OFDM與載波聚合的設計與實現(xiàn)畢業(yè)論文

1、 . . . 西西 安安 郵郵 電電 學學 院院 畢業(yè)畢業(yè) 設設 計（論計（論 文）文）題 目：OFDM 與載波聚合的設計與實現(xiàn) 院 （系）： 通信與信息工程學院 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 通工 0714 班 學生： 任明明 導師： 靜職稱： 高級工程師 起止時間：2011 年 1 月 3 日至 2011 年 6 月 10 日 . . . / 49西西 安安 郵郵 電電 學學 院院畢業(yè)設計畢業(yè)設計( (論文論文) )任務書任務書學生學生任明明任明明指導教師指導教師靜靜職稱職稱高工高工院院( (系系) ) 通信與信息工程學院通信與信息工程學院專業(yè)專業(yè)通信工程通信工程題目題目OFDMOFDM

2、與載波聚合的設計與實現(xiàn)與載波聚合的設計與實現(xiàn)任務與要求任務與要求 1.調研 3G 移動通信 OFDM 的應用現(xiàn)狀。2. 學習無線信道的衰落特性，編寫瑞利信道。3. 學習 OFDM 的基本原理，仿真 OFDM 的性能增益。4. 調研分析 100MHz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析與必要性。5. 設計 100MHz 傳輸帶寬時載波聚合的方案。6. 對 100MHz 傳輸帶寬時載波聚合方案進行仿真驗證。開始日期開始日期20112011 年年 1 1 月月 3 3 日日完成日期完成日期20112011 年年 6 6 月月 1010 日日院院 長長( (簽字簽字) )20112011年年1 1月月7 7

3、日日 . . . / 49西西 安安 郵郵 電電 學學 院院畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 ( (論文論文) ) 工工 作作 計計 劃劃 20112011 年年 1 1 月月 3 3 日日學生學生_ _任明明任明明_ _指導教師指導教師_靜靜 職稱職稱 高級工程師高級工程師 院（系）院（系） 通信與信息工程學院通信與信息工程學院_ _ 專業(yè)專業(yè) 通信工程通信工程 題目題目 OFDMOFDM 與載波聚合的設計與實現(xiàn)與載波聚合的設計與實現(xiàn) _工作進程工作進程1 月 3 日至 3 月 1 日 了解 OFDM 的算法原理和實際應用,了解 4G 移動通信系統(tǒng)寬帶傳輸?shù)男枨蠛突窘鉀Q方案。 統(tǒng)系統(tǒng)的關鍵技術與波束

4、形成相關知識。 3 月 2 日至 3 月 22 日 學習無線信道的傳播特性,掌握相干時間，相干 帶寬等概念，用 MATLAB 工具編寫瑞利衰落信道。利衰落信道。3 月 23 日至 4 月 23 日 學習 OFDM 算法，了解 OFDM 和 MIMO 結合的性能 優(yōu)勢,并用 MATLAB 程序仿真 OFDM 算法的性能。4 月 24 日至 5 月 10 日 設計支持 100MHz 傳輸帶寬下的載波聚合方案， 仿真其性能增益。3 月 2 日至 5 月 15 日 撰寫論文，完成論文初稿。5 月 15 日至 5 月 30 日 完善并修改畢業(yè)論文。6 月 1 日至 6 月 10 日 準備答辯。主要參考書

5、目(資料)1. 大成，移動傳播環(huán)境-理論基礎、分析方法和建模技術M.:機械工業(yè).2003.8. 2. 周恩，光，呂召彪.下一代寬帶無線通信 OFDM 與 MIMO 技術M.:人民郵電出社.2008.5.3. 王文博，侃. 寬帶無線通信 OFDM 技術M.:人民郵電出社. 2003.11.起 止 時 間工 作 內 容 . . . / 494Cheong Yui Wong,etc. Multiuser OFDM with adaptive subcarrier, bit, and power allocationJ. IEEE Journal on Selected Areas in Commun

6、ications, Oct 1999.17(10): 17471758.一臺計算機每周指導一次，主要解答學生問題，指導研究進度，并檢查閱讀資料筆記和仿真程序。本計劃為開題之初所定，后續(xù)會根據(jù)具體情況隨時調整，最終一定按畢業(yè)設計規(guī)定結束日期完成。郵電學院主要儀器設備與材料論文(設計)過程中教師的指導安排對計劃的說明 . . . / 49畢業(yè)設計(論文)開題報告通信與信息工程學院院（系）通信工程專業(yè) 07 級 14 班課題名稱： OFDM 與載波聚合的設計與實現(xiàn)學生： 任明明 學號：03071515 指導教師： 靜 報告日期： 2011 年 2 月 28 日 . . . / 491本課題所涉與的問

7、題與應用現(xiàn)狀綜述本課題所涉與的問題：本課題所涉與的問題：1. 了解 OFDM 的原理和當前實際應用以與 3G 移動通信 OFDM 的應用現(xiàn)狀；2. 了解無線信道的衰落特性，掌握相干時間，相干帶寬等概念；3. OFDM 和 MIMO 結合的性能優(yōu)勢，設計支持大帶寬傳輸所需的載波聚合技術,設計基于 OFDM的載波聚合方案.。應用現(xiàn)狀綜述：應用現(xiàn)狀綜述： OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術，實際上OFDM 是 MCM Multi-Carrier Modulation，多載波調制的一種。在向 B3G/4G 演進的過程中，O

8、FDM 是關鍵的技術之一，可以結合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以與智能天線技術，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。2004 年 11 月，根據(jù)眾多移動通信運營商、制造商和研究機構的要求，3GPP 通過被稱為Long Term Evolution(LTE)即“3G 長期演進”的立項工作。項目以制定 3G 演進型系統(tǒng)技術規(guī)作為目標。3GPP 經過激烈的討論和艱苦的融合，終于在 2005 年 12 月選定了 LTE 的基本傳輸技術，即下行 OFDM，上行 SC。OFDM 由于技術的成熟性，被選用為下行標準很快就達成了共識。而上行技術的選擇上，由于 OFDM 的高峰均比(PAPR)使得一些設備商認為會

9、增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。B3G/4G 的目標是在高速移動環(huán)境下支持高達 100Mb/S 的下行數(shù)據(jù)傳輸速率，在室和靜止環(huán)境下支持高達 1Gb/S 的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。2010 年全球首個 TD-LTE-A 的規(guī)模實驗網將在世博會向媒體開放。4G 是基于 OFDM 加 MIMO 的技術組合，但整體結構不一樣，基于 OFDM 和 MIMO 的有兩套標準，一個是 IEEE802-16M，一個是 LTE-Advanced,而 OFDM 技術是關鍵核心技術之一。 . . . / 492 2本課題需要重點研究的關鍵問題、解決的思路與實

10、現(xiàn)預期目標的可行性分析關鍵問題：關鍵問題：1.對 4G 移動通信系統(tǒng)寬帶傳輸?shù)男枨蠛突窘鉀Q方案。2.100MHz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析和方案設計,如何將若干個連續(xù)或者不連續(xù)的20MHz 帶寬聚合為 100MHz 的大帶寬,對其 PAPR，傳輸性能進行仿真，設計 PAPR 低，性能良好的載波聚合技術。解決思路：解決思路： 1. 了解目前 OFDM 應用現(xiàn)狀，以便更好的對 OFDM 技術進行認識利用。2. 學習無線信道的傳播特性,掌握相干時間，相干帶寬等概念，用 MATLAB 工具編寫瑞利衰 落信道。3.學習 OFDM 算法，了解 OFDM 和 MIMO 結合的性能優(yōu)勢,并用 MATLA

11、B 程序仿真 OFDM 算法的 性能。4.調研分析 100MHz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析與必要性。5.設計 100MHz 傳輸帶寬時載波聚合的方案。實現(xiàn)預期目標的可行性：實現(xiàn)預期目標的可行性：1. 熟悉 OFDM 的原理，可以掌握 OFDM 技術的作用，提出建設規(guī)劃并實現(xiàn)。2. 學習無線信道的衰落特性，掌握相干時間，相干帶寬等概念，用 MATLAB 工具編寫瑞利衰 落信道。3. 提升自己獨立的自學能力，應用相關知識進行研究學習。4.培養(yǎng)了獨立開展研究的能力，掌握了科研的基礎方法，能對 OFDM 與載波聚合 的設計研究有一個科學的論證。 . . . / 493 3完成本課題的工作方案1.調

12、研 3G 移動通信 OFDM 的應用現(xiàn)狀，學習 OFDM 算法原理。 2.了解 4G 移動通信系統(tǒng)寬帶傳輸?shù)男枨蠛突窘鉀Q方案。3.學習無線信道的衰落特性，編寫瑞利信道，學習 OFDM 的基本原理，仿真 OFDM 的性能增益。4.調研分析 100MHz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析與必要性。5.然后用一個月的時間進行設計 100MHz 傳輸帶寬時載波聚合的方案研究，最終對 OFDM 與載 波聚合的設計做出合理的分析。6.撰寫論文，完成論文初稿；最后完善并修改畢業(yè)論文。4 4指導教師審閱意見論文對選題的發(fā)展背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做了基本介紹；研究的基本容以任務書為依據(jù)、研究的主要問題和方向明確

13、；研究方法可行，其研究工作的步驟、進度安排合理，同意開題。指導教師指導教師(簽字)：2011 年 3 月 4 日 . . . / 49郵郵電電學學院院畢畢業(yè)業(yè)設設計計 ( (論論文文) )成成績績評評定定表表學生任明明性別女學號03071515專 業(yè)班 級通工 0714 班課題名稱OFDM 與載波聚合的設計與實現(xiàn)課題類型軟件工程類難度一般畢業(yè)設計（論文）時間2011 年年1 月月3 日日6 月月10 日日指導教師靜(職稱 高工 )課題任務完成情況論文 (千字)； 設計、計算說明書(千字)； 圖紙 ()；其它 (含附件 )：指導教師意見分項得分：開題調研論證分； 課題質量（論文容）分； 創(chuàng)新分；

14、論文撰寫（規(guī)）分； 學習態(tài)度分； 外文翻譯 分指導教師審閱成績：指導教師( (簽字) )：2011年月日評閱教師意見分項得分：選題分； 開題調研論證分； 課題質量（論文容）分； 創(chuàng)新分；論文撰寫（規(guī)）分； 外文翻譯 分評閱成績：評閱教師(簽字)：2011 年月日 . . . / 49驗收小組意見分項得分：準備情況分； 畢業(yè)設計（論文）質量分； （操作）回答問題分驗收成績：驗收教師(組長)(簽字)：2011 年月日答辯小組意見分項得分：準備情況分； 述情況分； 回答問題分； 儀表分答辯成績： 答辯小組組長(簽字)： 2011 年月日成績計算方法(填寫本系實用比例)指導教師成績指導教師成績 20

15、( () ) 評閱成績評閱成績 30 ( () ) 驗收成績驗收成績 30 ( () ) 答辯成績答辯成績 20 ( () )學生實得成績(百分制)指導教師成績指導教師成績 評閱成績驗收成績評閱成績驗收成績答辯成績答辯成績 總評總評 . . . 10 / 49答辯委員會意見畢業(yè)論文(設計)總評成績(等級)：院(系)答辯委員會主任( (簽字) )：院(系) ( (簽章) ) 2011 年月日備注郵電學院畢業(yè)論文(設計)成績評定表(續(xù)表)目錄目錄摘要摘要 -I IABSTRACTABSTRACT -IIII引言引言 1 11 1緒論緒論 -2 21.1 移動通信的發(fā)展-21.2 載波聚合與其研究進

16、展-31.3 本章小結-32 2無線信道無線信道 -4 42.1 無線信道的衰落特性-42.2 陰影衰落-42.3 多徑衰落-52.4 正弦波疊加法仿真瑞利信道模型-52.5 瑞利信道仿真-72.6 本章小結-83 3OFDMOFDM 基本原理基本原理-9 9 . . . 11 / 493.1OFDM 技術概述-93.1.1OFDM 系統(tǒng)基本原理-93.1.2循環(huán)間隔與保護前綴 -103.2OFDM 的參數(shù)選擇-113.3OFDM 系統(tǒng)中的關鍵技術-123.4OFDM 技術的優(yōu)點-133.5OFDM 系統(tǒng)性能仿真-143.6本章小結 -164 4載波聚合技術載波聚合技術 -17174.1載波聚

17、合技術概述 -174.1.1載波聚合技術的原理 -174.1.2LTE-Advanced 中的載波聚合 -174.1.3載波聚合的分類 -184.2關于載波聚合技術應用現(xiàn)狀與實現(xiàn)方案 -204.2.1載波聚合技術的研究現(xiàn)狀 -204.2.2載波聚合的方案 -214.2.3關于方案 A 方案 B 的比較 -234.2.4載波聚合方案的性能評估 -244.2.5關于載波聚合方案的性能仿真 -254.2.6大帶寬下同步信道和廣播信道的結構 -274.3本章小結 -285 5結論結論 -2929致致 -3030參考文獻參考文獻 -3131附錄附錄 -3232 . . . 12 / 49摘要摘要目前，隨

18、著移動通信對高速寬帶的要求日益增強，多媒體、互聯(lián)網等業(yè)務的發(fā)展對于數(shù)據(jù)的無線傳輸提出了更高的要求。在提高頻譜利用率的同時，我們需要在越來越有限的頻率資源中為系統(tǒng)提供更大的頻帶寬度，以達到高速的數(shù)據(jù)傳輸速率。為了支持大帶寬傳輸，LTE-Advanced 系統(tǒng)引入了載波聚合技術來增加單個用戶的傳輸帶寬。本文介紹了載波聚合技術的相關原理，通過載波聚合技術的應用來增加信號的傳輸帶寬，從而大幅度提高 LTE-Advanced 終端的峰值速率。進一步闡述載波聚合技術應用背景和現(xiàn)狀，總結并比較了目前階段的主流技術方案，保證在以盡量少地修改 LTE Release 8 協(xié)議，并且對 LTE 終端能夠具有良好兼

19、容性的條件下，在基于物理層關鍵技術 OFDM 技術的基礎上，評估了當前兩種連續(xù)頻譜聚合方案的性能。仿真證明：對于有無保護頻帶對載波聚合的性能影響甚微。關鍵詞：OFDM，載波聚合，連續(xù)頻譜分配 . . . II / 49ABSTRACTABSTRACTNow, the mobile communication development has created an increasing demand for high data rate and large band. So some services, such as the Multimedia and Internet, has requir

20、ed a higher transmission speed. In this case ,to achieve the aim, it is needed not only to heighten spectrum efficiency but also to expand the bandwidth in the limited frequency resources.In order to support high bandwidth transmission, LTE-Advanced systems into the carrier polymer technology to inc

21、rease the bandwidth of individual users. This paper describes the relevant principles of the carrier polymer technology, polymer technology through the carrier to increase the signal bandwidth to dramatically improve LTE-Advanced terminal peak rate. Polymer carrier technology to further elaborate th

22、e background and current status, summarizes and compares the current phase of mainstream technology, and ensure that as little as possible in order to modify the LTE Release 8 protocols, and the end of the LTE conditions that have good compatibility, in the physical layer-based key technologies base

23、d on OFDM technology, assessment of the current program of the two aggregate performance of continuous spectrum. Simulation results show: with or without guard band for the performance of the carrier polymer have little effect.Keywords:OFDM; Carrier Aggregation ; Continuous spectrum allocation . . .

24、 1 / 49引言OFDM 技術抗衰落性能好，且具有頻譜利用率高、系統(tǒng)實現(xiàn)簡單以與子載波調度靈活等優(yōu)點。針對在大傳輸帶寬下使用 OFDM 技術，就要引入本文介紹的載波聚合技術。載波聚合技術作為提高 LTE-Advanced 系統(tǒng)頻譜利用率的關鍵技術之一，重點需要對控制信道的格式和多載波調度的方式進行考慮，研究載波聚合技術的發(fā)展是非常重要的。目前，對于載波聚合技術的實現(xiàn)方案有連續(xù)頻帶聚合、離散頻帶聚合、對稱載波聚合和不對稱載波聚合等方式。相對于離散頻帶聚合，連續(xù)頻帶聚合實現(xiàn)較為容易，信令開銷小，UE 需要檢測的頻點也少，因此本文重點對載波聚合的連續(xù)頻帶聚合進行闡述。本文參考的是 NTT DoCo

25、Mo 公司的對于連續(xù)頻帶聚合 R1-083015 方案。在詳細闡述兩種連續(xù)頻帶聚合方案后，對于兩種方案實現(xiàn)中的性能進行了評估分析，并通過仿真展示了兩種方案各自的特點。第一種方案只有中心頻段位于 100KHz 的整數(shù)倍位置，也就意味著只有中心載波段能夠接收 LTE Release 8 的用戶終端；而第二種方案則是每一個載波段均能夠處于 100KHz 的整數(shù)倍上，即每一個載波段均能接收LTE Release 8 的用戶終端。通過仿真證明有無保護頻帶對于信息傳輸?shù)目煽啃杂绊懖淮蟆?. . . 2 / 491 1緒論緒論進入 21 世紀以來，移動通信技術以前所未有的速度向前發(fā)展著。伴隨著用戶對各種實時

26、多媒體業(yè)務需求的增加和網絡技術的迅猛發(fā)展，我們可以預計，未來的移動通信技術將會具有更高的信息傳輸速率，為用戶提供更大的便利，而其網絡結構也將發(fā)生根本的變化。1.1 移動通信的發(fā)展移動通信的發(fā)展移動通信是指通信雙方或至少一方處于運動中的進行信息交換的通信方式，使得用戶可以在任何時間和地點、快速而可靠地進行多種信息交換。它在無線通信開放式傳輸?shù)幕A之上，引入了用戶的動態(tài)性。目前，伴隨著用戶對于業(yè)務的需求，移動通信已經不再僅僅滿足于當前主要的語音業(yè)務，一些如數(shù)據(jù)，圖像等的非語音業(yè)務，同樣也被納入了其服務圍。因此，我們不難從移動通信發(fā)展的歷程中看出，移動通信的各種特點以與業(yè)務需求，給它帶來了巨大的挑戰(zhàn)

27、。第一代移動通信 (1G) 在 20 世紀 70 年代末開始進入商用化，它的特征是模擬蜂窩通信，無線系統(tǒng)的接入使用 FDMA (Frequency Division Multiple Access)方式來實現(xiàn)。由于早期的大區(qū)制的蜂窩通信系統(tǒng)很快達到飽和，無法滿足要求。因此，小區(qū)制蜂窩式的系統(tǒng)設計和頻率規(guī)劃實現(xiàn)了載頻復用，達到了擴大覆蓋圍和系統(tǒng)容量的要求。這個階段，使用的最為廣泛的是美國的 AMPS (Advanced Mobile Phone System)和歐洲的 TACS（Total Access Communication System ） ，另外也有北歐的NMT-450 以與日本的 H

28、CMTS 等。而第二代移動通信(2G)是在 20 世紀 90 年代開始走向商用的，它具備了很多數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點，比如它具有更大的系統(tǒng)容量，具有更高質量的服務等。這個階段具有代表性的系統(tǒng)有很多，例如歐洲的 GSM（Global System for Mobile Communications）和美國的 IS-95 等。它采用 TDMA(GSM)和 CDMA(IS-95)方式對用戶進行動態(tài)尋址，其主要業(yè)務為語音服務，雙工模式則為頻分雙工(FDD)。因為通信技術的不斷發(fā)展，2G 系統(tǒng)也漸漸的不再能夠滿足需求。于是開始出現(xiàn)了一些過渡的中間技術，如通用分組無線業(yè)務 GPRS，新一代的移動通信系統(tǒng)日趨成

29、為熱點。目前，第三代移動通信(3G)系統(tǒng)剛開始進入商用，使用以 CDMA 為主流的接入技術。 最近，第三代移動通信合作計劃(The 3rd Generation Partnership Project， 3GPP)啟動了 3GPP LTE (Long Term Evolution，長期演進)項目，以與 . . . 3 / 49LTE-Advanced。現(xiàn)階段，LTE 的物理層關鍵技術使用的是 OFDM(Orthogonal FrequencyDivisionMultiplexing) 技術，因此研究 OFDM 技術在下一代移動通信系統(tǒng)演進中的相關問題是非常必要的。1.2 載波聚合與其研究進展載

30、波聚合與其研究進展載波聚合技術是將多個 LTE 載波擴展成 LTE- A 系統(tǒng)的傳輸載波。LTE 系統(tǒng)的 UE和 LTE- A 系統(tǒng)的 UE 均可以使用“LTE 載波單元”來進行通信。目前，很多公司在廣泛的討論和分析載波聚合技術的可行性方案，比如 DoCoMo、Ericsson、Huawei 等。LTE-A 系統(tǒng)潛在應用頻段包括450MHz470MHz、698MHz862MHz、790MHz862MHz、2.3GHz2.4GHz、3.4GHz3.6GHz。所以，載波聚合技術要求要可以在多個頻點上跨頻帶進行聚合。因此我們發(fā)現(xiàn)，LTE- A 系統(tǒng)大量頻段集中在 3.4GHz 以上的較高頻段，可能是

31、 1 個多頻段層疊無線接入系統(tǒng)。而我們知道空中接口技術的框架就是由非連續(xù)頻譜分布、大帶寬和靈活頻譜的使用決定的。除此之外，應用于城域網(WAN，Wide Area Network)的標準是 IEEE 802.16 標準，其工作組提出了 802.16m 標準，它的兩個主要目標是：一，滿足 IMT-Advanced要求，向國際電信聯(lián)盟提交 4G 技術；二，對目前存在的 802.16e 進行兼容，滿足NGMN(下一代移動網絡)的要求。就滿足 IMT-Advanced 需求和兼容性這兩個方面來考慮，802.16m 不但要提高目前的頻譜利用率，同時也要利用載波聚合技術擴大帶寬，提高系統(tǒng)的傳輸速率和吞吐量

32、。因此，LTE-Advanced 與 IEEE 802.16m 標準均要用到載波聚合技術進行擴展系統(tǒng)帶寬，本文在此背景下，基于物理層關鍵技術 OFDM，對當前主流的載波聚合技術方案進行闡述。1.3 本章小結本章小結本文一共分為五章，第一章是緒論，簡單介紹了目前位置的移動通信發(fā)展過程以與關于載波聚合技術的研究進展。第二章介紹了關于無線信道的相關容，包括衰落特性以與衰落類型，重點在于瑞利信道的衰落仿真。第三章介紹了 OFDM 系統(tǒng)的相關原理，為后文進一步介紹載波聚合技術基礎鋪墊。第四章則系統(tǒng)介紹了載波聚合技術的相關原理和目前關于該技術的主流方案，并對方案進行了性能評估。第五章則為全文總結。 . .

33、 . 4 / 492 2無線信道無線信道2.1 無線信道的衰落特性無線信道的衰落特性無線移動信道是一種時變的衰落信道，它主要存在兩種衰落，即大尺度（Large-Scale）衰落與小尺度（Small-Scale）衰落。而在實際的無線信道中，我們可以將衰落因子如下表示為： (2-1)( )( )( )ttt上式(2-1)中， 表示的是信道的衰落因子，而則表示大尺度衰落，它( ) t( ) t代表了接收信號的均值在一定時間隨傳播距離和環(huán)境的變化而出現(xiàn)的緩慢變化，則表示小尺度衰落，它代表了接收信號在短時間（距離）的快速變化。( ) t我們知道，引起大尺度衰落的主要原因是由自由空間的路徑損耗，于是，我們

34、也可以稱大尺度衰落為自由空間的路徑衰落。當自由空間有障礙物時，由于障礙物對電波遮蔽而引起的衰落，我們就稱為陰影衰落。而由于同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播是所引起的衰落，我們稱其為小尺度衰落，由于它是由微小的時間差到達接收機的信號相互干擾所引起的，因此我們又稱小尺度衰落為多徑衰落。2.2 陰影衰落陰影衰落由于傳播的過程中電磁波在會受到樹林和聳立的建筑物等障礙物的阻擋，于是在這些障礙物背面電磁場會產生陰影，那么當移動臺通過不同障礙物的陰影區(qū)時，場強中值的變化則會引起接收信號產生衰落，也就是陰影衰落。它反映了接收信號平均值在中等圍的變化趨勢，從統(tǒng)計規(guī)律上看其特性，它服從對數(shù)正態(tài)分布，變化率比數(shù)據(jù)傳

35、輸率來的慢，因此又可以稱為慢衰落。 (2-2) 00,+logdt ddBt ddBnd 式(2-2)表示任意的傳播距離，平均大尺度路徑的損耗，但并未考慮在一樣傳播距離下，不同位置的周圍環(huán)境不同產生的影響。經過測試，任意 d 值，特定位置的實際路徑損耗服從正態(tài)分布，即：(2-3)00( , )( ,) 10 logdt d dBt ddBnXtd 在上式中，為均值為零、標準差為的高斯分布隨機變量，其單位使用Xt dB，也就是為不同位置的陰影衰落所引起的損耗。 . . . 5 / 492.3 多徑衰落多徑衰落通常情況下，在移動無線傳播環(huán)境中始終都存在著直射、反射、散射，衍射，因此接收信號往往并不

36、是從單一路徑來的，而是由多條路徑信號組合而成。又由于各個路徑上的信號的幅度、相位以與時延都在隨時隨地的發(fā)生著變化，因此由這些不同路徑信號疊加來的接收信號的幅度會急劇變化，也就是我們通常所說的衰落，這種衰落我們稱為多徑衰落。多徑傳播往往會對信號的傳輸會產生極大的影響，比如時延擴展、角度擴展和頻率擴展等等。其中，多徑衰落效應的一個最重要的體現(xiàn)是時延擴展，各個路徑的信號由于傳播路徑有所不同，從而具有不同的時間延遲，這樣就使得接收信號的能量在時間上被展寬，也就是前面所說的時延擴展。通常，最大時延擴展指的是第一條路徑信號與最后一條路徑信號之間的時間差。相干帶寬是另一個與時延擴展有關的重要概念。如果將相干

37、帶寬定義為頻率相關函數(shù)大于 0.9 的某特定帶寬，那么相干帶寬近似為： (2-4)150cB上式(2-4）中表示信道的均方根時延擴展，它是多徑信號功率延遲分布的二階矩的平方根。在實際中為了簡便，我們通常定義信道的相干帶寬為最大多徑時延的倒數(shù)。如果相干帶寬小于發(fā)送信號的帶寬，那么信號將經歷頻率選擇性衰落，信號中各頻率分量遭受不一致的衰落，所以得到的衰落信號的波形會產生失真，相反，如果相干帶寬大于信號帶寬，信號會經歷平坦型衰落，也就是說此時信號中各頻率分量所遭受的衰落均是一致的，這是產生的衰落信號的波形不會失真。2.4 正弦波疊加法仿真瑞利信道模型正弦波疊加法仿真瑞利信道模型移動無線信道中，平坦衰

38、落信號或者獨立多徑接收信號的包絡分布通常用瑞利模型(Rayleigh)來進行描述。在典型的陸地移動無線信道中，我們假設直射波被阻斷，并且移動單元只能接收到反射波。那么根據(jù)中心極限定理，我們知道，當反射波較大時，接收信號的兩個正交分量是均值為零、方差為的互不相關高斯隨機過2程。所以，任意時刻的接收信號包絡服從瑞利概率分，相位服從 的均勻分(, ) 布。利用正弦波疊加法（SOS）仿真平坦衰落信道，采用精確多普勒擴展法(MEDS)。精確多普勒擴展法的出發(fā)點是(2-5)2002( )cos(sin)Jzzd . . . 6 / 49所以(2-6)012( )limcos(sin)iiNNnJzz 上式

39、中 。由于經典功率譜的自相關函數(shù)為(21)/ 4,/()niinNN (2-7)20( )(2)iimJf 因此式子代入可得 (2-8)2max11( )limcos2sin() 22iiNiiNniifnNN 因為對于有限個振蕩器合成的隨即過程來說，當時，( )itiN , 于是( )( )i ii i (2-9)2max11( )limcos2sin() 22iiNiiNniifnNN 如果隨即過程具有關于自相關函數(shù)的各態(tài)歷經性，那么。( )it( )( )i ii i 于是又有 (2-10)2max11( )cos2sin() 22iNiiniifnNN 所以，我們便可以得出多普勒系數(shù)與

40、多普勒頻移離散多普勒頻移, i nC, i nf n=1,2,3. (2-11),2/i niCNiN n=1,2,3. (2-12),maxsin(1/ 2)2i niffnNiN經過上述，我們可以看出，精確多普勒頻移的離散多普勒頻移與等面積法的, i nf離散多普勒頻移是很近似的，我們只需要將前者的用代替即可。而的最1/ 2nn, i nf大公約數(shù)近似等于零，因此周期為無窮，所以，確定過程,1gcdiNi nnFf1/iTF是非周期的。同樣為了保證和的不相關性，還可以選擇。( )it1( ) t2( ) t211NN . . . 7 / 492.5 瑞利信道仿真瑞利信道仿真仿真參數(shù)：表 2

41、-1 瑞利信道仿真參數(shù)設置T，仿真持續(xù)時間1T_interval,抽樣間隔0.00001fmax,最大多普勒頻移10000確定型高斯過程平均功率1高斯過程正弦振蕩器數(shù)目 N1,N2均為 64仿真流程圖：圖 2-1 瑞利信道仿真流程圖設置基本仿真參數(shù)（采樣點數(shù)，最大多普勒頻移等）調用Parameter_Classical函數(shù)，確定兩組參數(shù)：離散多普勒頻移、多普勒系數(shù)、多普勒相移調用Gauss_generator函數(shù)，利用前面產生的兩組多普勒頻移、多普勒系數(shù)與多普勒相移參數(shù)產生兩個確定的實高斯過程。利用兩個實高斯過程產生一個瑞利過程。對產生的瑞利過程取模值，統(tǒng)計其概率密度函數(shù)，并畫出仿真圖。結束

42、. . . 8 / 4900.511.522.5300.10.20.30.40.50.60.70.80.9函 函 函 函 函 函仿真結果：經過 matlab 反正函數(shù)仿真得出下圖:圖 2-2 瑞利信道仿真結果圖仿真結果分析：上圖為正弦波疊加法產生的仿真瑞利信道的幅度概率密度函數(shù)圖，其中，離散多普勒頻移，多普勒系數(shù)采用精確多普勒擴展法計算所得，當信道采樣點達到100000 點時，我們可以看出，仿真曲線近乎平滑，與標準瑞利分布幾乎重合。2.6 本章小結本章小結本章節(jié)系統(tǒng)介紹了無線信道的基本概念，包括其衰落特性，典型衰落等問題。重點在對于瑞利衰落的正弦波疊加法的仿真，并作為后面章節(jié)的信道模型。 .

43、. . 9 / 493 3OFDMOFDM 基本原理基本原理3.1OFDM3.1OFDM 技術概述技術概述3.1.1OFDM3.1.1OFDM 系統(tǒng)基本原理系統(tǒng)基本原理OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用)是一種多載波調制方式，它的基本原理是將高速數(shù)據(jù)信號通過串并轉換，調制到傳輸速率比較低的若干個子信道上進行傳輸。因為信道的相干帶寬大于每一個子信道的信號帶寬，所以，我們可以將每個子信道都看成平坦性衰落，這樣也就可以消除符號間干擾(ISI)。通常情況下，我們也可以選擇在 OFDM 符號之間加入保護間隔，只要保證無線信道的最

44、大時延擴展小于保護間隔，也就可以最大限度地消除符號間干擾。一般情況下，我們采用循環(huán)前綴(CP)作為保護間隔，這樣可以避免由多徑帶來的信道間干擾(ICI)。除此之外，因為 OFDM 系統(tǒng)中各個子信道是相互正交的，不僅避免了子載波之間的相互干擾，而且由于它們的頻譜都相互重疊，因此，OFDM 系統(tǒng)大大提高了頻譜的利用率。每一個 OFDM 符號都是多個經過調制的子載波信號之和，其中每個子載波的調制方式都可以選擇相移鍵控（PSK）或正交幅度調制（QAM） 。如果我們用 N 來表示子信道的個數(shù)，T 表示 OFDM 符號的寬度，(i=0，1，N-1)則是分配給每個子信道id的數(shù)據(jù)符號，是表示載波頻率，那么，

45、從 t=開始的 OFDM 符號可以用下式表示：cfst(3-1) /2 1/2/20.5( )Reexp 2 ()(),Ni NcsssiNis tdjftttttTT 通常在很多文獻中，我們常常會采用以下的等效基帶信號來對 OFDM 的輸出信號進行描述：（3-2）/2 1/2/2( )exp 2(),Ni NsssiNis tdjtttttTT 上式（3-1）中，實部和虛部分別對應于 OFDM 符號的同相分量和正交分量，而在實際中，可以分別與相應子載波的余弦分量和正弦分量相乘，構成最終的子信道信號和合成的 OFDM 符號。圖 3-1 描繪除了 OFDM 系統(tǒng)的基本模型框圖。 . . . 10

46、 / 49串/并X0乘法器ejw0t加法器X(t)信道乘法器e-jw0t積分器X0并/串.XN-1乘法器.乘法器積分器XN-1e-jtwN-1e-jtwN-1圖 3-1 OFDM 系統(tǒng)基本模型框圖觀察式（3-2） ，可以看出其計算和傅里葉反變換的公式類似，因此 OFDM 系統(tǒng)在實際應用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里葉變換（FFT/IFFT）來實現(xiàn)解調和調制，而不需要將信號分別進行乘積調制運算。在發(fā)送方，調制器只需要執(zhí)行一次傅立葉反變換，相應地，對接收端而言，解調器執(zhí)行一次傅立葉變換。假如，令=0，對信號 s(t) 以 T/N 進行抽樣，即令 t=kT/N(k=0,1,N-1)，st則可以得

47、到：， (3-3)102( )exp()Niijiks kdN10NKOFDM 系統(tǒng)調制出來的信號 s(k)等效的對進行 N 點離散傅里葉反變換，同樣的，id接收端在解調恢復出原始的數(shù)據(jù)符號時，對 s(k)進行 N 點離散傅里葉變換即可。id3.1.23.1.2循環(huán)間隔與保護前綴循環(huán)間隔與保護前綴由于無線信道的多徑效應造成 OFDM 產生碼間串擾，使得接收信號相互重疊。所以在發(fā)送前，OFDM 系統(tǒng)在每個符號之間插入長度大于無線信道的最大時延擴展的保護間隔 (GI) 。因此，一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾，從而也就可以最大限度地消除符號間干擾。保護間隔里如果沒有任何信號時，由于多徑

48、效應的影響，OFDM 符號子載波間的正交性會遭到破壞，產生載波干擾。因此，為了消除多徑效應帶來的 ICI，通常我們將原寬度為 T 的 OFDM 信號進行周期擴展，截取 OFDM 符號尾部的信號置于 OFDM 符號的之前。保護間隔即為擴展的信號，在這段保護間隔的信號則稱之為循環(huán)前綴(CP)。如圖 3-2 所示。gT . . . 11 / 49圖 3-2 循環(huán)前綴在 OFDM 符號加入循環(huán)前綴，就可以保證在一個 FFT 周期，OFDM 符號的時延副本所包含的波形周期個數(shù)也是整數(shù)，這樣，時延小于保護間隔的信號就不會在解調過程中產生 ICI。從上述分析看來，循環(huán)前綴必須足夠長，也就是說不小于信道的多徑

49、時延擴展，但是循環(huán)前綴的引入也帶來了信噪比的損失，這里，我們定義信噪比損失為) (3-4)10log()10log(1)sgglossssTTTSNRTT 從上式(3-4)可以看出，循環(huán)前綴越長，信噪比損失就越大。在實際的 OFDM 系統(tǒng)中，我們通常是先加入循環(huán)前綴，然后再進行傳送。所以，在接收端接收時，首先要將接收符號開始的長度為的循環(huán)前綴去掉，對剩余部分gT進行 FFT 變換，之后再進行解調。由于循環(huán)前綴的使用，大大降低了接收端均衡器的復雜度，同時還提高了 OFDM 的對抗多徑的能力。3.23.2OFDMOFDM 的參數(shù)選擇的參數(shù)選擇在 OFDM 系統(tǒng)中，需要確定以下參數(shù)，例如：保護間隔，

50、符號周期，子載波的數(shù)量等。對于這些參數(shù)的選擇，取決于給定信道的帶寬，時延擴展以與所要求的信息傳輸速率。因此，一般按照以下步驟來確定 OFDM 系統(tǒng)的各參數(shù)：確定保護間隔：根據(jù)經驗，一般選擇保護間隔的時間長度為時延擴展均方根值的 2 到 4 倍。選擇符號周期：考慮到保護間隔所帶來的信息傳輸效率的損失、系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜度和系統(tǒng)的峰值平均功率比這些因素，通常在實際系統(tǒng)中，我們選擇符號周期長度至少是保護間隔長度的 5 倍。 . . . 12 / 49確定子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量可以直接利用-3dB 帶寬除以子載波間隔，即通過去掉保護間隔之后的符號周期的倒數(shù)來得到?；蛘卟捎昧硪环N方法，即利用所要求的比特

51、速率除以每個子信道中的比特速率來確定子載波的數(shù)量。每個子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视烧{至類型，編碼速率和符號速率來確定。3.33.3OFDMOFDM 系統(tǒng)中的關鍵技術系統(tǒng)中的關鍵技術在具體應用中，OFDM 系統(tǒng)需要解決的關鍵問題包括以下幾個方面：同步技術：通常情況下，同步性能的好壞對 OFDM 系統(tǒng)的性能的影響是很大的。在 OFDM 系統(tǒng)中，同步包括三個部分，即載波同步，樣值同步與符號同步。與單載波系統(tǒng)相比，OFDM 系統(tǒng)對同步精確度的要求更高，同步偏差會再 OFDM 系統(tǒng)中引起 ISI 和 ICI。峰均比：在時域中，N 路正交子載波信號的疊加組成 OFDM 信號，因此，當這 N 路信號按一樣極性同

52、時取得最大值時，那么 OFDM 信號將產生最大的峰值。我們將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，通常簡稱為峰均比(PAR)。在OFDM 系統(tǒng)中，PAR 與 N 有關，也就是說，N 越大，PAR 的值越大，當 N=1024 時，PAR可達 30dB。由于大的 PAR 值對發(fā)射機的功率放大器的線性度要求很高。所以，如何降低 OFDM 信號的 PAR 值對 OFDM 系統(tǒng)的性能和成本都有很大的影響。信道估計：加入循環(huán)前綴的 OFDM 系統(tǒng)我們可以將其等效為 N 個獨立的并行子信道。在不考慮信道噪聲的情況下，各個子信道上的發(fā)送信號與信道的頻譜特性的頻率乘積等于N 個子信道上的接收

53、信號。通常情況下，信道估計的方法有很多，而在無線通信中，我們一般采用插入導頻的方法進行信道估計信道時變性的影響：信道的時變性能夠引起接收信號的多普勒擴展，故使 OFDM 信號的正交性遭到破壞，從而引起子載波之間的干擾，造成系統(tǒng)性能下降。通常我們采用信道編碼加交織技術來抵抗信道性能的下降，這是克服多普勒擴展的傳統(tǒng)方法。最近的發(fā)展是利用多普勒分集技術將多普勒擴展變害為利，從而提高系統(tǒng)的性能。其他相關技術：除了以上與 OFDM 本身相關的技術之外，在具體系統(tǒng)中使用 OFDM 技術時，還應該考慮具體系統(tǒng)的實際情況。 . . . 13 / 493.43.4OFDMOFDM 技術的優(yōu)點技術的優(yōu)點OFMD

54、有諸多優(yōu)點，具體羅列如下：頻譜效率高。在 OFDM 系統(tǒng)中，由于各個子載波之間所存在的正交性質，允許子載波的頻譜相互重疊，因此，最大程度的利用了頻譜資源。系統(tǒng)實現(xiàn)簡單。OFDM 系統(tǒng)可以通過 IFFT/FFT 變換來實現(xiàn)子信道的調至和解調，因此大大簡化了系統(tǒng)實現(xiàn)。同時，靈活的選擇子載波傳輸，還可以實現(xiàn)動態(tài)的頻譜資源分配。子載波調度靈活。OFDM 系統(tǒng)通過子載波化可以實現(xiàn)頻域資源的靈活分配。這種分配的靈活性可以解決無線通信中存在的很多問題。例如 OFDM 系統(tǒng)通過調整子載波的數(shù)量，就可以擴展帶寬，這是傳統(tǒng)單載波技術無法比擬的；另外，終端也可以根據(jù)自身業(yè)務情況，調整子載波分配，這樣就可以使用小功率

55、功放；基站還可以根據(jù)不同用戶的信道情況，調整子載波位置，以此來避免頻率選擇性衰落和窄帶干擾?？苟鄰剿ヂ湫阅芎芎谩Ｓ捎谠谝苿油ㄐ胖?，多徑產生的衰落的影響是非常突出的，因此加入循環(huán)前綴(CP)的 OFDM 系統(tǒng)其抗多徑衰落性能有很大的提高。均衡簡單。串并轉換使得高速的數(shù)據(jù)流中的符號持續(xù)周期增加，從而使子載波信道可以看作為平坦衰落信道，因此簡化了均衡。 . . . 14 / 493.53.5OFDMOFDM 系統(tǒng)性能仿真系統(tǒng)性能仿真仿真參數(shù)：表 3-1 系統(tǒng)仿真參數(shù)子載波數(shù)1024有效子載波數(shù)1000FFT 點數(shù)1024調制/解調QPSKSNR(信噪比)0-15（dB）信道模型瑞利信道信源比特數(shù)20

56、00bit仿真流程圖：（流程圖接后頁）產生信源信號 （2000 bit 0,1 序列）將信號進行串并轉換調制, QPSK 星座映射將 1*1000 信號矩陣轉換為 1*1024矩陣（中間置零，兩端補零）對信號進行 IFFT（1024 點）變換Reyleigh 衰落對信號添加 AWGN對信號進行 FFT(1024 點)變換 . . . 15 / 4902468101210-510-410-310-210-1100BER函 函SNRBER BER 函 函（流程圖接前頁）仿真結果圖：圖 3-3OFDM 系統(tǒng)誤碼率性能取出有效信號的，去掉添加的零，變回 1*1000 矩陣判斷每一點的星座位置（以最小距

57、離為標準）解調，QPSK 變回 0,1 信號串并轉換，變回 1*2000 矩陣與信源信號對比，計算誤碼率繪制仿真圖，結束 . . . 16 / 49結果分析：從圖 3-3 中我們可以看出，隨著信噪比的增大，BER 明顯減小，在信噪比SNR=30 的水平處基本可以忽略 BER。3.63.6本章小結本章小結本章介紹了 OFDM 系統(tǒng)的相關問題進行了系統(tǒng)介紹。由于該技術是未來移動通信的關鍵技術之一，本文介紹了其基本原理以與該系統(tǒng)中的關鍵技術等問題，為后一章節(jié)對載波聚合技術實現(xiàn)方案的性能評估的作基礎。 . . . 17 / 494 4載波聚合技術載波聚合技術4.14.1載波聚合技術概述載波聚合技術概述

58、4.1.14.1.1載波聚合技術的原理載波聚合技術的原理載波聚合，即是指兩個以上的載波的聚合，通過聚合方式將多個離散或者連續(xù)的小頻帶擴展成更寬的頻帶來傳輸數(shù)據(jù)。載波聚合是在 LTE-Advanced 系統(tǒng)中支持下行傳輸帶寬大于 20MHz 的技術。它合理的復用了多個頻帶，使得 LTE-Advanced 系統(tǒng)用戶在同一時間接收帶寬超過 20MHz的數(shù)據(jù)。會議中還指出，一個終端根據(jù)其能力，可以同時接收一個或多個子載波，具體情況為：一個接收能力大于 20MHz 的 LTE-Advanced 終端可以同時接收多個子載波的傳輸；子載波結構遵循 LTE Release 8 規(guī)時，一個 LTE Releas

59、e 8 的終端僅可以接收單個子載波傳輸。4.1.24.1.2LTE-AdvancedLTE-Advanced 中的載波聚合中的載波聚合在目前現(xiàn)有的無線蜂窩網絡中，由于頻帶利用率不高，且每一個 UE 所占用帶寬有限，所以無法滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸要求。伴隨著當前語音業(yè)務日趨飽和，因此，在未來無線寬帶移動網絡中為用戶提供更為可靠的高速數(shù)據(jù)服務則是當前運營商需要考慮的關鍵沒問題。LTE-Advanced 系統(tǒng)是 LTE 系統(tǒng)的平滑演進。LTE-A 系統(tǒng)目前支持的系統(tǒng)帶寬最小為 20MHz，最大帶寬則可達到 100MHz。它支持的下行峰值速率為 1Gbit/s，下行頻譜效率提高到 30bit/s/Hz

60、，上行峰值速率為 500Mbit/s，上行頻譜效率則可提高到 15bit/s/Hz。因此，怎樣在小幅度修改 LTE 協(xié)議的前提條件下，既可以完全兼容 LTE 遺留的 UE，又可以增加 LTE-Advanced UE 占用的帶寬并且提高它的頻譜利用率，這一問題目前已經成為了設備商與運營商所面臨的共同問題。LTE- A 系統(tǒng)引入了載波聚合技術，在關鍵技術方面有了很大的增強。在 LTE-A系統(tǒng)中應用該技術時，首先需要大約 100MHz 的大帶寬來降低每赫茲比特成本，從而實現(xiàn)超過 1Gbps 的數(shù)據(jù)峰值速率；其次，為了支持更高的數(shù)據(jù)峰值速率，載波聚合后的用戶獲得帶寬超過 20MHz 的大傳輸帶寬，而每