LO_BT1002_C01_1__LTE_OFDM_基本原理-47綜述

1、LTE OFDM 基本原理介紹課程目標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n理解OFDM的關鍵技術n了解OFDM在上下行鏈路中的應用課程內(nèi)容n無線信道的特性無線信道的特性nOFDM概述nOFDM的關鍵技術nOFDM在上下行鏈路的應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)過多條路徑到達接收端，而每個信號分量的時延、衰落和相位不同，在接收端對多個信號分量疊加時

2、，造成同相增加，異相減小頻率選擇性衰落n多徑效應會引起頻率選擇性衰落。l當多路信號的相對時延與一個符號的時間相比不可忽略, 那么當多路信號迭加時, 不同時間的符號就會重迭在一起,造成符號間干擾（InterSymbol Interference，ISI），此時就認為發(fā)生了頻率選擇性衰落。時間選擇性衰落n除上面講到的幾種衰落之外，由于移動臺的運動，還會使無線信道呈現(xiàn)出時變性，即時間選擇性衰落。n時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)過時變衰落信道之后會呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡的信號，稱為信道的頻率彌散性。頻率彌散性會造成信道間干擾(Inter

3、Channel Interference，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，通過合理的設計就可以消除這種不利影響。n在無線通信系統(tǒng)中，重點要解決時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落。采用OFDM技術可以很好的解決這兩種衰落對無線信道傳輸造成的不利影響。課程內(nèi)容n無線信道的特性nOFDM概述概述nOFDM的關鍵技術nOFDM在上下行鏈路的應用什么是OFDM？nOFDM: 正交頻分復用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

4、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)流同時傳輸。n頻率選擇性衰落小：OFDM子載波的帶寬 信道“相干帶寬”時，可以認為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”。n時間選擇性衰落?。篛FDM符號持續(xù)時間 信道“相干時間”時，信道可以等效為“線性時不變”系統(tǒng)，降低信道時間選擇性衰落對傳輸系統(tǒng)的影響。OFDM的正交性頻域描述011expexp -0TnmmnjtjtdtmnT（）（）OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)原理多載波技術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)

5、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)流放置在對應的子載波上；l3.將多個子載波合成，一起進行傳輸。OFDM原理圖nOFDM技術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（快速傅立葉反變換）和FFT（快速傅立葉變換）分別實現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)。LTE OFDM時頻結構n時域：對應OFDM符號 n頻域：對應OFDM子載波OFDM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

6、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算簡單 選用基于IFFT/FFT的OFDM實現(xiàn)方法，計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格。然而由于無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現(xiàn)無線信號的頻率偏移，會導致OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性被破壞

7、，引起子信道間的信號干擾存在較高的峰均比 因為OFDM信號是多個小信號的總和，這些小信號的相位可能同相，在幅度上疊加在一起會產(chǎn)生很大的瞬時峰值幅度。而峰均比(PAPR)過大，將會增加A/D和D/A的復雜性，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n無線信道的特性nOFDM概述nOFDM的關鍵技術的關鍵技術l循環(huán)前綴循環(huán)前綴l同步技術l信道估計l降峰均比技術nOFDM在上下行鏈路的應用多徑效應路徑路徑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 多徑效應將引起符號間干擾 保護間隔保

8、護間隔GI (Guarding Interval)路徑路徑2路徑路徑 1保護間隔保護間隔n加入保護間隔避免符號間干擾n當保護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帶有時延的子載波帶有時延的子載波 2保護間隔保護間隔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)前綴幅度保護間隔保護間隔FFT 積分時長積分時長 OFDM 符號長度符號長度n循環(huán)前綴是前一個符號后一段樣點值的重復，加入循

9、環(huán)前綴的目的是不破壞子載波間的正交性； n只要每個路徑的時延小于保護間隔，F(xiàn)FT的積分時間長度就可以包含整數(shù)個多徑子載波波形。循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)循環(huán)前綴循環(huán)前綴時間循環(huán)前綴（續(xù)）n加入循環(huán)前綴，要犧牲一部分時間資源，降低了各個子載波的符號速率和信道容量，優(yōu)點就是可以有效的抗擊多徑效應。n下圖為采用IFFT實現(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就實現(xiàn)了頻域到時域的轉(zhuǎn)換。課程內(nèi)容n無線信道的特性nOFDM概述nOFDM的關鍵技術的關鍵技術l循環(huán)前

10、綴l同步技術同步技術l信道估計l降峰均比技術nOFDM在上下行鏈路的應用同步要求nOFDM系統(tǒng)的同步要求：l載波同步：實現(xiàn)接收信號的相干解調(diào)；l樣值同步：使接收端的取樣時刻與發(fā)送端完全一致；l符號同步：區(qū)分每個OFDM符號塊的邊界，因為每個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-載波同步nOFDM系統(tǒng)利用導頻實現(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

11、蹤性能。l第一階段：盡快地進行粗略的頻率估計，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。同步技術-符號同步和載波同步nOFDM系統(tǒng)中，采用最大似然方法聯(lián)合實現(xiàn)符號定時同步和載波同步。n通常多載波系統(tǒng)都采用插入保護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間隔所攜帶的信息完成符號定時同步和載波頻率同步，克服了需要插入導頻符號實現(xiàn)載波同步，浪費資源的缺點。課程內(nèi)容n無線信道的特性nOFDM概述nOFDM的關鍵技術的關鍵技術l循環(huán)前綴l同步技術l信道估計信道估計l降峰均比技術nOFDM在上下行鏈路的應用信道估計技術n加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個獨立的并行子信道。

12、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。如果通過估計方法預先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，即可實現(xiàn)接收信號的正確解調(diào)。n常見的信道估計方法有基于導頻信道和基于導頻符號（參考信號）兩種，多載波系統(tǒng)具有時頻二維結構，因此采用導頻符號的輔助信道估計更靈活。導頻符號位置n導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頻符號和導頻序列按照某些算法進行信道估計。n在多載波系統(tǒng)中，通常在時間軸和頻率軸兩個方向同時插入導頻符號，在接收端提取導頻符號估計信道傳輸函數(shù)。只要導頻符號在時間

13、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信道傳輸函數(shù)。導頻符號位置圖Normal CP下單天下單天線口的導頻圖樣線口的導頻圖樣Normal CP下兩天下兩天線口的導頻圖樣線口的導頻圖樣課程內(nèi)容n無線信道的特性nOFDM概述nOFDM的關鍵技術的關鍵技術l循環(huán)前綴l同步技術l信道估計l降峰均比技術降峰均比技術nOFDM在上下行鏈路的應用峰均比（PAR）n在時域上，OFDM信號是路正交子載波信號的疊加，當這路信號按相同極性同時取最大值時，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)

14、中，PAPR與有關，越大，PAPR的值越大，=1024時，PAPR可達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。降峰均比技術降峰均比技術 OFDM系統(tǒng)中采用信號預畸變技術降峰均比實現(xiàn)原理 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行預畸變，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)實現(xiàn)方法 限幅 壓縮擴張限幅方法n限幅作用：信號經(jīng)過非線性部件之前進行限幅，可以使得峰值信號低于所期望的最大電平值。n限幅導致的問題：會對系統(tǒng)造成自身干擾；會導致帶外

15、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符號進行時域加窗。壓縮擴張n壓縮擴張變化方法：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n無線信道的特性nOFDM概述nOFDM的關鍵技術nOFDM在上下行鏈路的應用在上下行鏈路的應用下行多址技術方案-OFDMAnOFDMA（正交頻分多址接入）：是傳統(tǒng)的基于CP的OFDM技術。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技術相結合的多址

16、接入方式。如下圖所示：OFDM調(diào)制的各個子載波信號在頻域上正交調(diào)制的各個子載波信號在頻域上正交下行多址技術方案OFDM系統(tǒng)框圖下行上行集中式下行上行分布式下行多址技術方案OFDMA子載波分配下行多址技術方案-OFDMAn根據(jù)每個用戶需求的數(shù)據(jù)傳輸速率、當時的信道質(zhì)量對頻率資源進行動態(tài)分配，如圖C所示。下行多址技術方案-OFDMA的優(yōu)勢n頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。n帶寬擴展性強：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。n頻域調(diào)度和自適應：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

17、動或SINR較低時）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實現(xiàn)MIMO技術較簡單：水平衰落信道，避免天線間干擾。上行多址接入技術方案-需求n上行多址技術的要求和下行不同，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功率就會遠遠高于信號的平均功率，存在較高的峰均比PAPR。n對發(fā)射機的線性度提出了很高的要求，會增加數(shù)模轉(zhuǎn)換的復雜度，降低RF功放的效率，使發(fā)射機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的多址接入技術并不適合用在UE側(cè)使用。上行多址技術方案 SC-FDMA多址方式n采用SC-FDMA多址接入方式，多用戶復用頻譜資源時只需要改變不同用戶DFT的輸出到IDFT輸入的關系就可以實現(xiàn)多址接入，同時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IDFT的映