jié)合，使傳輸速率成倍提高。 值得注意的是，為滿足未來(lái)無(wú)線多媒體通信需求，人們?cè)诩泳o實(shí)現(xiàn)3G系統(tǒng)商業(yè)化的同時(shí)，開(kāi)始了B3G的研究。從技術(shù)方面看，3G主要以CDMA技術(shù)為核心技術(shù)，而未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)則以O(shè)FDM技術(shù)最受關(guān)注。在寬帶接入系統(tǒng)中，由于OFDM系統(tǒng)具備良好的特性，將成為下一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的有力支撐。 二、OFDM的基本工作原理及其結(jié)構(gòu)框圖OFDM 的基本原理是將高速信息數(shù)據(jù)編碼后分配到并行的N個(gè)相互正交的載波上，每個(gè)載波上的調(diào)制速率很低（1/N），調(diào)制符號(hào)的持續(xù)間隔遠(yuǎn)大于信道的時(shí)間擴(kuò)散，從而能夠在具有較大失真和突發(fā)性脈沖干擾環(huán)境下對(duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)提供有效地保護(hù)。 OFDM對(duì)多徑時(shí)延擴(kuò)散不敏感，若信號(hào)占用帶寬大于信道相干帶寬則多經(jīng)效應(yīng)使信號(hào)的某些頻率分量增強(qiáng)，某些頻率分量減弱（頻率選擇性衰落）OFDM 的頻域編碼和交織在分散并行的數(shù)據(jù)之間建立了聯(lián)系，這樣由部分衰落或干擾而遭到破壞的數(shù)據(jù)可以通過(guò)頻率分量增強(qiáng)部分的接收的數(shù)據(jù)得以恢復(fù)即實(shí)現(xiàn)頻率分集。OFDM克服了FDMA和TDMA的大多數(shù)問(wèn)題。OFDM 把可用信道分成許多個(gè)窄帶信號(hào)（一般為1008000）。每個(gè)信道的載波都保持正交，由于它們之間可以非常接近，甚至頻譜1/2交疊，卻不需要像FDMA那樣多余的開(kāi)銷，也不存在TDMA那樣的多用戶之間的切換開(kāi)銷。圖1 OFDM系統(tǒng)框圖（一）OFDM的調(diào)制原理OFDM的調(diào)制原理,見(jiàn)圖13。速率為Rbbit/s的串行比特流,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼器,每log2M個(gè)比特被映射為一個(gè)符號(hào)(M為符號(hào)空間的符號(hào)個(gè)數(shù)),從而產(chǎn)生速率為Rs=Rb/log2M符號(hào)/s的串行符號(hào)流,符號(hào)周期Ts=1/Rs(單位s)。將這些串行符號(hào)串并變換為N路并行符號(hào),每一個(gè)符號(hào)調(diào)制N個(gè)正交子載波中的一個(gè),N個(gè)調(diào)制后的子載波相加,再進(jìn)行傳輸,然后再讀入N個(gè)符號(hào),重復(fù)以上過(guò)程。每N個(gè)子載波和被稱為一個(gè)OFDM符號(hào)(寬帶信道被劃分成N個(gè)窄帶子信道)。OFDM符號(hào)的周期Tofdm=NTs,但是因?yàn)楣灿蠳個(gè)串行速率為Rs/N的子信道并行傳輸,故總數(shù)據(jù)速率不變。圖2 OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的調(diào)制部分各子載波間的正交性是通過(guò)適當(dāng)選取f0以及子載波間隔實(shí)現(xiàn)的,取子載波間隔f=1/NTs,以及f0=k/NTs(其中k為大于或等于零的整數(shù),一般取零),fn=f0+nf,則各子載波間在一個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)可保持正交。OFDM系統(tǒng)接收端的解調(diào)部分如圖2所示,OFDM符號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器/積分器組進(jìn)行解調(diào)和判。圖3 OFDM系統(tǒng)接收端的調(diào)制部分（二）OFDM 的調(diào)制技術(shù)OFDM系統(tǒng)的各個(gè)子載波可以根據(jù)信道的條件來(lái) 使用 不 同 的 調(diào) 制 , 例 如 BPSK , QPSK , 8PSK , 6QAM ,64QAM 等等 ,以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為準(zhǔn)則 。選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)制方式以獲得最大頻譜效率 。多徑信道的頻率選擇性衰減會(huì)導(dǎo)致 接收信號(hào)功率大幅下降 ,達(dá)到 30dB 之多 ,信噪比也大幅下降 ,使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式可以提高頻 譜利用率 。三、OFDM在以下各領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展,全球無(wú)線通信呈現(xiàn)出移動(dòng)化、寬帶化和IP 化的趨勢(shì),移動(dòng)通信行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。為了和WiMAX ,Wi2Fi 等新興的無(wú)線寬帶技術(shù)競(jìng)爭(zhēng),提高3G在新興寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力,3GPP 開(kāi)始了UMTS 技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)(LongTerm Evolution ,LTE) 技術(shù)的研究,以實(shí)現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過(guò)渡。3GPP 長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目是關(guān)于UTRA和UTRAN 改進(jìn)的項(xiàng)目,是近兩年來(lái)3GPP 啟動(dòng)的最大的新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目,它的目標(biāo)是更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時(shí)延、改進(jìn)的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍,以及較低的成本。(1) 支持1. 25MHz20MHz 的帶寬配置,并且支持對(duì)稱和不對(duì)稱的頻譜分配。(2) 提高小區(qū)邊緣的比特率,增強(qiáng)3GPP LTE 系統(tǒng)的覆蓋性能。 (3) 系統(tǒng)性能方面3 : 實(shí)現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行鏈路頻譜效率(bitPsPHzPsite) 達(dá)到3GPP R6 中HSDPA 的34倍,上行鏈路頻譜效率為HSUPA 的23 倍。 (4) 取消電路交換,采用基于全分組的包交換。(5) 支持與現(xiàn)有3GPP 和非3GPP 系統(tǒng)的互操作且追求后向兼容。（一）OFDM在無(wú)線通信網(wǎng)路中的應(yīng)用WiMAX寬帶技術(shù)發(fā)展十分迅速，已經(jīng)以O(shè)FDMAWMAN TDD的名義被國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）批準(zhǔn)成為移動(dòng)設(shè)備的全球標(biāo)準(zhǔn)之一，將可能成為3G高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入的首選技術(shù)。移動(dòng)W i M A X的空中接口標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.16e-2005，采用OFDM技術(shù)，增加了數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量工作在低于6G H z適宜于移動(dòng)性的許可頻段，使終端能夠在不同基站間進(jìn)行切換和漫游。 O F D M作為W i M A X物理層技術(shù)，主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：O F DM物理層和O F D MA物理層。O F D M物理層采用256載波的O F D M調(diào)制方式（正交頻分多路復(fù)用）。正交載波集為單一用戶并行傳輸數(shù)據(jù)流，上行鏈路采用T D M A多址方式，下行采用T D M復(fù)用方式。O F D M A物理層采用O F D M A（正交頻分多址接入），可以支持2048點(diǎn)、1024點(diǎn)、512點(diǎn)、128點(diǎn)的F F T點(diǎn)數(shù)，以適應(yīng)不同地理區(qū)域從20M H z到1.25M H z的不同載波帶寬的需要。這種接口通過(guò)給每個(gè)接收機(jī)分配載波子集提供多路訪問(wèn)。O F D M調(diào)制技術(shù)提供了靈活的子載波分配調(diào)度能力，從而可以充分利用寬帶多載波傳輸技術(shù)的頻率選擇特性。O F D M A支持子信道化。在下行中，一個(gè)子信道可以指定給不同的接收機(jī)；上行中，一個(gè)發(fā)信機(jī)可分配一個(gè)或多個(gè)子信道，多個(gè)發(fā)信機(jī)可同時(shí)發(fā)射。對(duì)于每一個(gè)子信道，編碼和調(diào)制是獨(dú)立自適應(yīng)的，以便在更小的范圍內(nèi)優(yōu)化信道（而不是在整個(gè)信道范圍內(nèi)優(yōu)化）。組成一個(gè)子信道的多個(gè)子載波可以相鄰也可以不相鄰。協(xié)議規(guī)定了兩種基本的子載波分配方式：集中式和分布式，如圖2所示。集中式即將若干連續(xù)子載波分配給一個(gè)子信道，這種方式下系統(tǒng)可以通過(guò)頻率選擇性調(diào)度充分利用多用戶之間的分集增益。集中方式也可以降低信道估計(jì)的難度，但這種方式獲得的頻率分集增益較小，用戶平均性能略差。分布式系統(tǒng)將分配給一個(gè)用戶的子載波分散到整個(gè)信道，各用戶的子載波交替排列，從而可以通過(guò)離散的頻率選擇性調(diào)度充分利用頻率分集增益。但這種方式下信道估計(jì)較為復(fù)雜，無(wú)法采用頻域調(diào)度，抗頻偏能力也較差。在進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在這兩種方式中進(jìn)行靈活選擇。未來(lái)蜂窩移動(dòng)通信將以數(shù)據(jù)和多媒體通信為主對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求會(huì)越來(lái)越高，帶寬的需求越來(lái)越大，對(duì)時(shí)延要求也越來(lái)越苛刻，并將以互聯(lián)網(wǎng)作為承載網(wǎng)絡(luò)，以IP協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行通信等等。這就需要一些關(guān)鍵技術(shù)的支持，如為了達(dá)到高速傳輸以及滿足高QoS，必須提高頻譜利用率、增強(qiáng)抗碼間干擾能力，增強(qiáng)信號(hào)抗衰落能力，降低用戶間的干擾等。這就需要OFDM作為物理層的調(diào)制技術(shù)。3G為了應(yīng)對(duì)其他無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)，在演進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了革命性轉(zhuǎn)變，將以O(shè) F D M技術(shù)替代3G的核心技術(shù)CDMA。3GPP LTE多址接入的下行鏈路將選用OFDMA技術(shù)。OFDMA技術(shù)的PAPR較高，對(duì)放大器的線性度要求就會(huì)很高，從而會(huì)增大U E的功耗和功放成本，降低U E的功率利用率，并會(huì)減小上行的有效覆蓋范圍，所以在上行鏈路中采用了具有較低峰均比的SC-FDMA技術(shù)。DFT-S-OFDM是SC-FDMA的頻域產(chǎn)生方式。這種技術(shù)是在O F D M的I F F T調(diào)制之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行DFT擴(kuò)展，不同終端通過(guò)調(diào)整DFT與IFFT之間的子載波映射規(guī)則調(diào)制到上行的不同頻率資源塊上， 在IFFT后面加入CP以實(shí)現(xiàn)上行用戶之間的正交性和降低接收端的頻域均衡復(fù)雜度。這樣系統(tǒng)發(fā)射的是時(shí)域信號(hào)，在某一時(shí)刻只發(fā)送一個(gè)符號(hào)，類似單載波技術(shù)，發(fā)送信號(hào)的波形幅度較小，具有較低的峰均比，并且其峰均比對(duì)放大器的影響將只取決于調(diào)制技術(shù)，從而降低了終端對(duì)功率放大器的要求。D F T-S-O F D M子載波分配具有兩種模式： 分布式與集中式。在3G P P2 U M B中，上行鏈路O F D M技術(shù)峰均比問(wèn)題通過(guò)預(yù)編碼等方式解決，其上下行鏈路均采用OFDMA，同時(shí)在反向鏈路保留了CDMA數(shù)據(jù)信道，用于傳輸突發(fā)的低速率、對(duì)時(shí)延敏感的反向。（二）OFDM在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用OFDM應(yīng)用于移動(dòng)通信,主要是指與各種多址方式的結(jié)合。目前,引起廣泛研究興趣的是OFDM與DS-CDMA的結(jié)合,其基本動(dòng)機(jī)是利用OFDM和CDMA各自的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)造一種高速傳輸?shù)挠行Х绞健Ｋ鼈兿嘟Y(jié)合的方式主要有3種:MC-CDMA、MC-DS-CDMA以及MT-CDMA,統(tǒng)稱為多載波CDMA。其中第1種屬于頻域擴(kuò)頻,它將一個(gè)擴(kuò)頻序列的各個(gè)碼片分配到不同的子載波上傳輸,從而可以獲得明顯的頻率分集。而后2種都是時(shí)域擴(kuò)頻,它們的每一個(gè)子載波上傳輸?shù)亩际且宦稤S-CDMA信號(hào),即當(dāng)子載波數(shù)為1時(shí),它們都退變?yōu)槠胀―S-CDMA。下面分別討論這3種方式。MC-CDMA發(fā)射機(jī)在頻域使用給定的擴(kuò)頻序列將原始數(shù)據(jù)在不同的子載波上進(jìn)行擴(kuò)頻。采用BPSK調(diào)制的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)及在子載波數(shù)Nc=4和處理增益GMC=4=Nc時(shí)的功率譜示意圖。時(shí)域擴(kuò)頻(DS-CDMA)是各個(gè)碼片分時(shí)占有同一段被展寬了的頻譜,而頻域擴(kuò)頻則是各個(gè)碼片在不同的頻段上占有同一段時(shí)間。若采用普通的FDM則后者所占的總帶寬約等于前者,而用OFDM則使后者的頻帶利用率提高近一倍,從而僅用前者一半的帶寬就能實(shí)現(xiàn)相同的擴(kuò)頻增益。(三)高清晰度電視(HDTV)由于現(xiàn)有的專用DSP芯片最快可以在100s內(nèi)完成1024點(diǎn)FFT，這正好能滿足8MHz帶寬以內(nèi)視頻傳輸?shù)男枰瑥亩鵀閼?yīng)用于視頻業(yè)務(wù)提供了可能。目前，歐洲已把OFDM作為發(fā)展地面數(shù)字電視的基礎(chǔ);日本也將它用于發(fā)展便攜電視和安裝在旅游車、出租車上的車載電視。（四）HFC網(wǎng)HFC(Hybrid Fiber Cable)是一種光纖/同軸混合網(wǎng)。近來(lái)，OFDM被應(yīng)用到有線電視網(wǎng)中，在干線上采用光纖傳輸，而用戶分配網(wǎng)絡(luò)仍然使用同軸電纜。這種光電混合傳輸方式，提高了圖像質(zhì)量，并且可以傳到很遠(yuǎn)的地方，擴(kuò)大了有線電視的使用范圍。隨著蜂窩移動(dòng)通信、寬帶無(wú)線接入技術(shù)、多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，簡(jiǎn)單的語(yǔ)音業(yè)務(wù)、低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)不能滿足人們的需求，電信運(yùn)營(yíng)商需要開(kāi)發(fā)出更多新的增值業(yè)務(wù)來(lái)吸引與保留顧客，如多媒體彩信、LBS(位置業(yè)務(wù))、游戲、移動(dòng)視頻、電視業(yè)務(wù)等。由于單載波技術(shù)存在嚴(yán)重的ISI并且均衡實(shí)現(xiàn)復(fù)