任務(wù)驅(qū)動教學設(shè)計方案

模塊五：第四代移動通信系統(tǒng)單元3第四代移動通信關(guān)鍵技術(shù)(OFDM)制定人員： 制定時間：2014年8月授課教師： 所需學時：2嗜教學條件’要求配置有投影儀、教師演示終端、黑板等。，學習目標了解OFDM的基本概念理解OFDM的基本原理了解OFDM的優(yōu)缺點理解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)了解OFDM在上下行鏈路中的應(yīng)用重點與難點+重點：OFDM的基本原理；OFDM的優(yōu)缺點;+難點：OFDM的關(guān)鍵技術(shù)々金主要授課內(nèi)容一、無線信道的傳播特性?多徑效應(yīng)會引起頻率選擇性衰落“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(InterSymbolInterference，ISI)，此時就認為發(fā)生了頻率選擇性衰落。

?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。?時間選擇性衰落的一種具體表現(xiàn)就是多普勒頻移(Dopplershift)，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(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(InterChannelInterference，ICI)。?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)計就可以消除這種不利影響。?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(shù)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。二、OFDM的概述傳統(tǒng)頻分復用(FDM)多載波調(diào)制技術(shù)正交頻分復用(OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)傳統(tǒng)頻分復用(FDM)多載波調(diào)制技術(shù)正交頻分復用(OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)圖FDM和OFDM帶寬利用率的比較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)?！?.把一串高速數(shù)據(jù)流分解為若干個低速的子數(shù)據(jù)流一一每個子數(shù)據(jù)流將具有低得多的速率；“2.將子數(shù)據(jù)流放置在對應(yīng)的子載波上；”3.將多個子載波合成，一起進行傳輸。三、OFDM的關(guān)鍵技術(shù)1、CP保護間隔保護間隔加入保護間隔避免符號間干擾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

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)前綴是此符號后一段樣點值的重復，加入循環(huán)前綴的目的是不破壞子載波間的正交性;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。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(yīng)。下圖為采用IFFT實現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前:■■Transmitter過程：輸入串行數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過串/? I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，「可以彈是一組位下圖為采用IFFT實現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前:■■Transmitter過程：輸入串行數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過串/? I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，「可以彈是一組位^數(shù)據(jù)^過jFfT就實現(xiàn)(附)insertionh(t)removalOFDM

demod.

(FFT)l_2、OFDM系統(tǒng)的同步要求?載波同步：實現(xiàn)接收信號的相干解調(diào)；“樣值同步：使接收端的取樣時刻與發(fā)送端完全一致；“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。?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。3、信道估計?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。如果不考慮信道噪聲，N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(yù)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)。?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(jié)構(gòu)，因此采用導頻符號的輔助信道估計更靈活。

4、降峰均比?在時域上，OFDM信號是N路正交子載波信號的疊加，當這N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)。在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與N有關(guān)，N越大，PAPR的值越大，N=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。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。限幅導致的問題：會對系統(tǒng)造成自身干擾；會導致帶外輻射功率值的增加。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。時間采樣信號四、OFDM時間采樣信號四、OFDM應(yīng)用對OFDM符號進行時域1、OFDMA(正交頻分多址接入)：是傳統(tǒng)的基于CP的OFDM技術(shù)。OFDMA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。

用戶3的時頻資源頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。用戶3的時頻資源頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。帶寬擴展性強：帶寬取決于子載波的數(shù)量。抗多徑衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入。頻域調(diào)度和自適應(yīng)：“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）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?！邦l率選擇性：SINR、調(diào)制編碼方式MSC。實現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡單：水平衰落信道，避免天線間干擾。2、OFDMA和SC-FDMA的比較：SequenceofQP$KdatasymbolstobetransmittedSC-FDMADatasymbolsoccupyNx15kHzfor1/NSC-FDMAsymbolperiodsQPSKmodulatingdatasymbols15kHzFrequencyOFDMADatasymbolsoccupy15kHzforoneOFDMAsymbolperiod-SequenceofQP$KdatasymbolstobetransmittedSC-FDMADatasymbolsoccupyNx15kHzfor1/NSC-FDMAsymbolperiodsQPSKmodulatingdatasymbols15kHzFrequencyOFDMADatasymbolsoccupy15kHzforoneOFDMAsymbolperiod-60kHz-Al Frequency《修勁超后芟主》《修勁超后芟主》教學組織過程第一部分：課程引入第四代移動通信系統(tǒng)技術(shù)則以O(shè)FDM最受矚目，OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，被看作是第四代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，也是我們今天這次課學習的重要內(nèi)容。明確學習對第四代移動通信系統(tǒng)模塊的目的和重要性，進而明確本次子任務(wù)的重點難點。第二部分：新課講解由于學生在前面已經(jīng)學習過電磁波的傳播特性，進行課前復習與檢測：簡要說明電磁波在自由空間中的傳播損耗的計算公式。什么是陰影衰落？服從什么分布？什么是多徑衰落？服從什么分布？請同學們隨意的談?wù)劅o線信道要解決哪些傳輸問題？采用什么技術(shù)可以有效的解決兩種衰落造成的影響？內(nèi)容1：什么是OFDM，為什么要采用OFDM？由老師講解OFDM的原理和時頻結(jié)構(gòu)，讓學生小組總結(jié)OFDM的優(yōu)點與不足，小組討論后回答。老師對學生的回答進行點評。內(nèi)容2：OFDM采用了哪些關(guān)鍵技術(shù)？簡要說明這些技術(shù)各自的特點？由于這部分比較難理解，所以直接由老師講解循環(huán)前綴、信道估計、降峰均比、同步技術(shù)。講完之后讓學生自行總結(jié)各自的特點并隨機提問考察學生對這部分知識的理解情況。內(nèi)容3：為什么OFDMA不能用于下行鏈路?而下行鏈路選擇SC-FDMA?教師先講解OFDMA,優(yōu)點和需求，提出上述問題讓學生思考并回答，最后補充講解OFDMA和SC-FDMA的比較分析.三、小結(jié).簡單介紹無線信道的傳播的特