OFDM移动通信基带系统设计

华中科技大学硕士学位论文OFDM移动通信基带系统设计姓名：陈剑强申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：朱光喜;周宗仪20080527华中科技大学硕士学位论文摘要近年来，随着经济、社会和科技的发展及人们生活水平提高，人们对通信方式尤其是移动通信的要求也越来越高。随时随地、高速率、高质量的无线数据传输己经成为新一代移动通信系统发展的方向。目前，紧张的无线频谱资源己经使频谱利用率成为移动通信系统面临的重要问题。而正交频分复用(OFDM)系统由于其并行的数据传输方式使其具有较高的频谱利用率，同时，OFDM系统符号周期相对变长和OFDM符号间插入保护间隔使它能最大限度地消除移动通信中由于多径效应而引起的符号间干扰，OFDM己经成为最为瞩目的新一代移动通信核心技术之一。OFDM基带系统是整个OFDM系统的最主要的部分，也是本文的重点研究的方向。本文的目的，就是在深入理解OFDM基带系统的基本原理和关键处理技术的基础上，设计出一个完整的性能可靠的OFDM基带处理系统。首先概述了移动通信技术所面临的挑战和移动通信系统的发展趋势，简要介绍介绍了OFDM技术的优缺点。然后有针对性地介绍了无线OFDM系统的基础——无线信道模型，在此基础上重点讨论了OFDM技术的基本原理和OFDM符号的设计，并描述了信号传输的OFDM系统模型。在此系统模型下，重点研究了OFDM基带系统中的一些关键技术，包括无线信道编译码、同步技术、自适应技术和信道估计等等，侧重于从理论上进行算法分析。接下来在前面理论分析的基础上，针对具体的系统应用，选取合适的算法参数，完成整个OFDM基带系统的设计工作，并通过matlab仿真对系统性能进行了验证。最后概括全文内容,提出下一步的改进方向和完善思路。关键词：正交频分复用，导频，同步，自适应，调制解调，信道估计I华中科技大学硕士学位论文AbstractRecently,withthedevelopmentofeconomy,society,technology,andtheimprovementoflivingstandards,thedemandformobilecommunicationhasincreasedrapidly.Asagreedbymanyforumsandliteratures,wirelesscommunicationwithhighspeedandhighquality,anytimeandanywhere,isthedirectionoftheevolutioninwirelesscommunicationfield.Theresearchofmobilesystemisverypopular,andthedeploymentofmobilesystemisanevidenttendency.However,thefrequencyspectrumisaverylimitedresource.Ithasbecomeasevereobstacletothedevelopmentofmobilecommunication.OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)technique,whichdividesthetransmissionchannelintoanumberoforthogonalsubchannelsorsubcarriers,hasbeenprovedtobeanexcellentapproachtoachievinghigh-speeddatatransmissionwhilepreservinghighfrequencyspectrumefficiency.OFDMhasbeenadoptedbymanywirelesscommunicationstandards,suchasIEEE802.11aWirelessLAN,IEEE802.16eWirelessMAN,DigitalVideoBroadcast,etc.IthasbeenwidelyacceptedthatOFDMsystemisoneofthemainstreamsinfuturemobilecommunicationevolvement.ThisthesisfocusesontheresearchanddesignoftheOFDMbasebandsystem.Firstly,relevantbackgroundofmobilecommunicationisintroduced.Thenthewirelesschannelmodel,whichisthefoundationofeverywirelesssystem,isexplained.Basedonappropriatewirelesschannelmodel,theprincipleofOFDMispresented,andtheblockdiagramofthewholeOFDMbasebandsystemisconstructed.Next,somecrucialprocessingtechniquesarediscussed,includingchannelcodec,synchronization,channelestimation,andadaptivemodulationandpowerallocation.Duringthediscussion,algorithmsfortheseprocessingtechniquesareinducedtheoretically.AftereachpartoftheOFDMbasebandsystemisstudied,thewholesystemdesign,whichisthemajorobjectiveofthisthesis,iscompletedanditsperformanceisanalyzedbasedonmatlabsimulationresults.Finally,concludingremarksaregivenandfutureworkisconceived.Keywords:OFDM,pilot,synchronization,adaptivemodulation,channelestimationII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文1绪论进入21世纪，移动通信技术正以前所未有的速度向前发展。随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，可以预计，未来的移动通信技术将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，其网络结构也会发生根本的变化。为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的移动通信网络中，必须采用频谱效率高、抗多径干扰能力强的新型传输技术。1.1OFDM技术简介OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用）属于一种多载波传输技术，既可以看成是一种调制方法，也可以作为复用的方式，把高速的数据流通过串并转换，分配到多个并行的低速数据流[1]。每个低速数据流分别调至到各个子信道上，使单个子信道上信号的带宽小于信道的相干带宽，符号周期大于时间扩散信道的时延扩展；每个子信道上的信号在信道上的衰落变为平坦衰落，能够有效减轻多径效应的影响，并且不需要复杂的均衡器。在单载波调制系统中，一次衰落或者干扰可以使整个链路失效。而在多载波系统中，只有部分子载波上的传输会受到影响。利用信道纠错码，就可能纠正误传的信息，把整个信道变得更稳健可靠。与单载波系统相比，OFDM系统有如下优点[2]：（1），OFDM系统频谱利用率高。（2），OFDM是应对多径效应的有效方法。对于给定的时延扩展，OFDM系统实现复杂度远远小于带有均衡器的单载波系统。（3），对于慢衰落信道（信道响应变化较慢），用OFDM调制方式可以根据每个子信道上的信噪比（Signal-to-NoiseRatio，SNR），自适应地调节该信道上的数据速率，从而提高整个信道的容量。（4），OFDM抗窄带干扰能力强，因为这种干扰只会影响少部分子信道。通过随机化、信道编码、信道交织等技术，可以消除这些干扰。（5），OFDM使整个通信网络具有同样频带变得可能，不用像蜂窝移动通信系统那样以小区为单位进行频率规划，这对广播应用非常重要。与单载波系统相比，OFDM有下列缺点：1华中科技大学硕士学位论文（1），OFDM系统对频率偏移和相位噪声很敏感，对同步的要求很高。（2），OFDM有比较高的峰均功率比（Peak-to-AverageRatio，PAR），降低了射频放大器的功率效率。OFDM技术至今己经历了近40年的发展过程，尤其是在八十年代以后，借助现代超大规模集成电路技术和数字信号处理理论的发展，OFDM发展更是突飞猛进。目前，OFDM技术良好的性能在计算机网络、数字音频/视频广播、移动通信、卫星通信等多个领域中都有体现，特别是兼容IEEE802.16e标准的WiMax系统让OFDM技术得到了更深入的研究和广泛的应用。对于OFDM传输系统的研究具有非常重要的意义，已是当前通信领域的热点之一。OFDM系统的关键就在于其物理层基带处理，OFDM基带处理不仅包含OFDM调制技术，还包括很多与OFDM调制技术相适应的关键处理技术，如信道编译码，自适应调制，信道估计，同步，均衡等等。这些技术和OFDM调制技术必须协调组合起来，才能构成完整的OFDM基带处理系统。OFDM系统是未来的移动通信系统的主流方向之一，所以深入研究OFDM基带处理的理论以及系统设计有着重大意义。1.2课题来源和研究意义本课题来源于武汉光电国家实验室光通信与智能网络研究部承担的“基于RoF的移动通信创新平台”重大项目，在引进国外先进技术的基础上，充分发挥多年来在无线宽带领域所取得的技术成果和人才成果的优势，开展1.8GHz无线宽带设备（基站、终端、基站控制路由器以及配套的天馈系统、器件等）的研制并推动其产业化。本项目旨在展示基于WiMAX的宽带无线移动城域网的优势，它能弥补WLAN传输距离有限，无法支持动态漫游，建立收费系统较为复杂等问题。本项目拟采用OFDM技术以基于IEEE802.16e标准的网络基站组网，为城区提供无缝的宽带无线移动IP接入能力，支持高速移动互联网接入、音视频点播、互动游戏、移动VoIP、IPTV以及智能交通和移动视频监控等新型业务，并提供技术先进、便于实施的网络支持。本项目将是我国第一个实际投入建设、示范运营的基于IPv6的下一代宽带无线移动城域网络，项目的实施将建成具有创新能力的宽带无线移动城域网通信基础设施平台，提供宽带无线移动城域网通信基础性研究和技术开发的试验环境；吸收国2华中科技大学硕士学位论文外在宽带无线移动通信的先进技术，开展基于IPv6的宽带无线移动城域网络技术的研发与应用示范，攻克新一代宽带无线移动通信系统的关键技术，研制具有自主知识产权的宽带无线移动通信关键设备、核心协议软件、应用软件和标准等，进一步推动并实现宽带无线移动通信的产业化，使中国在世界宽带无线移动通信领域占有一