LTE物理層培訓(xùn)--OFDM基本原理

1、OFDM基本原理培訓(xùn)基本原理培訓(xùn)主要內(nèi)容主要內(nèi)容OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM的變形技術(shù)：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術(shù)的引入技術(shù)的引入通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率越來(lái)越高數(shù)據(jù)傳輸速率提高后將直接導(dǎo)致每個(gè)碼元的傳輸周期縮短在無(wú)線通信系統(tǒng)中，存在多徑效應(yīng)，這樣當(dāng)碼元傳輸周期縮短時(shí)，碼間干擾會(huì)更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致檢測(cè)性能下降如果將并行傳輸技術(shù)引入通信系統(tǒng)中，則可以同時(shí)傳輸多個(gè)碼元，這樣在總數(shù)據(jù)傳輸速率相同時(shí)，每個(gè)碼元的傳輸周期可以大大增長(zhǎng)OFDM技術(shù)恰恰可以利用正交子載波組來(lái)實(shí)現(xiàn)并行傳輸，從而增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)碼間干擾的魯棒性O(shè)FDM技術(shù)的發(fā)

2、展技術(shù)的發(fā)展OFDM技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，最初主要用于軍用無(wú)線通信系統(tǒng)20世紀(jì)的五六十年代，美國(guó)軍方創(chuàng)建了世界上第一個(gè)多載波調(diào)制系統(tǒng)二十世紀(jì)七十年代，采用大規(guī)模子載波和頻率重疊技術(shù)的OFDM系統(tǒng)出現(xiàn)二十世紀(jì)九十年代，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，OFDM系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端分別采用IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大大降低，使得該技術(shù)開始廣泛應(yīng)用OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM的變形技術(shù)：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術(shù)的模擬基帶實(shí)現(xiàn)技術(shù)的模擬基帶實(shí)現(xiàn)主要思想：將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，得到N路并行的數(shù)據(jù)流，并將它們

3、調(diào)制到相互正交的子載波上，各個(gè)子載波的頻譜相互交疊發(fā)送信號(hào)表達(dá)式：在接收端對(duì)其進(jìn)行相關(guān)解調(diào)時(shí)，下面的式子可以保證子載波之間的正交性：10)sincos()(NnnnnntbtatXsTTTjisjidttftfT00, 0)2sin()2cos(1sTTTjisjidttftfT00, 0)2cos()2cos(1OFDM技術(shù)的數(shù)字基帶實(shí)現(xiàn)技術(shù)的數(shù)字基帶實(shí)現(xiàn)1010( )(cossin)Re()exp()NnnnnnNnnnnX tatbtajbjt對(duì)發(fā)射信號(hào)以Ts/N進(jìn)行采樣，得到將發(fā)射信號(hào)改寫成實(shí)數(shù)調(diào)制到復(fù)載波上的形式：1010( )Re()exp( 2) Re()exp( 2) Re()

4、NsnnnsNnnnnmTnX majbjTNmnajbjNIDFT ZOFDM技術(shù)的數(shù)字基帶實(shí)現(xiàn)示意圖技術(shù)的數(shù)字基帶實(shí)現(xiàn)示意圖下圖描述了OFDM系統(tǒng)在發(fā)射端用IFFT來(lái)實(shí)現(xiàn)多載波疊加的過(guò)程由前面的公式可以得出，對(duì)發(fā)射序列進(jìn)行IFFT之后所得到的，恰好是模擬基帶實(shí)現(xiàn)時(shí)多載波疊加后數(shù)據(jù)的采樣序列，對(duì)其進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，即可得到模擬基帶實(shí)現(xiàn)時(shí)的發(fā)射信號(hào)tje0tjNe1S0 , ns1, NnsP/SIDFT0 , ns1, NnsD/AOFDM系統(tǒng)中子載波之間的正交性系統(tǒng)中子載波之間的正交性O(shè)FDM系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)中，各個(gè)載波之間是完全正交的OFDM系統(tǒng)的子載波間隔為OFDM符號(hào)周期的倒數(shù)，每個(gè)子載

5、波的頻譜均為SINC函數(shù)，該函數(shù)以子載波間隔為周期周期性地出現(xiàn)零值，這樣恰好在其他子載波的峰值位置處貢獻(xiàn)為零-10-8-6-4-20246020406080100120140Linear Amplitude時(shí)域信號(hào)波形和頻譜時(shí)域信號(hào)波形和頻譜時(shí)域信號(hào)：多個(gè)載波信號(hào)的時(shí)域疊加頻譜：相等頻譜間隔且相互有重疊OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖下圖給出了OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖，該圖僅僅是為了凸現(xiàn)OFDM系統(tǒng)如何將數(shù)據(jù)進(jìn)行并行傳輸而畫的P/SIFFTS/Ps(t)AddCyclicPrefixTx. filter: GT()Channel: H()n(t)S/PFFTP/Sr(t)RemoveCyclic

6、PrefixRx. filter: GT()TransmitterReceiverChannelOFDM概述OFDM基本原理OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM的變形技術(shù)：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)頻譜利用率高抗多徑干擾抗頻率選擇性衰落信道估計(jì)與均衡實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率高系統(tǒng)的頻譜利用率高下圖給出了單載波和正交多載波系統(tǒng)的頻譜示意圖，由于OFDM系統(tǒng)中只預(yù)留少部分保護(hù)子載波，不象傳統(tǒng)的多載波系統(tǒng)那樣需要較大的保護(hù)頻帶，因而頻譜利用率有一定程度的提高OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子載波之間是彼此重疊、相互正交的，從而極大提高了頻譜利用率OF

7、DM系統(tǒng)能有效抵抗多徑干擾系統(tǒng)能有效抵抗多徑干擾在傳輸速率一定的前提下，通過(guò)并行傳輸使每個(gè)碼元的傳輸周期延長(zhǎng)為原來(lái)的N倍，這樣每個(gè)碼元在傳輸過(guò)程中受多徑干擾影響的部分大大減小如果每個(gè)碼元的傳輸周期為無(wú)窮大，則完全可以忽略信號(hào)在傳輸過(guò)程中所受到的多徑干擾如果在每個(gè)OFDM符號(hào)前面或后面插入一個(gè)保護(hù)間隔，則可以進(jìn)一步降低多徑延遲所引起的符號(hào)間干擾，當(dāng)保護(hù)間隔的長(zhǎng)度大于最大多徑時(shí)延時(shí)，可以完全避免符號(hào)間干擾GI和和CP的區(qū)別的區(qū)別每個(gè)OFDM符號(hào)前所加的保護(hù)間隔可以有兩種不同的形式：一種是不發(fā)射信號(hào)的Guard Interval；另一種是將OFDM符號(hào)周期內(nèi)的后面一部分拷貝到前面去，形成循環(huán)前綴Cy

8、clic Prefix如果采用GI，可以節(jié)省發(fā)射功率，但由于在有效的OFDM符號(hào)周期內(nèi)，延遲后的信號(hào)路徑只取到了一部分，從而使得其頻譜不再滿足以子載波為間隔周期性出現(xiàn)零點(diǎn)的特征，所以會(huì)引入ICI如果采用CP，而且CP的長(zhǎng)度大于最大多徑時(shí)延，則在有效的OFDM符號(hào)周期內(nèi)，每一徑的信號(hào)都是完整的，從而保證了子載波之間的正交性CP抗多徑示意圖抗多徑示意圖OFDM系統(tǒng)能有效抵抗頻率選擇性衰落系統(tǒng)能有效抵抗頻率選擇性衰落下圖給出了多徑無(wú)線信道的頻率選擇性衰落特征，該頻率選擇性衰落是由多徑引起的OFDM系統(tǒng)中可以通過(guò)動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)來(lái)抵抗頻率選擇性衰落，在衰落子載波上不傳數(shù)據(jù)或者采用較低階調(diào)制01002

9、00300400500600-30-25-20-15-10-50510FrequencyFrequency Slective Fading10)()(*)()(Liiitsathtstr1010)2exp()()2exp()()(LiiiLiiifjafSfjfSafROFDM概述OFDM基本原理OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM的變形技術(shù)：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技術(shù)的缺點(diǎn)技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM技術(shù)最大的缺點(diǎn)是對(duì)頻率偏移特別敏感，收發(fā)兩端晶振的不一致會(huì)引起ICI，雖然在接收端可以通過(guò)頻率同步來(lái)獲取頻率偏移并進(jìn)行校正，但由于頻偏估計(jì)的不精確而引起的殘留頻偏將

10、會(huì)使信號(hào)檢測(cè)性能下降在移動(dòng)環(huán)境下，由于終端移動(dòng)而引起的多普勒頻譜擴(kuò)展，同樣會(huì)引起ICI，這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)合理地配置各種參數(shù)以盡量降低ICI對(duì)檢測(cè)性能的影響OFDM系統(tǒng)的PAPR較大，對(duì)功放和削波提出了更高的要求OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM的變形技術(shù)：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)時(shí)頻同步信道估計(jì)PAPR抑制動(dòng)態(tài)資源分配時(shí)頻同步重要性（一）時(shí)頻同步重要性（一）左圖顯示，實(shí)際的FFT窗如果在最佳FFT窗之后，則一定會(huì)引入ISI和ICI；右圖顯示，如果實(shí)際的FFT窗相對(duì)于最佳FFT窗的提前量太大，也會(huì)引入ISI和I

11、CI時(shí)頻同步重要性（二）時(shí)頻同步重要性（二）由下圖可以看出，滯后的時(shí)間同步誤差對(duì)于系統(tǒng)性能的影響遠(yuǎn)大于提前的時(shí)間同步誤差，所以實(shí)際系統(tǒng)在得到同步位置后，通常往前提一到兩個(gè)碼片時(shí)頻同步重要性（三）時(shí)頻同步重要性（三）下圖顯示，頻率不同步將直接引入ICI，而且ICI的影響要比ISI的影響大得多，所以在OFDM系統(tǒng)中，頻率同步的精度要求比時(shí)間同步高OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)系統(tǒng)信道估計(jì)資源：利用訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)利用導(dǎo)頻子載波進(jìn)行信道估計(jì)方法：最小二乘（LS）最小均方誤差（MMSE）降噪算法（NR）利用訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)通常進(jìn)行一維（頻域）插值，利用導(dǎo)頻子載波進(jìn)行信道進(jìn)行估計(jì)，要進(jìn)行時(shí)頻二維插值，一般

12、采用線性插值即可滿足要求OFDM系統(tǒng)降低系統(tǒng)降低PAPR的方法的方法OFDM系統(tǒng)中，PAPR與系統(tǒng)所采用的調(diào)制方式基本無(wú)關(guān)，隨可用子載波數(shù)目的增多而非線性增加降低PAPR可采用下述方法：合理地設(shè)計(jì)各個(gè)子載波的相位l 當(dāng)相位為有效信息時(shí)，該方法不再適應(yīng)預(yù)編碼l 當(dāng)子載波數(shù)目較大時(shí)，找不到好的預(yù)編碼方案限幅l 產(chǎn)生非線性失真，增加帶內(nèi)干擾及帶外輻射，使BER提高預(yù)留子載波自適應(yīng)序列選擇l 需要傳遞冗余信息OFDM系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)資源分配系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)資源分配OFDM系統(tǒng)中可供分配的資源包括功率、子載波、編碼調(diào)制方式根據(jù)信道質(zhì)量為每個(gè)用戶動(dòng)態(tài)分配最優(yōu)子載波根據(jù)信道質(zhì)量為每個(gè)子載波動(dòng)態(tài)分配合適的編碼調(diào)制方式根據(jù)

13、注水定理，通過(guò)合理的資源分配使系統(tǒng)容量最大化或者發(fā)射功率最小化將QoS與動(dòng)態(tài)資源分配相結(jié)合，考慮業(yè)務(wù)需求和公平性將功率分配與遠(yuǎn)近效應(yīng)相結(jié)合，盡量降低自干擾OFDM概述OFDM基本原理OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM的變形技術(shù)： DFT-S-OFDMOFDMADFT-S-OFDM實(shí)現(xiàn)方法優(yōu)點(diǎn)信號(hào)既保持OFDM的特點(diǎn)，又具有單載波特性，時(shí)域上明顯降低PAPR缺點(diǎn)增加處理復(fù)雜度 DFT Sub-carrier Mapping CP insertion Size-NTX Size-NFFT Coded symbol rate= R NTX symbols IFFT OFDM

14、概述OFDM基本原理OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)OFDM關(guān)鍵技術(shù)OFDM的變形技術(shù)：DFT-S-OFDMOFDMAOFDMA的主要思想的主要思想將每個(gè)OFDM符號(hào)的可用子載波劃分為多個(gè)資源塊，每個(gè)用戶可以占用其中的一個(gè)或者幾個(gè)資源塊實(shí)際上是TDMA+FDMA的多址方式OFDMA的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)資源分配的力度更小，資源分配更加靈活，在同一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)可以支持多個(gè)用戶接入對(duì)于上行鏈路，可以通過(guò)功率匯聚（power concentration）來(lái)擴(kuò)大覆蓋。對(duì)于下行鏈路，往往不會(huì)出現(xiàn)覆蓋受限，如果出現(xiàn)，可以通過(guò)重復(fù)編碼或者同樣采用功率匯聚來(lái)擴(kuò)大覆蓋。Scalable OFDMA在802.16e

15、或LTE OFDMA物理層標(biāo)準(zhǔn)中，不同帶寬的系統(tǒng)所采用的FFT點(diǎn)數(shù)是不一樣的，稱之為Scalable OFDMA，如1.25M帶寬采用128點(diǎn)，5M帶寬采用512點(diǎn)等采用Scalable OFDMA，在系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境相同時(shí)，不同帶寬系統(tǒng)的符號(hào)周期是相同的，子載波間隔也是相同的，因而它們對(duì)于頻率選擇性衰落和多普勒頻移的忍受能力也是一樣的如果Scalable OFDMA系統(tǒng)中采用相同的CP長(zhǎng)度，如1/4，那么帶寬不同時(shí)對(duì)于多徑時(shí)延的抵抗能力是相同的OFDMA系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的MAI在OFDM系統(tǒng)中，如果頻偏校正后的殘留頻偏比較小，其引入的ICI對(duì)系統(tǒng)性能影響不大在OFDM系統(tǒng)中，如果參數(shù)配置合理，即多普勒頻移遠(yuǎn)小于子載波間隔，則其引入的ICI對(duì)系統(tǒng)性能影響也不大在OFDMA系統(tǒng)中，由于多用戶之間的頻率選擇性衰落信道是不一樣的，這樣由