LO-BT1002-C01-1-LTE-OFDM-基本原理-47綜述

LTEOFDM基本原理介紹課程目標(biāo)了解OFDM的基本概念理解OFDM的基本原理了解OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)理解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)了解OFDM在上下行鏈路中的應(yīng)用課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)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(dá)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，造成同相增加，異相減小頻率選擇性衰落多徑效應(yīng)會引起頻率選擇性衰落。當(dāng)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(dāng)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(rèn)為發(fā)生了頻率選擇性衰落。時間選擇性衰落除上面講到的幾種衰落之外，由于移動臺的運(yùn)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)。無線信道要解決的問題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(diǎn)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。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用什么是OFDM？OFDM:正交頻分復(fù)用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種多載波傳輸方式。為什么采用OFDM？帶寬利用率高：OFDM將頻域劃分為多個子信道，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。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(rèn)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”。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OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理——多載波技術(shù)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)。1.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——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(jìn)行傳輸。OFDM原理圖OFDM技術(shù)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。OFDM是一種多載波并行調(diào)制方式，將符號周期擴(kuò)大為原來的N倍，從而提高了抗多徑衰落的能力。OFDM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(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)。LTE

OFDM時頻結(jié)構(gòu)時域：對應(yīng)OFDM符號頻域：對應(yīng)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(shí)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(shí)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(yán)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(dǎo)致OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性被破壞，引起子信道間的信號干擾存在較高的峰均比因?yàn)镺FDM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(fù)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)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)循環(huán)前綴同步技術(shù)信道估計降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用多徑效應(yīng)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1

多徑效應(yīng)將引起符號間干擾

保護(hù)間隔保護(hù)間隔GI(GuardingInterval)路徑2路徑1保護(hù)間隔加入保護(hù)間隔避免符號間干擾當(dāng)保護(hù)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1帶有時延的子載波2保護(hù)間隔OFDM信號的積分區(qū)間子載波2對子載波1帶來的ICI干擾引入保護(hù)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(hù)間隔FFT積分時長OFDM符號長度循環(huán)前綴是前一個符號后一段樣點(diǎn)值的重復(fù)，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(hù)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(CyclicPrefix)循環(huán)前綴時間循環(huán)前綴（續(xù)）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(diǎn)就是可以有效的抗擊多徑效應(yīng)。下圖為采用IFFT實(shí)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了頻域到時域的轉(zhuǎn)換。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)循環(huán)前綴同步技術(shù)信道估計降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用同步要求OFDM系統(tǒng)的同步要求：載波同步：實(shí)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?yàn)槊總€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。同步技術(shù)-載波同步OFDM系統(tǒng)利用導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)載波同步，載波同步分為兩個過程：跟蹤模式：只需要處理很小的載波抖動；捕獲模式：頻偏較大，可能是載波間隔的若干倍。OFDM系統(tǒng)接收機(jī)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蹤性能。第一階段：盡快地進(jìn)行粗略的頻率估計，解決載波的捕獲問題；第二階段：能夠鎖定并且執(zhí)行跟蹤任務(wù)。同步技術(shù)-符號同步和載波同步OFDM系統(tǒng)中，采用最大似然方法聯(lián)合實(shí)現(xiàn)符號定時同步和載波同步。通常多載波系統(tǒng)都采用插入保護(hù)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(hù)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(dǎo)頻符號實(shí)現(xiàn)載波同步，浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)。課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)循環(huán)前綴同步技術(shù)信道估計降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用信道估計技術(shù)加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個獨(dú)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(shí)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(dǎo)頻信道和基于導(dǎo)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(dǎo)頻符號的輔助信道估計更靈活。導(dǎo)頻符號位置導(dǎo)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(dǎo)頻符號和導(dǎo)頻序列按照某些算法進(jìn)行信道估計。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(dǎo)頻符號，在接收端提取導(dǎo)頻符號估計信道傳輸函數(shù)。只要導(dǎo)頻符號在時間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(dǎo)頻符號位置圖NormalCP下單天線口的導(dǎo)頻圖樣NormalCP下兩天線口的導(dǎo)頻圖樣課程內(nèi)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)循環(huán)前綴同步技術(shù)信道估計降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用峰均比（PAR）在時域上，OFDM信號是Ｎ路正交子載波信號的疊加，當(dāng)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(dá)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(shù)降峰均比技術(shù)OFDM系統(tǒng)中采用信號預(yù)畸變技術(shù)降峰均比實(shí)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(jìn)行預(yù)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(shí)現(xiàn)方法限幅壓縮擴(kuò)張限幅方法限幅作用：信號經(jīng)過非線性部件之前進(jìn)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(dǎo)致的問題：會對系統(tǒng)造成自身干擾；會導(dǎo)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(jìn)行時域加窗。壓縮擴(kuò)張壓縮擴(kuò)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(jìn)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)容無線信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用下行多址技術(shù)方案-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。如下圖所示：OFDM調(diào)制的各個子載波信號在頻域上正交下行多址技術(shù)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(shù)方案——OFDMA子載波分配下行多址技術(shù)方案-OFDMA根據(jù)每個用戶需求的數(shù)據(jù)傳輸速率、當(dāng)時的信道質(zhì)量對頻率資源進(jìn)行動態(tài)分配，如圖C所示。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。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。上行多址接入技術(shù)方案-需求上行多址技術(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(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。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)用頻譜資源時只需要改變不同用戶DFT的輸出到IDFT輸入的關(guān)系就可以實(shí)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。通過改變DFT到IDFT的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多址；改變輸入信號的數(shù)據(jù)符號