正交頻分復(fù)用技術(shù)技術(shù)在LongTermEvolution系統(tǒng)中的應(yīng)用修改初副本

1、本科畢業(yè)論文(2016屆 ) 題 目： 正交頻分復(fù)用技術(shù)在Long Term Evolution 系統(tǒng)中的應(yīng)用 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 光信息科與技術(shù) 學(xué)生姓名： 李鑫 學(xué)號(hào)： 21206081022 指導(dǎo)教師： 龐宛文 職稱（學(xué)位）： 合作導(dǎo)師： 職稱（學(xué)位）： 完成時(shí)間： 201 年 月 日 成 績： 黃山學(xué)院教務(wù)處制學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明茲呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考的其他個(gè)人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標(biāo)明。本人依法享有和承擔(dān)由此論文而產(chǎn)生的權(quán)利和責(zé)任。聲明人（簽名）：年 月 日16黃山學(xué)院本科畢業(yè)論文正文目 錄目錄摘要4

2、Abstract:51 引言62 LTE系統(tǒng)簡介63 OFDM的特性83.1 OFDM技術(shù)83.2 OFDM與以往多址技術(shù)的區(qū)別83.3 OFDM的基本原理及應(yīng)用104 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展124.1 無線信道衰落特征124.2 OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)124.3 OFDM技術(shù)存在的問題134.4 OFDM技術(shù)的發(fā)展13參考文獻(xiàn)15致 謝16正交頻分復(fù)用技術(shù)在Long Term Evolution系統(tǒng)中的應(yīng)用信息工程學(xué)院 12光信息專業(yè) 李鑫（21206081022）指導(dǎo)老師：龐宛文摘要：長期演進(jìn)(Long Term Evolution , LTE)系統(tǒng)是1第三代合作伙伴計(jì)劃(the 3rd

3、Generation Partnership Project, 3GPP) 商討出的3G向4G過渡的演進(jìn)技術(shù)。目前，LTE信號(hào)已經(jīng)覆蓋全國大部分城市地區(qū)。LTE系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如安全可靠性、高速的傳輸速率等使其成為新一代的通信系統(tǒng)。由于無線信道具有復(fù)雜多變的特點(diǎn)，這就不可避免地會(huì)使得信號(hào)在傳播的過程中降低信號(hào)質(zhì)量。在LTE這個(gè)新一代的通信系統(tǒng)中引進(jìn)的正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術(shù)具有頻譜利用率高、抗多路徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其能夠成為的核心技術(shù)并應(yīng)用到LTE系統(tǒng)。本文大致介紹了LTE系統(tǒng)

4、的構(gòu)成部分，然后主要闡述和分析了OFDM系統(tǒng)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其發(fā)展等。關(guān)鍵詞：LTE； OFDM；通信系統(tǒng) Application of Orthogonal Frequency Division Multiplexing technology in Long Term Evolution systemAbstract: The 3rd Generation Partnership Project mention Long Term Evolution system is the evolution of 3G technology, to 4G transition at present

5、, advantages of the LTE signal has covered most of the city area of the.LTE system, such as safety and reliability, high transmission rate and make it become the communication system a new generation of the wireless channel. With complex features, making the signal in the dissemination process, will

6、 inevitably reduce the signal quality. Orthogonal frequency division multiplexing technology in LTE (Orthogonal Frequency Division Multiplexing introduction, OFDM) technology has the advantages of high spectrum efficiency, anti multipath interference and frequency selective fading ability so, make i

7、t become the core technology of the LTE system. This paper introduces the structure of LTE system, mainly elaborates and analyzes the basic principle of OFDM system and its advantages and disadvantages. Development and so on.Key words: LTE; OFDM; communication system1 引言隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的的快速發(fā)展，傳統(tǒng)無線通信技術(shù)提供的

8、業(yè)務(wù)帶寬、傳輸速率顯然不能滿足人們對于提高上傳下載速率的需求。另外，傳統(tǒng)通信技術(shù)也不能保障用戶信息的安全性，而LTE系統(tǒng)能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)通信技術(shù)的不足。LTE系統(tǒng)是3G向4G一個(gè)過渡的階段，不過因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的組網(wǎng)和用戶終端能力等條件的限制，在大多數(shù)測試的過程中下載速率最大可達(dá)到100Mbps，上傳速率最大能夠達(dá)到50Mbps。與傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方面比起來，能夠較好地滿足用戶對于速率高、延遲短的需求。而且，LTE系統(tǒng)還能夠支持靈活的頻譜分配來滿足各種復(fù)雜頻譜情況的需求以及使手機(jī)終端的耗電控制在合理的范圍內(nèi)。在目前所有的通信系統(tǒng)中頻譜利用效率最高就是在新一代LTE通信系統(tǒng)中引入的OFDM

9、技術(shù)。它能夠?qū)?shù)字調(diào)制、多載波傳輸?shù)纫恍┘夹g(shù)有機(jī)的融合在一起。這就使得OFDM技術(shù)在長期演進(jìn)通信系統(tǒng)中不單單有很高頻譜利用率，還在功率利用率等方面綜合起來與傳統(tǒng)的多址技術(shù)相比較有了很大的改善，并能夠很好地為用戶提供良好的服務(wù)。OFDM技術(shù)是可以支持未來移動(dòng)通信特別是移動(dòng)多媒體通信的主要技術(shù)之一。2 LTE系統(tǒng)簡介 LTE是由第三代合作伙伴計(jì)劃 (The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)組織并統(tǒng)一制定的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications System, UMTS）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)，也就是我們

10、俗稱的“4G”。LTE作為新一代的通信系統(tǒng)，極大地改善了許多用戶的手機(jī)上網(wǎng)環(huán)境。不僅如此，LTE還將成為普及大眾的通信系統(tǒng)。為了滿足更多用戶的上網(wǎng)需求，LTE引入了OFDM技術(shù)、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)、高階調(diào)制、混合自動(dòng)重傳（HARQ）等較為先進(jìn)的技術(shù)，顯著的提高了用戶信息的安全性、頻譜利用率、數(shù)據(jù)傳輸速率以及極大的減少了控制面連接建立時(shí)間和用戶面數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間。 LTE系統(tǒng)中使用的雙工技術(shù)既能夠支持以時(shí)間分開的時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）技術(shù)又能夠支持以頻率分開的頻分雙工（Frequency Divi

11、sion Duplexing，F(xiàn)DD）技術(shù)。這里面所提到的雙工技術(shù)，就是指兩臺(tái)通訊設(shè)備之間，允許有雙向的資料傳輸。另一方面，LTE系統(tǒng)也能夠支持不同頻譜帶寬的分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，因而頻譜分配更加靈活，使得小區(qū)用戶容量和信號(hào)的覆蓋范圍也得到了大幅度的增長。為了縮短系統(tǒng)的時(shí)間延遲，降低系統(tǒng)維護(hù)的成本和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的布置，LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比起傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)管理起來更加省時(shí)，更加方便，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)的復(fù)雜度也被大大的縮減了，一個(gè)LTE系統(tǒng)只有三個(gè)組成部分。如圖1-1所示，UE（User Equipment）表示用戶；eNB指的是小區(qū)基站；

12、MME是指移動(dòng)設(shè)備管理，主要負(fù)責(zé)信令處理部分；uu是負(fù)責(zé)UE與eNB之間的連接；X2是利用光纖連接兩個(gè)基站的，相當(dāng)于兩個(gè)基站的橋梁；S1是連接eNB和MME的接口。E-UTRAN主要由eNB構(gòu)成，是LTE架構(gòu)中的核心部分，負(fù)責(zé)無線資源管理、UE連接期間選擇MME、尋呼消息和廣播消息的調(diào)度和傳輸、IP數(shù)據(jù)包壓縮和用戶數(shù)據(jù)加密等。圖2-1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)3 OFDM的特性3.1 OFDM技術(shù) OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)就是把一個(gè)信道分成多個(gè)不存在干擾的子信道，調(diào)制到每個(gè)子信道上的低速子數(shù)據(jù)流是通過快速的數(shù)據(jù)流變換而來的。并且在接收端通過相關(guān)技術(shù)將正交的信號(hào)分離開來，從而能夠減少子信道與子信道之間

13、的相互干擾。由于每一個(gè)子信道的頻率帶寬都很窄，那么就會(huì)使信號(hào)的每一次衰落變得非常緩慢，這樣的結(jié)果就會(huì)使信道均衡就會(huì)變得相對容易。3.2 OFDM與以往多址技術(shù)的區(qū)別頻分多址的定義是把頻率分成若干個(gè)大小不同的頻段，每個(gè)用戶通過使用不同的頻率來實(shí)現(xiàn)用戶與用戶之間不存在干擾，在接收端利用帶通濾波器提取出不同用戶的用戶的信號(hào)信息，用戶與用戶所使用的頻率之間存在有一小段的頻帶用來保護(hù)不同頻率信道得到重疊。圖3-1 頻分多址技術(shù)原理圖TDMA是GSM系統(tǒng)的典型特性，對時(shí)分多址的定義基本上就是：把時(shí)間軸分成若干大小不一的幀，然后再把每個(gè)幀分成若干個(gè)時(shí)隙，這樣可以實(shí)現(xiàn)時(shí)隙或子幀在時(shí)間域上的正交，并為每個(gè)用戶分

14、配不同的時(shí)隙或子幀，最后利用時(shí)隙開關(guān)，在接受端接受各自的信號(hào)。圖3-2 時(shí)分多址技術(shù)原理圖碼分多址技術(shù)是原先在擴(kuò)頻技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，碼分多址應(yīng)用到通信系統(tǒng)中就是我們平時(shí)用到“3G”網(wǎng)絡(luò)，簡單來說就是需要傳送一定帶寬的數(shù)據(jù)信息，然后再用一個(gè)大于信號(hào)帶寬的數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制。這樣的話，原來帶有數(shù)據(jù)的帶寬就會(huì)增大，然后通過進(jìn)一步的調(diào)制發(fā)出。在接收的一端使用和上面所說的大的信號(hào)帶寬完全相同的數(shù)據(jù)流，與接收的帶寬信號(hào)一起處理，這樣就能夠把寬帶數(shù)據(jù)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶數(shù)據(jù)，以完成信息通信的要求。圖3-3 碼分多址技術(shù)原理圖OFDM就是在FDM的基礎(chǔ)上發(fā)展的一個(gè)頻分復(fù)用的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的頻分多址技術(shù)是將寬度較大的

15、頻帶劃分成若干個(gè)頻帶較窄的子載波，為了各個(gè)子載波之間不存在干擾就在相鄰的子載波之間選擇留取一定的間隔，從而使每個(gè)用戶得頻率帶寬都具有正交性。正交頻分復(fù)用技術(shù)為了保持各個(gè)子載波的正交性使子載波重疊排列，這樣就會(huì)避免子載波與子載波間的相互干擾。另一方面重疊排列的子載波可以進(jìn)一步提高頻譜的利用效率。圖3-4 正交頻分復(fù)用技術(shù)原理圖總體來說，F(xiàn)DMA頻譜利用率低，信令干擾語音業(yè)務(wù)；TDMA系統(tǒng)容量有限，切換性能不完善；3.3 OFDM的基本原理及應(yīng)用OFDM是基于FDM發(fā)展而來，就是將大的頻譜分為若干個(gè)小的子載波，采用多載波（稱為子載波）來傳送信息流。因?yàn)楦鱾€(gè)相鄰的子載波可以允許相互重疊，而且利用傅里

16、葉變換又實(shí)現(xiàn)了相鄰子載波間的互相正交，從而使子載波能夠重疊又能夠保證子載波之間不存在干擾抑制。所以若干路信號(hào)可以在相同的無線鏈路中一起傳送并且不會(huì)產(chǎn)生互相干擾，總體的數(shù)據(jù)傳輸速率就可以有很大幅度的提高。如圖2-1所示表示的是正交頻分復(fù)用的頻譜圖。圖3-5 OFDM頻譜示意圖傳統(tǒng)頻分多址的多載波調(diào)制和OFDM的調(diào)制是存在一定區(qū)別的，傳統(tǒng)頻分多址的多載波與多載波之間是存在一定的間隙，這是就可以避免相鄰多載波之間發(fā)生相互干擾，而OFDM的子載波則是可以重疊在一起的；顯而易見，最大的一個(gè)好處就是節(jié)省了帶寬。如下圖是表示傳統(tǒng)FDM的頻譜圖。圖3-6 FDM頻譜示意圖由以上可知，OFDM的頻譜利用效率更高

17、。此外OFDM的子載波也不同于傳統(tǒng)的子載波，OFDM的子載波非常小，這樣是為了頻率不會(huì)快速衰落。下圖是二者頻譜圖的比較。圖3-6 FDM和OFDM頻譜圖的比較對于OFDM來說，如何保證各個(gè)子載波之間不會(huì)出現(xiàn)干擾是最不容易解決的問題，目前利用快速傅里葉變換 (Inverse Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT/IFFT) 就是最簡單有效的方法。這樣就可以使OFDM正交的子載波實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。下圖表示的是OFDM基帶傳輸系統(tǒng)。圖3-7 OFDM基帶傳輸系統(tǒng)OFDM的每個(gè)載波可以根據(jù)自身情況能夠選擇合適的調(diào)制方法。各個(gè)載波選擇不同的調(diào)制方式是根據(jù)信道狀況的不同，比如BPSK、QPS

18、K等低階調(diào)制以及16QAM、64QAM等高階調(diào)制方法。頻譜效率和后面的6QAM、64QAM這兩兩種相比前兩個(gè)的調(diào)制方式是很低的。OFDM技術(shù)能夠根據(jù)信道條件的好壞來自適應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式。比方說當(dāng)用戶距離小區(qū)基站很近的時(shí)候就會(huì)比距離小區(qū)基站稍遠(yuǎn)距離的信號(hào)強(qiáng)，可以選擇調(diào)制的方式就由BPSK轉(zhuǎn)化成16QAM或64QAM，頻譜在整個(gè)系統(tǒng)中就會(huì)得到很大程度的利用。4 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展4.1 無線信道衰落特征無線信號(hào)在傳播的過程中可能會(huì)受到各種因素的制約使信號(hào)的質(zhì)量減弱或降低。這些存在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的任何介質(zhì)包括傳播路徑、阻擋物等自然因素都會(huì)影響信號(hào)的強(qiáng)度、功率等參數(shù)。當(dāng)接收機(jī)在基站覆蓋

19、范圍內(nèi)的某一位置時(shí)，它在該位置附近接收到的信號(hào)功率將受到以下幾種效應(yīng)的影響：（1）陰影效應(yīng)：由于受到建筑物、樹木及山地等自然條件的阻擋，所以在無線電波傳播的過程中，不可避免的會(huì)降低無線信號(hào)的質(zhì)量。（2）遠(yuǎn)近效應(yīng)：在離基站不同距離的設(shè)備當(dāng)以相同的功率發(fā)射信號(hào)時(shí)，距離基站近的設(shè)備接收到的信號(hào)就會(huì)比而距離基站遠(yuǎn)的信號(hào)強(qiáng)，弱的話信號(hào)就會(huì)容易中斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸或語音通話失敗。（3）多徑效應(yīng)：接收機(jī)接收到的信號(hào)可能來自于無線信號(hào)在傳播的的環(huán)境中傳播而來的直射波、反射波、繞射波等多種路徑。這幾種信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間、相位可能有所不同，當(dāng)接收端接收了多個(gè)分量，信號(hào)的幅度在很短時(shí)間內(nèi)會(huì)快速發(fā)生變化，產(chǎn)生衰落，稱

20、為多徑衰落。（4）多普勒頻移：移動(dòng)臺(tái)處于高速移動(dòng)時(shí)，會(huì)使接收到的信號(hào)的頻率發(fā)生偏移。4.2 OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) OFDM技術(shù)之所以能夠在新一代的通信系統(tǒng)中受到很大的關(guān)注，是因?yàn)槠浔旧砭途哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)：（1）頻譜利用率高，各個(gè)子載波可以允許部分重疊。這樣就能夠可以避免用戶間的干擾，增加小區(qū)的用戶量。（2）抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)表明多徑干擾在帶寬增加到5MHz以上變得相當(dāng)嚴(yán)重，OFDM技術(shù)將大的帶寬分解成若干個(gè)窄帶進(jìn)行傳輸，每個(gè)子載波上可以看做成一個(gè)平坦型的衰落信道。（3）頻域調(diào)度和自適應(yīng)：單載波系統(tǒng)，只能根據(jù)平均信噪比來選擇相應(yīng)的調(diào)制編碼方式，而多載波系統(tǒng)可以將一整個(gè)頻帶分成很多個(gè)

21、帶寬很小頻帶然后根據(jù)每個(gè)子頻帶的條件選擇合適的調(diào)制和編碼方式，這樣就能夠更好地適應(yīng)頻率選擇行衰落，獲得更佳的性能。（4）實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)較為簡單，頻率衰落的信道中初始化地址消息和符號(hào)間干擾是摻雜在一起不容易分不開的，這就給MIMO接收和信道均衡分開處理無形中增添了難度，然而采用混合處理的接收機(jī)復(fù)雜度又比較高，很難分開這兩種數(shù)據(jù)。OFDM使得信道衰落是平坦的，極大地降低了接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的難題使MIMO技術(shù)進(jìn)一步的升級(jí)。4.3 OFDM技術(shù)存在的問題雖然OFDM技術(shù)在LTE系統(tǒng)中有著不可替代的作用，但是依然存在著諸多的技術(shù)難題需要克服和解決。（1）峰均比（PAPR）問題，峰均比是一種對波形的測量參數(shù),

22、等于波形的振幅除以均方根所得到的一個(gè)比值。降低PAPR的有效方法：下行技術(shù)使用性能比較高的功率放大器，上行技術(shù)采用單載波頻分多址（SC-FDMA）技術(shù)來降低峰均比。(2) OFDM同步問題：同步技術(shù)在OFDM技術(shù)中是需要能夠保證用戶與用戶、用戶與控制面間正常業(yè)務(wù)往來的必要條件；時(shí)間、頻率、相位都會(huì)影響OFDM的同步，其中對系統(tǒng)影響最大的是頻率同步。為了讓頻率的偏差達(dá)到最小化，我們可以采用循環(huán)前綴的方法去實(shí)現(xiàn)。首先我們在時(shí)間域內(nèi)剪切掉OFDM符號(hào)的后面部分，接著我們把剪切掉的部分放到該符號(hào)的前面，這樣就可以達(dá)到一個(gè)循環(huán)前綴的目的了。4.4 OFDM技術(shù)的發(fā)展OFDM并不是新興技術(shù)。其實(shí)早在40年

23、前OFDM技術(shù)就開始發(fā)展并應(yīng)用于軍用的通信系統(tǒng)里面。早期OFDM系統(tǒng)沒有迅速發(fā)展起來是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使它在各領(lǐng)域的前期投資成本較大，是它的推廣受到了限制。80年代前后，由于人們利用了離散傅里葉變換使OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱没碾A段；同時(shí)對多載波調(diào)制在高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動(dòng)通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用研究的較為深入。自從90年代以來，隨著OFDM技術(shù)的研究和發(fā)展其應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域包括通信、航空航天、智能天線、廣播電視等。參考文獻(xiàn)1 馮建和.OFDM技術(shù)簡介J.科技信息，2012.2 孫媛.4G通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)初探J.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2004.3 陳玲玲.LTE關(guān)鍵技術(shù)原理及實(shí)際應(yīng)用分析J.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013.4 陳莉.移動(dòng)通信改革的探討J.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011.5 李從兵.正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的同步技術(shù)研究C.碩博學(xué)位論文，2006.6 王焉.基于信道探索的對流層單載波傳輸技術(shù)研究