4G5G 移動(dòng)通信技術(shù)-OFDM原理及應(yīng)用

4G/5G移動(dòng)通信技術(shù)與應(yīng)用OFDM原理及應(yīng)用一、掌握OFDM的定義二、了解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)三、掌握LTE上、下行多址技術(shù)第2章OFDM原理及應(yīng)用2.1多址技術(shù)什么是多址技術(shù)多址技術(shù)是指實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)多用戶之間及小區(qū)內(nèi)外多用戶之間通信地址識(shí)別的技術(shù)，又稱為多址接入技術(shù)（MultipleAccessTechniques）。傳統(tǒng)的多址技術(shù)可以分為頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和空分多址（SDMA），4種方式都以頻分多路復(fù)用（Frequency-divisionmultiplexing，F(xiàn)DM）技術(shù)為基礎(chǔ)，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中一般采用這4種方式之一或混合方式。LTE上行方向采用基于循環(huán)前綴的SC-FDMA（SingleCarrier-FrequencyDivisionMultiplexingAccess）單載波頻分多址技術(shù)。LTE下行方向采用基于循環(huán)前綴（CyclicPrefix，CP）的OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)

正交頻分多址技術(shù)。第2章OFDM原理及應(yīng)用2.2OFDM技術(shù)原理什么是OFDM？OFDM:正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）OFDM既屬于調(diào)制技術(shù)，也屬于復(fù)用技術(shù)。OFDM本質(zhì)上是一個(gè)頻分復(fù)用系統(tǒng)（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）OFDM原理在接收端，將信號從射頻載波上解調(diào)下來，在基帶用相應(yīng)的子載波通過碼元周期內(nèi)的積分把原始信號解調(diào)出來。基帶其他子載波信號與信號解調(diào)所用的子載波由于在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分結(jié)果為0，相互正交，所以不會(huì)對信息的提取產(chǎn)生影響。OFDM原理在時(shí)域上信號為一個(gè)非周期矩形波，在頻域上是滿足A＝sinc（f）＝的曲線。假若有很多路不同的方波信號，在基帶經(jīng)過不同頻率的子載波調(diào)制，所示的基帶信號頻譜圖，經(jīng)過射頻調(diào)制，最終傳送出去。第2章OFDM原理及應(yīng)用2.3OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)多功能模塊（1）串/并、并/串轉(zhuǎn)換模塊（2）FFT、逆FFT轉(zhuǎn)換模塊（3）加CP、去CP模塊2.3.1并行傳輸多徑效應(yīng)

指無線電波經(jīng)過一點(diǎn)發(fā)射出去，經(jīng)過直射、繞射、反射等多種路徑到達(dá)接收端的時(shí)間和信號強(qiáng)度是不同的。到達(dá)時(shí)間不同，稱為多徑時(shí)延或時(shí)間色散到達(dá)的信號強(qiáng)度不同，稱為選擇性衰落

由于路徑不同造成的衰落可以稱為空間選擇性衰落；而在寬帶傳輸系統(tǒng)中，不同頻率在空間中的衰落特性是不一樣的，這稱為頻率選擇性衰落。2.3.1并行傳輸

在OFDM系統(tǒng)中，并行傳輸技術(shù)可以降低符號間干擾，簡化接收機(jī)信道均衡操作，便于MIMO技術(shù)的引入。在發(fā)射端，用戶的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換后，成為多個(gè)低速率碼流，每個(gè)碼流可用一個(gè)子載波發(fā)送，可使每個(gè)碼元的傳輸周期大幅增加，降低了系統(tǒng)的自干擾。寬帶單載波傳輸，為了克服頻率選擇性衰落引起的信號失真，需要增加復(fù)雜信道的均衡操作。2.3.2FFTOFDM要求各個(gè)子載波之間相互正交，使用快速傅里葉變換（FFT）可以較好地實(shí)現(xiàn)正交變換。在發(fā)射端，OFDM系統(tǒng)使用IFFT（InverseFastFourierTransform，逆快速傅里葉變換）模塊來實(shí)現(xiàn)多載波映射疊加過程，經(jīng)過IFFT模塊可將大量窄帶子載波頻域信號，變換成時(shí)域信號。2.3.3加入CP1.多徑時(shí)延引起的干擾問題2.3.3加入CP2.保護(hù)長度的作用2.3.3加入CP3.CP加入在OFDM的發(fā)展中，CP是主要有下面兩個(gè)作用：（1）CP作為保護(hù)間隔，大大減少了ISI；（2）CP可以保證信道間的正交性，大大減少了ICI。第2章OFDM原理及應(yīng)用2.4OFDM特點(diǎn)2.4.1OFDM優(yōu)點(diǎn)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(gè)子信道上傳輸，可以減少子信道的干擾。每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此每個(gè)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系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強(qiáng)頻率自適應(yīng)；子載波級的調(diào)制自適應(yīng)。OFDM技術(shù)持續(xù)不斷地監(jiān)控?zé)o線環(huán)境特性隨時(shí)隨地的變化，通過接通和切斷相應(yīng)的子載波，使之動(dòng)態(tài)地去適應(yīng)環(huán)境，來確保無線鏈路的傳輸質(zhì)量。頻譜資源靈活分配通過選擇子信道數(shù)目的不同，實(shí)現(xiàn)上下行不同的傳輸速率要求；通過動(dòng)態(tài)分配充分利用信噪比高的子信道，提高系統(tǒng)吞吐量2.4.2OFDM的缺點(diǎn).OFDM的峰均比過高要求的系統(tǒng)線性范圍寬FDM符號在時(shí)域上表現(xiàn)為多個(gè)正交子載波信號的疊加。當(dāng)這多個(gè)信號恰好同相位，以峰值相疊加時(shí)，所得的疊加信號的瞬時(shí)功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，即峰值平均功率比很高。盡管峰值功率出現(xiàn)的概率較低，但峰均比越大，必然會(huì)對放大器的線性范圍要求越高。多普勒頻移對OFDM系統(tǒng)影響大對相位噪聲比較敏感OFDM系統(tǒng)嚴(yán)格要求各個(gè)子載波之間的正交性，頻偏和相位噪聲會(huì)使各個(gè)子信道之間的正交特性惡化。任何微小的頻偏都會(huì)破壞子載波之間的正交性，僅1％的頻偏就會(huì)造成信噪比下降30dB，引起載波間的干擾（ICI）。當(dāng)移動(dòng)速度較高的時(shí)候，必然會(huì)產(chǎn)生多普勒頻偏。對于寬帶載波（數(shù)量級為MHz）來說，多普勒頻偏相對整個(gè)帶寬比例較小，影響不大；而多普勒頻偏相對于OFDM子載波（數(shù)量級為15kHz）來說，比例就比較大了。對抗多普勒頻偏性能較差，是OFDM技術(shù)的一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)。OFDM對時(shí)間和頻率同步要求嚴(yán)格時(shí)間失步，會(huì)導(dǎo)致符號間干擾（ISI）；頻率失步，則類似頻偏的影響一樣，導(dǎo)致載波間干擾（ICI）。存在小區(qū)間下行干擾OFDM系統(tǒng)本身無法提供小區(qū)間的多址能力，所以小區(qū)間干擾控制難度大。OFDM系統(tǒng)在抑制小區(qū)內(nèi)的干擾方面，優(yōu)勢比較明顯。但對于小區(qū)間的干擾抑制問題，需要依賴其他技術(shù)來輔助抑制，這是OFDM系統(tǒng)目前面臨的最大問題。第2章OFDM原理及應(yīng)用2.5OFDM在4GLTE中的應(yīng)用2.5.1OFDM在下行鏈路中的應(yīng)用LTE在下行方向上（即從基站到終端的方向）使用的多址方式是OFDMAOFDMA（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(dòng)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。OFDMALTE的空中接口資源分配的基本單位是物理資源塊（PhysicalResourceBlock，PRB）。1個(gè)物理資源塊PRB在頻域上包括12個(gè)連續(xù)的子載波，在時(shí)域上包括7個(gè)連續(xù)的常規(guī)OFDM符號周期。LTE的一個(gè)物理資源塊PRB對應(yīng)的是帶寬為180kHz、時(shí)長為0.5ms的無線資源。多用戶接入多用戶接入OFDM系統(tǒng)中的下行無線資源分配下行多址技術(shù)方案-OFDMA的優(yōu)勢頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)：帶寬取決于子載波的數(shù)量?？苟鄰剿ヂ洌鹤有诺揽梢钥醋鏊剿ヂ湫诺?、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(gè)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(dòng)或SINR較低時(shí)）將分配給子信道的子載波分散到整個(gè)帶寬，交替排列，獲得頻率分集增益。頻率選擇性：SINR、調(diào)制編碼方式MSC。實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡單：水平衰落信道，避免天線間干擾。2.5.2OFDM在上行鏈路中的應(yīng)用SC-FDMA（SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess，單載波頻分多址）兼有單載波傳輸技術(shù)峰均比低和頻分多址技術(shù)頻譜利用率高的優(yōu)點(diǎn)。上行多址技術(shù)的要求和下行不同，OFDM等多載波系統(tǒng)的輸出是

多個(gè)子信道號的疊加，因此，如果多個(gè)信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，存在較高的峰均比PAPR。對發(fā)射機(jī)的線性度提出了很高的要求，會(huì)增加數(shù)模轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度，降低RF功放的效率，使發(fā)射機(jī)功放的成本和耗電量增加。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(shù)并不適合用在UE側(cè)使用。SC-FDMA為LTE上行多址接入技術(shù)上行多址技術(shù)方案——SC-FDMA多址方式采用SC-FDMA多址接入方式，多用戶復(fù)用頻譜資源時(shí)只需要改變不同用戶DFT的輸出到IDFT輸入