LTE-OFDM-基本原理

OFDM基本原理介绍课程目标：了解OFDM的基本概念了解OFDM的基本原理了解OFDM技术的优缺点理解OFDM的关键技术了解OFDM在上下行链路中的应用i目录第1章系统概述...........................................................................................................................................11.1无线信道传播特性............................................................................................................................11.1.1无线信道的大尺度衰落..........................................................................................................21.1.2阴影衰落..................................................................................................................................31.1.3无线信道的多径衰落..............................................................................................................31.1.4无线信道的时变性以及多普勒频移......................................................................................51.2OFDM的基本概念.............................................................................................................................71.3OFDM的优缺点.................................................................................................................................8第2章OFDM的关键技术.......................................................................................................................112.1保护间隔和循环前缀......................................................................................................................112.2同步技术..........................................................................................................................................132.2.1载波同步................................................................................................................................142.2.2符号定时同步........................................................................................................................152.3信道估计..........................................................................................................................................172.4降峰均比技术..................................................................................................................................172.4.1限幅方法................................................................................................................................172.4.2压缩扩张方法........................................................................................................................18第3章OFDM的应用...............................................................................................................................213.1OFDM在下行链路中的应用...........................................................................................................213.2OFDM在上行链路中的应用...........................................................................................................233.2.1DFT-spreadOFDM多址接入技术.........................................................................................233.2.2SC-FDMA多址接入技术.......................................................................................................251第1章系统概述知识点无线信道传播特性OFDM的基本概念OFDM的优缺点1.1无线信道传播特性与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。再加之移动台本身的运动，使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制。信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可以表达为：P(d)=|d|-nS(d)R(d)其中d表示移动台与基站的距离向量，|d|表示移动台与基站的距离。根据上式，无线信道对信号的影响可以分为三种：（1）电波中自由空间内的传播损耗|d|-n，也被称作大尺度衰落，其中n一般为3～4；（2）阴影衰落S(d)表示由于传播环境的地形起伏，建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引起的衰落，被称作中等尺度衰落；（3）多径衰落R(d)表示由于无线电波中空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号的分量叠加时会造成同相增加，异相减小的现象，这也被称作小尺度衰落。下图可以清晰的说明三种衰落情况。OFDM基本原理介绍2图1.1-1信号在无线信道中的传播特性此外，由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响。1.1.1无线信道的大尺度衰落无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。最简单的大尺度路径损耗模型可以表示为：其中Pi表示本地平均发射信号功率，Pr表示接收功率，d是发射机与接收机之间的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数γ一般在2～4中选择。由此可以得到平均的信号噪声比（SNR）为：其中N0是单边噪声功率谱密度，B是信号带宽，K是独立于距离、功率和带宽的常数，如果为保证可靠接收，要求SNR≥SNR0，其中SNR0表示信噪比门限，则路径损耗会为比特速率带来限制：第1章系统概述3以及对信号的覆盖范围带来限制：可见，如果不采用其它特殊技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限制，但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。1.1.2阴影衰落当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，被称作阴影衰落。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其中衰落特性符合对数正态分布，其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。1.1.3无线信道的多径衰落无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机，如下图所示。图1.1-2无线信号的多径传播由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。OFDM基本原理介绍4例如，发射端发生一个窄脉冲信号，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数都是不同的，对应一个发送脉冲信号，下图给出接收端所接收到的信号情况。这样就造成了信道的时间弥散性（timedispersion），其中τmax被定义为最大时延扩展。图1.1-3多径接收信号在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号当中，造成符号间干扰（InterSymbolInterference，ISI）。为了避免产生ISI，应该令符号速率要先于最大时延扩展的倒数，由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测量到的时延扩展都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的统计平均值。下表给出不同信道环境下的时延扩展值。表1.1-1不同信道环境下的时延扩展值环境最大时延扩展最大到达路径差室内40ns～200ns12m～16m室外1μs～20μs300m～5000m在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，是应用中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即：从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落（frequency-selectivefading），即针对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现不同的随机响应，由于信号中不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。