LTE物理层培训--OFDM基本原理

OFDM基本原理培训主要内容OFDM概述OFDM基本原理OFDM技术的优点OFDM技术的缺点OFDM关键技术OFDM的变形技术：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技术的引入通信系统中的数据传输速率越来越高数据传输速率提高后将直接导致每个码元的传输周期缩短在无线通信系统中，存在多径效应，这样当码元传输周期缩短时，码间干扰会更加严重，从而导致检测性能下降如果将并行传输技术引入通信系统中，则可以同时传输多个码元，这样在总数据传输速率相同时，每个码元的传输周期可以大大增长OFDM技术恰恰可以利用正交子载波组来实现并行传输，从而增强系统对码间干扰的鲁棒性OFDM技术的发展OFDM技术的应用已有近40年的历史，最初主要用于军用无线通信系统20世纪的五六十年代，美国军方创建了世界上第一个多载波调制系统二十世纪七十年代，采用大规模子载波和频率重叠技术的OFDM系统出现二十世纪九十年代，随着数字信号处理技术的发展，OFDM系统在发射端和接收端分别采用IFFT和FFT来实现，从而导致系统实现复杂度大大降低，使得该技术开始广泛应用OFDM概述OFDM基本原理OFDM技术的优点OFDM技术的缺点OFDM关键技术OFDM的变形技术：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技术的模拟基带实现主要思想：将数据进行串并转换，得到N路并行的数据流，并将它们调制到相互正交的子载波上，各个子载波的频谱相互交叠发送信号表达式：在接收端对其进行相关解调时，下面的式子可以保证子载波之间的正交性：10)sincos()(NnnnnntbtatXsTTTjisjidttftfT00,,0)2sin()2cos(1sTTTjisjidttftfT00,0)2cos()2cos(1OFDM技术的数字基带实现1010()(cossin)Re()exp()NnnnnnNnnnnXtatbtajbjt对发射信号以Ts/N进行采样，得到将发射信号改写成实数调制到复载波上的形式：1010()Re()exp(2)Re()exp(2)Re()NsnnnsNnnnnmTnXmajbjTNmnajbjNIDFTZOFDM技术的数字基带实现示意图下图描述了OFDM系统在发射端用IFFT来实现多载波叠加的过程由前面的公式可以得出，对发射序列进行IFFT之后所得到的，恰好是模拟基带实现时多载波叠加后数据的采样序列，对其进行D/A转换，即可得到模拟基带实现时的发射信号tje0tjNe1S0,ns1,NnsP/SIDFT0,ns1,NnsD/AOFDM系统中子载波之间的正交性OFDM系统的发射信号中，各个载波之间是完全正交的OFDM系统的子载波间隔为OFDM符号周期的倒数，每个子载波的频谱均为SINC函数，该函数以子载波间隔为周期周期性地出现零值，这样恰好在其他子载波的峰值位置处贡献为零-10-8-6-4-20246020406080100120140LinearAmplitude时域信号波形和频谱时域信号：多个载波信号的时域叠加频谱：相等频谱间隔且相互有重叠OFDM系统实现框图下图给出了OFDM系统的实现框图，该图仅仅是为了凸现OFDM系统如何将数据进行并行传输而画的P/SIFFTS/Ps(t)AddCyclicPrefixn(t)S/PFFTP/Sr(t)RemoveCyclicPrefixTransmitterReceiverChannelOFDM概述OFDM基本原理OFDM技术的优点OFDM技术的缺点OFDM关键技术OFDM的变形技术：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技术的优点频谱利用率高抗多径干扰抗频率选择性衰落信道估计与均衡实现简单OFDM系统的频谱利用率高下图给出了单载波和正交多载波系统的频谱示意图，由于OFDM系统中只预留少部分保护子载波，不象传统的多载波系统那样需要较大的保护频带，因而频谱利用率有一定程度的提高OFDM系统中各个子载波之间是彼此重叠、相互正交的，从而极大提高了频谱利用率OFDM系统能有效抵抗多径干扰在传输速率一定的前提下，通过并行传输使每个码元的传输周期延长为原来的N倍，这样每个码元在传输过程中受多径干扰影响的部分大大减小如果每个码元的传输周期为无穷大，则完全可以忽略信号在传输过程中所受到的多径干扰如果在每个OFDM符号前面或后面插入一个保护间隔，则可以进一步降低多径延迟所引起的符号间干扰，当保护间隔的长度大于最大多径时延时，可以完全避免符号间干扰GI和CP的区别每个OFDM符号前所加的保护间隔可以有两种不同的形式：一种是不发射信号的GuardInterval；另一种是将OFDM符号周期内的后面一部分拷贝到前面去，形成循环前缀CyclicPrefix如果采用GI，可以节省发射功率，但由于在有效的OFDM符号周期内，延迟后的信号路径只取到了一部分，从而使得其频谱不再满足以子载波为间隔周期性出现零点的特征，所以会引入ICI如果采用CP，而且CP的长度大于最大多径时延，则在有效的OFDM符号周期内，每一径的信号都是完整的，从而保证了子载波之间的正交性CP抗多径示意图OFDM系统能有效抵抗频率选择性衰落下图给出了多径无线信道的频率选择性衰落特征，该频率选择性衰落是由多径引起的OFDM系统中可以通过动态子载波分配技术来抵抗频率选择性衰落，在衰落子载波上不传数据或者采用较低阶调制0100200300400500600-30-25-20-15-10-50510FrequencyFrequencySlectiveFading10)()(*)()(Liiitsathtstr1010)2exp()()2exp()()(LiiiLiiifjafSfjfSafROFDM概述OFDM基本原理OFDM技术的优点OFDM技术的缺点OFDM关键技术OFDM的变形技术：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM技术的缺点OFDM技术最大的缺点是对频率偏移特别敏感，收发两端晶振的不一致会引起ICI，虽然在接收端可以通过频率同步来获取频率偏移并进行校正，但由于频偏估计的不精确而引起的残留频偏将会使信号检测性能下降在移动环境下，由于终端移动而引起的多普勒频谱扩展，同样会引起ICI，这就要求系统设计时合理地配置各种参数以尽量降低ICI对检测性能的影响OFDM系统的PAPR较大，对功放和削波提出了更高的要求OFDM概述OFDM基本原理OFDM技术的优点OFDM技术的缺点OFDM关键技术OFDM的变形技术：DFT-S-OFDMOFDMAOFDM关键技术时频同步信道估计PAPR抑制动态资源分配时频同步重要性（一）左图显示，实际的FFT窗如果在最佳FFT窗之后，则一定会引入ISI和ICI；右图显示，如果实际的FFT窗相对于最佳FFT窗的提前量太大，也会引入ISI和ICI时频同步重要性（二）由下图可以看出，滞后的时间同步误差对于系统性能的影响远大于提前的时间同步误差，所以实际系统在得到同步位置后，通常往前提一到两个码片时频同步重要性（三）下图显示，频率不同步将直接引入ICI，而且ICI的影响要比ISI的影响大得多，所以在OFDM系统中，频率同步的精度要求比时间同步高OFDM系统信道估计资源：利用训练序列进行信道估计利用导频子载波进行信道估计方法：最小二乘（LS）最小均方误差（MMSE）降噪算法（NR）利用训练序列进行信道估计通常进行一维（频域）插值，利用导频子载波进行信道进行估计，要进行时频二维插值，一般采用线性插值即可满足要求R0R0R0R0R0R0R0R00l6l0l6lR0R0R0R0R0R0R0R00l6l0l6lR1R1R1R1R1R1R1R10l6l0l6leven-numberedslotsodd-numberedslotsR3R3R3R30l6l0l6lR0R0R0R0even-numberedslotsodd-numberedslotsR0R0R0R00l6l0l6lR1R1R1R1even-numberedslotsodd-numberedslotsR1R1R1R10l6l0l6leven-numberedslotsodd-numberedslotsR2R2R2R20l6l0l6lOneantennaportTwoantennaportsFourantennaportsAntennaport0Antennaport1Antennaport2Antennaport3NotusedfortransmissiononthisantennaportReferencesymbolsonthisantennaportlk,elementResourceOFDM系统降低PAPR的方法OFDM系统中，PAPR与系统所采用的调制方式基本无关，随可用子载波数目的增多而非线性增加降低PAPR可采用下述方法：合理地设计各个子载波的相位当相位为有效信息时，该方法不再适应预编码当子载波数目较大时，找不到好的预编码方案限幅产生非线性失真，增加带内干扰及带外辐射，使BER提高预留子载波自适应序列选择需要传递冗余信息OFDM系统的动态资源分配OFDM系统中可供分配的资源包括功率、子载波、编码调制方式根据信道质量为每个用户动态分配最优子载波根据信道质量为每个子载波动态分配合适的编码调制方式根据注水定理，通过合理的资源分配使系统容量最大化或者发射功率最小化将QoS与动态资源分配相结合，考虑业务需求和公平性将功率分配与远近效应相结合，尽量降低自干扰OFDM概述OFDM基本原理OFDM技术的优点OFDM技术的缺点OFDM关键技术OFDM的变形技术：DFT-S-OFDMOFDMADFT-S-OFDM实现方法优点信号既保持OFDM的特点，又具有单载波特性，时域上明显降低PAPR缺点增加处理复杂度DFTSub-carrierMappingCPinsertionSize-NTXSize-NFFTCodedsymbolrate=RNTXsymbolsIFFTOFDM概述OFDM基本原理OFDM技术的优点OFDM技术的缺点OFDM关键技术OFDM的变形技术：DFT-S-OFDMOFDMAOFDMA的主要思想将每个OFDM符号的可用子载波划分为多个资源块，每个用户可以占用其中的一个或者几个资源块实际上是TDMA+FDMA的多址方式OFDMA的优点资源分配的力度更小，资源分配更加灵活，在同一个OFDM符号内可以支持多个用户接入对于上行链路，可以通过功率汇聚（powerconcentration）来扩大覆盖。对于下行链路，往往不会出现覆盖受限，如果出现，可以通过重复编码或者同样采用功率汇聚来扩大覆盖。ScalableOFDMA在802.16e或LTEOFDMA物理层标准中，不同带宽的系统所采用的FFT点数是不一样的，称之为ScalableOFDMA，如1.25M带宽采用128点，5M带宽采用512点等采用ScalableOFDMA，在系统应用环境相同时，不同带宽系统的符号周期是相同的，子载波间隔也是相同的，因而它们对于频率选择性衰落和多普勒频移的忍受能力也是一样的如果ScalableOFDMA系统中采用相同的CP长度，如1/4，那么带宽不同时对于多径时延的抵抗能力是相同的OFDMA系统中的MAI在OFDM系统中，如果频偏校正后的残留频偏比较小，其引入的ICI对系统性能影响不大在OFDM系统中，如果参数配置合理，即多普勒频移远小于子载波间隔，则其引入的ICI对系统性能影响也不大在OFDMA系统中，由于多用户之间的频率选择性