OFDMA上行链路同步算法实现及其仿真.doc

1 毕业设计 （论文） OFDMA上行链路同步算法实现及其仿真系 别电子信息系专业名称通信工程班级学号4080907学生姓名张万水指导教师刘福来2012年6月15日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 摘 要 正交频分复用多址接入（OFDMA）是以OFDM为基础的多用户接入技术，在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术，作为IEEE802.16e的主流技术，必将图东整个蜂窝移动通信的发展。OFDMA系统在继承了OFDM技术优点的同时，也继承了OFDM对同步误差敏感和具有较高的峰均功率比（PARP）等缺点。在OFDMA系统中，同步误差不仅仅会破坏子载波之间的正交性，造成ICI和ISI,而且还引入多址干扰（MAI），因此同步对OFDMA系统来言显得尤为重要。 本文主要研究基于IEEE802.16e的OFDMA上行链路的同步技术，希望以此来实现替代原来上行链路技术中的SC-FDMA，最终能使上下行链路都是用OFDMA技术，这样更有利于提高频谱的利用率和传输效率，对现代通信技术的发展具有极其重要的意义。 本文重点分析了OFDMA通信系统的各种关键性技术，也分析了OFDMA的优缺点，之后对存在的缺点提出了几种改进方案，文章最后给出了在OFDMA系统中信息的传输过程并用MATLAB仿真实现，并作出了一定的分析。 关键词：OFDMA，同步，PARP，MATLAB仿真Abstract Orthogonal frequency division multiplexing (OFDMA) multiple access access is the basis of many users OFDM access technology, the use of OFDM on channels for sub-carrier is initiated, the terrorists in the transmission of data load carrier transmission technology, as IEEE802.16 e mainstream technology, will figure east the cellular mobile telecommunication development. OFDMA system in succession of OFDM technical advantages and, at the same time, inherited OFDM on synchronization error sensitive and high peak are power than (PARP) shortcomings. In OFDMA system, not only can destroy synchronization error subcarrier the orthogonality between, cause ICI and ISI, and also into multiple access interference (MAI), so synchronous OFDMA system to make any is particularly important. This paper makes a study of the IEEE802.16 e based on the uplink OFDMA synchronous technology, make to achieve alternative techniques of uplink original SC-FDMA, can eventually make the link with downlink OFDMA technology, so that more conducive to improving the utilization ratio and the transmission spectrum efficiency of modern communication technology, the development has very important significance. This paper focuses on the analysis of the communication system of OFDMA key technology, this paper also analyses the advantages and disadvantages of OFDMA, after the disadvantages of several improvement plan put forward, finally, it presents a OFDMA system in the process of information transmission with MATLAB simulation, and made some analysis.Key Words: OFDMA, synchronization, PARP, the simulation of MATLAB目录目录31、绪论42、研究背景和研究意义：53、OFDMA的发展现状：74、OFDMA的原理：94、1 符号同步95、 OFDMA系统的关键性技术：115、1 同步技术115、2 信道估计125、3 降低峰值平均功率比（PAPR）125、4 动态链路分配125、5 小结126、OFDMA系统的各种优缺点：146、1 优点146、2 缺陷157、 OFDMA系统的改进：178、仿真及其分析249、总结28 1、绪论 Internet的徐苏发展及个人对数据通信需求的快速增长，使得通信产业技术的发展呈现出三大趋势：无线化、宽带化和IP化。互联网业务的迅猛发展推动了市场对带快网络的需求，与此同时，导致带宽用户数量急剧增加。在众多的宽带技术中，无线技术尤其是一旦动通信技术成为近年来通信技术市场的最大亮点，是构成未来通信技术的重要组成部分。当前支持宽带无线接入的WIMAX技术受到了业界的普遍关注，WIMAX技术是基于无线城域网IEEE802.16标准的宽带无线技术，可以在固定和移动的环境提供高速的数据、语音和视频等业务，具有广阔的应用前景，其中802.16e属于移动宽带无线接入空中标准。作为IEEE802.16标准的主流技术，OFDM和OFDMA技术被应用到WIMAX系统的物理层中，OFDMA是支持移动性的IEEE802.16e标准的基础，因此对于OFDMA技术的研究有很重要的现实意义。2、研究背景和研究意义：通用陆地无线接入(UTRAN)演进的目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统。演进的UTRA致力于建立一个上行速率达到50 MHz、下行速率达到100 MHz、频谱利用率为3G R6的34倍的高速率系统。为达到上述目标，多址方案的选择应该考虑在复杂度合理的情况下，提供更高的数据速率和频谱利用率。在上行链路中，由于终端功率和处理能力的限制，多址方案的设计更具挑战性，除了性能和复杂度，还需要考虑峰值平均功率比(PAPR)对功率效率的影响。 在3GPPLTE的标准化过程中，诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案，如多载波(MC)-WCDMA，MC-TD-SCDMA，正交频分多址接入(OFDMA)，交织频分复用(IFDMA)和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用(DFT-S OFDM)。OFDMA已成为下行链路的主流多址方案，并且是上行链路的热门候选方案，其中，北电公司的方案支持频分双工(FDD)方式，信息产业部电信传输研究所的方案支持时分双工(TDD)方式。 由于正交频分复用(OFDM) 能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰落，可以获得很高的频谱利用率，OFDM非常适用于无线宽带信道下的高速传输。通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA提供了天然的多址方式。由于用户间信道衰落的独立性，可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能，达到服务质量(QoS)要求。然而，为了降低成本，在用户设备(UE)端通常使用低成本的功率放大器，OFDM中较高的PAPR将降低UE的功率利用率，降低上行链路的覆盖能力。由于单载波频分复用(SC-FDMA)具有的较低的PAPR，它被提议成为候选的多址方案。 目前，OFDMA已被广泛研究，并已成为3GPP LTE的下行链路的主流多址方案。然而，在上行链路的研究中，尽管SC-FDMA成为主流的多址方式，但OFDM和SC-FDMA之间的比较大多从PAPR的角度进行，而没有考虑两者的链路性能，更没有充分地考虑PAPR和性能的折衷。 OFDMA技术与OFDM技术相比，每个用户可以选择信道条件较好的子信道进行数据传输，而不像OFDM技术在整个频带内发送，从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用，获得了频率上的多用户分集增益。在OFDMA中，一组用户可以同时接入到某一信道。 目前是用OFDMA的无线通信技术有：IEEE 802.16。3、OFDMA的发展现状：近几年来，在新一代宽带无线通信系统中，OFDM（正交频分复用）技术已经取代单载波扩频技术（如CDMA），成为主流的基本发送技术。较早采用OFDM技术的包括DAB（数字广播）和DVB（数字电视）。随后，宽带无线接入系统IEEE 802.11g/a/n、802.16d/e、802.20（标准正在制定当中）也以OFDM/OFDMA技术为基础。另外，目前正在标准化的3GPP LTE（长期演进）和3GPP2 AIE（空中接口演进）技术也很可能选用OFDM及其改进型（下行OFDM、上行DFT-S-OFDM）作为基本多址技术。连近距离通信UWB技术的两个备选方案之一也采用了MB（多载波）-OFDM。预计未来的B3G技术也将基于OFDM。总之，目前无线通信领域所有的新兴技术几乎都以OFDM为核心OFDM的概念于20世纪5060年底提出，1970年OFDM的专利被发表，其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法来并行传送数据。OFDM早期的应用有AN/GSC_10高频可变速率数传调制解调器等。 早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，系统复杂且昂贵。1972年Weinstein和Ebert提出了使用离散傅立叶变换实现OFDM系统中的全部调制和调解功能的建议，简化了振荡器阵列以及相关接收机本地载波之间严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化方案做了理论上的准备。80年代后，OFDM的调整技术再一次成为研究热点。例如，在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调整技术，试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM.进入90年代，OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信，陆地移动通信，高速数字用户环路（HDSL），非对称数字用户环路（ADSL）及高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。由于技术的可实现性，在二十世纪90年代，OFDM广泛用干各种数字传输和通信中，如移动无线FM信道，高比特率数字用户线系统(HDSL)，不对称数字用户线系统(ADSL)，甚高比特率数字用户线系统HDSI，数字音频广播(DAB)系统，数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统。1999年，IEEE802.lla通过了一个SGHz的无线局域网标准，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线ATM接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信组织(ETsl)的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。2001年，IEEE802.16通过了无线城域网标准，该标准根据使用频段的不同，具体可分为视距和非视距两种。其中，使用2一11GHz许可和免许可频段，由于在该频段波长较长，适合非视距传播，此时系统会存在较强的多径效应，而在免许可频段还存在干扰问题，所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制，多址方式为OFDMA。而后，IEEE802.16的标准每年都在发展，2006年2月，IEEE802.16e(移动宽带无线城域网接入空中接口标准)形成了最终的出版物。当然，采用的调制方式仍然是OFDM。2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为LongTermEvolution(LTE)即“3G长期演进”的立项工作。项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM，上行SC(单载波关FDMA。OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，一些则认为可以通过滤波，削峰等方法限制峰均比。不过，经过讨论后，最后上行还是采用了SC一FDMA方式。拥有我国自主知识产权的3G标准一一TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD一CDM一OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目标，并希望在2010年予以实现。B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达IGb/S的下行数据传输速率。而OFDM技术也将扮演重要的角色。4、OFDMA的原理：OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交分频多工存取）无线通讯系统的标准，是一个多重接取的技术，WiMax，LTE都采用OFDMA。 OFDMA是OFDM技术的演进，用户可以选择信道条件较好的子通（subchannel）进行数据传输，一组用户可以同时接入到某一信道。OFDMA与CDMA不同处在于OFDMA使用大量的正交窄带子载波（subcarrier）来承载资料，与CDMA单一载波所承载单一资料比起来，OFDMA更能对抗多径效应。OFDMA技术也可以被描述为一种结合频域和时域多路存取，时域的资源分割的时频空间，插槽分配系由OFDM符号沿指数以及OFDM系统子载波指数（sub-carrier index）。OFDMA技术被认为是非常适合宽带无线网络，这些优势包括可扩展性和MIMO的方便，并有能力利用通道的频率选择性。4、1 符号同步OFDM 符号在接收端存在两个不确定因素2，一是符号到达时间的不确定性，二是载波相位频率偏移的不确定性。第一个不确定因素可以用信道响应的延迟表示，即(k) 是未知符号到达时间的整数值。第二个不确定因素可以表示成加在时域信号的复乘积项：ej2kN， 表示对子载波间隔进行归一的载波频偏。所有的子载波经历了相同的偏移。加上高斯信道，接收到的信号可成：r(k)=s(k)ej2kN+n(k) 由于Eureka-147DAB 中用的是DQPSK 调制，可以不考虑相位噪声。s(k)的实部虚部相互独立。若没有保护间隔，当OFDM 符号点数足够大时，IFFT 后符号每个样点服从独立同分布的高斯过程。当加入保护间隔后，r(k)不再是复高斯过程，由于它特殊的概率结构，我们可以得到符号定时偏移 和频率偏移。利用最大似然估计算法可以得到：(，)=|()|cos(2+()() (m)=m+L-1k =m r(k)r*(k+N)其中SNR 为信噪比，定义为：为取相角， 为r(k)和r(k+N)的相关系数，() 为能量项，独立于频率偏移，对数似然函数的贡献为负，这一项与信噪比有关。由于ML 算法在多径条件下的性能没有在高斯信道下的理想，因此，ML 方法不再取相关的最大值位置，而是取达到门限的第一个位置作为符号的起始位置。这样做虽然有一些估计误差，但是只要估计到保护间隔内，且各符号间隔波动不大，在FFT 后均可以被矫正。图1 为ML 联合估计的各符号定时间隔和用门限法估计的各符号定时间隔的比较，仿真条件为SNR=15dB，一个OFDM 符号由256 个数据，63 个保护间隔采样点组成。 从仿真图中可以看出门限法估计的效果相对比较稳定，各符号定时间隔抖动比较小。虽然估计到的位置和实际位置相差比较大，但是这种方法可以将符号位置估计到保护间隔内，只引入了相位偏转，不会引入ISI。5、 OFDMA系统的关键性技术：5、1 同步技术由于OFDMA得各子载波的解调是通过FFT变换来实现的，为避免解调时FFT窗的起始位置落入相邻符号内，FFT的时间窗必须对准符号起始位置。所以，OFDMA的对同步非常敏感，精确的同步是保证子载波正交性的前提。它主要从两方面考虑，符号定时和频率偏移估计。符号定时的误差会带来接收的OFDMA符号之间的符号间干扰（ISI），尤其是当定时误差不断随时间积累，OFDMA的ISI将更加严重。用户站（SS）解调会出现严重的误码。频率偏移是由SS接收机频率和基站（BS）发射频率之间的偏差造成的，这种偏差使得SS接收的OFDMA符号在时域产生相位旋转，如果不能估计和校正频偏，SS在后面的数据解调也会出现较大的误码，使得SS接收机的性能下降。通常SS和BS进行正常通信之前SS需要通过检测前导码来获得同步参数。前导码被调制在下行子帧的第一个符号上共有96个且相互正交。签到检测就是要找出下行子帧的第一个符号上调制的哪一条前导码（96条码之一）。这有两个作用，一是检测到前导用作后面解子信道化的输入参数ID-cell（小区识别号），二是通过前导检测实现SS下行链路符号同步，以及进一步的频偏估计。以往经典而常用的OFDM同步算法有较好的估计符号定时和频偏，但它不能同时进行下行链路前导码的检测，使得在SS接收机的适用性降低。基于802.16e SS接收机前导检测和符号同步的算法：该算法提出为SS接收机数据解调提供了重要的解调参数和符号同步，它利用前导子载波的正交性特点，先检测segment-num，这使得后面的ID-Cell检测运算量大大减少，并且提高了前导检测和符号同步的精度，在实际应用中便于软件实现。5、2 信道估计在OFDMA系统中，信道估计器的设计主要有两个问题：一是导频的设计。由于无线信道是衰落信道，需要不断对信道进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送，这使得导频的设计显得尤为重要。二是复杂度较低和导频跟踪能力良好的信道估计算法的设计。在实际设计中，导频的选择和估计算法的设计通常又是相互关联的，因为信道估计的性能和导频信息的传输方式有关。5、3 降低峰值平均功率比（PAPR）由于OFDMA信号在时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值相加时，OFDMA信号将产生最大峰值，该峰值功率相比平均功率会很高。尽管峰值功率出现的概率较低，但为了尽量不失真地传输这些高PAPR的OFDMA信号，发送端对功率放大器（HPA）的线性要求很高，从而导致发送效率极低，接收端对前端放大器及A/D变换器的线性度要求也很高。因此，高的PAPR使得OFDMA系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。为了解决这一问题，人们提出了基于信号即便技术、信号扰码技术和基于信号空间扩展等一系列技术降低OFDMA系统PAPR的方法。5、4 动态链路分配由于OFDMA是通过给不同的用户分配不同的子载波来实现多只，所以可根据各子载波的信号质量灵活分配用户信道，避开条件不好的信道，提高信号传输质量。动态分配主要包括功率分配、频率分配、比特分配等问题。5、5 小结总而言之，在整个OFDMA系统中，同步技术是整个接收处理的关键，后续的所有接收处理过程能否正常工作直接取决于同步过程的性能。尽管WiMAX技术在这两年得到了飞速发展，并且也有了一定的商用场合，但实际上大部分研究都是针对IEEE802.16a和IEEE802.16d标准的，这两个标准仅仅支持固定接入，而移动接入比固定接入要复杂得多，因为信道中不仅会产生多径衰落，而且还会产生多普勒频移。真正支持移动接入的IEEE802.16e标准其物理层包含OFDM、OFDMA两种接口，目前对OFDM同步的研究已经非常充分，技术相对成熟。OFDMA下行链路类似OFDM的广播方案，对各种同步技术的研究也相对成熟，但针对具体的协议，系统的整个同步方案进行的研究比较少；OFDMA的上行链路比OFDM以及OFDMA德下行链路要复杂的多，因为它包含多个用户的同时接入，因此，对OFDMA同步技术的研究显得十分重要。6、OFDMA系统的各种优缺点：正交频分多址接入技术是一种基于OFDM的多哟过户复用和接入技术。OFDMA子载波间保持正交性，有一定的重叠，提高了频谱的利用率。对于OFDM系统，常用的服用方式为OFDM-TDMA，即对于每个时隙，OFDM系统将所有的子载波都分配给一个用户使用，而各用户仅仅是通过时隙分配来实现数据传输；而对于OFDMA系统，所有的子载波被实现划分为多个子信道，每个子信道有若干个子载波组成，系统可以从自信道和时隙两个维度来分配资源，因此资源分配的单位较OFDM-TDMA小很多，且灵活性有了很大的提高。并且OFDMA可以向多个用户灵活分配子载波，根据信道状况调整系统资源的分配，因此它更适合在频率选择性的移动衰落信道使用。WiMAX802.16e系统采用的多址技术就是OFDMA，OFDMA在OFDM的基础上采用多个子载波（sub-carrier）捆绑为1个子信道（sub-channel）的方法，可以使无线频谱资源得到灵活使用。6、1 优点OFDM技术之所以有代替CDMA，成为新一代无线通信核心技术的趋势，是因为它具有如下的优点:（1） 频谱效率高由于FFT处理使各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。以OFDM为基础的多址技术OFDMA（正交频分多址）可以实现小区内各用户之间的正交性，从而有效避免用户间干扰。这使OFDM系统可以实现很高的小区容量。（2） 带宽扩展性强由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。小到几百KHz，大到几百MHz，都比较容易实现。尤其是随着移动通信宽带化（将由5MHz增加到最大20MHz以上），OFDM系统对大带宽的有效支持，成为其相对于单载波技术（如CDMA）的“决定性优势”。（3） 抗多径衰落由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。相反，单载波信号的多径均衡的复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽（如20MHz以上）。（4） 频谱资源灵活分配OFDM系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。（5） 实现MIMO技术较简单由于每个OFDM子载波内的信道可看作水平衰落信道，多天线（MIMO）系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平（随天线数量呈线性增加）。相反，单载波MIMO系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO技术的应用。6、2 缺陷尽管OFDMA在其实现过程中进展良好，但是它也有一些缺陷，这些缺陷有如下几方面： 1 OFDMA电子部分，包括FFT和前向纠错(FEC)是复杂的。与结合了数据包调度的OFDM相比，它也有功率不足的弱点。 2 由于OFDM信号是由多个调制后的子载波信号的线性叠加，因此可能会造成比平均信号准位高的瞬间尖峰信号，进而产生高峰值对均值功率比效应；如果被分配到每个用户的副载波很少，或者如果相同的载波被用于每个OFDM符号中，频率选择性衰落和分集增益的优势可能至少有部分损失。 3 处理来自邻近单元的同信道干扰时，OFDM要比CDMA更复杂。4. 对子载波的频偏敏感，OFDM必须保证子载波之间的正交性，对频偏非常敏感。5、由于传送端及接收端的取样速率不一样，会造成取样点的误差，会造成幅度失真，相位飘移(phase shift),ICI等影响。 6、传送接收端的相对运动的督普勒效应也会造成相位carrier phase offset，在产生高频载波时由于都会有起始相位，所以很难用人为因素使传送端高频载波和接收端载波完全同步。 7、phase offset传送升频及接收端降频载波的频率不同步，会造成carrier frequency offset。传送及接收端的相对运动所产生的doppler shift也会产生CFO。7、 OFDMA系统的改进：7、1 PAPR问题当独立调制的很多子载波连贯在一起使用时，OFDM符号就有非常高的峰平比（PAPR）。高的PAPR带来了诸多不利因素，如增加模数转换和数模转换的复杂度、降低RF功率放大器的效率，增加发射机功放的成本和耗电量，不利于在上行链路实现（终端成本和耗电量受到限制）。为了降低OFDM的PAPR，目前已经提出了好几种技术，它们大体上分为三类: 信号预失真技术 编码技术 加扰技术7、2 均衡和同步OFDM调制的一个主要缺点是受同步误差的影响较大，尤其是对载波频率同步误差很敏感。时间偏移会导致OFDM子载波的相位偏移，尤其在频带边缘相位偏移最大。但由于OFDM系统使用了CP，对时间同步要求在一定程度上可以放松。假如同步误差和多径扩展造成的时间误差小于CP，系统就能维持子载波间的正交性。然而，如果时间偏移大于CP，就会导致载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）。在有些环境下，OFDM符号的CP太短而不能完全避免ISI。CP的长度是由所要求的系统容量、信道相关时间和FFT复杂度（限制着OFDM符号周期）共同确定的，使用短的CP，允许有限的ISI，有利于实现更高的系统容量。虽然插入CP降低了OFDM对时间同步精度的要求，但由于子载波宽度较小，对频偏较敏感，所以OFDM系统需要保持严格的频率同步，以确保子载波之间的正交性。 OFDM接收机可以对OFDM子载波经过平坦性衰落信道后的失真进行补偿，从而抑制ISI和ICI。这个操作可以在每个子载波进行FFT后设置单抽头的均衡器来实现，也即在频域进行均衡。均衡是进行信道补偿、抑制ICI和ISI的有效方法。只要信道时延扩展小于OFDM符号保护间隔，系统就可以使用简单的均衡抑制ISI，而防止性能下降。然而在进行高数据率传输和信道时延扩展较大时，必须使用更复杂的判决反馈均衡器（DFE）。7、3 参数的设计从上面对OFDM系统的讨论我们可以总结出，一个好的系统设计必须可以避免ISI和ICI，或者至少将他们抑制到可接受的程度。也就是说，要选择一个足够的CP以防止由频率选择性衰落而引起的ISI和ICI，同时要选择适当的OFDM符号长度，使信道冲激响应（CIR）至少在一个OFDM符号期间是不变的。由于OFDM系统对频偏和相位噪声敏感，因此OFDM子载波宽度必须仔细选定，既不能太大也不能太小。因为OFDM符号周期和子载波带宽成反比，所以在一定的CP长度下，子载波宽度越小，则符号周期越大，频谱效率也越高（因为每个OFDM符号前都要插入一个CP，CP是系统开销，不传输有效数据）。但如果子载波宽度过小，则对频偏过于敏感，难以支持高速移动的终端。 CP长度的选择与无线信道的时延扩展和小区的半径大小息息相关，时延扩展和小区半径越大，需要的CP也越长。另外，在宏分集（Macrodiversity）广播系统中，由于终端收到各基站同时发出的信号，为了避免由于传输延迟差造成的干扰，需要额外加长CP。 优化设计对OFDM系统来说是非常重要的，实际系统需要处理各种不同的环境（信道参数不同）。一个解决问题的办法是根据最差的情况（宏小区高速移动用户）优化参数，另一个可选的方法是根据各种不同的环境（室内、室外、宏小区、微小区、微微小区等）优化参数，但这就需要设计高度灵活的收发信。7、4 信道估计和导频设计 OFDM系统的信道估计，从某种意义上讲，比单载波复杂。需要考虑在获得较高性能的同时尽可能减小开销。因此导频插入的方式（时分复用还是频分复用）及导频的密度都需要认真考虑。导频插入的方式如图2所方式（a）: TDM插入方式。导频在所有子载波上发送，时域的最小单元是一个包含导频信息的OFDM符号，系统每隔若干个数据符号传送一个导频符号。这种插入方式适用于时域变化小的信道，如室内环境。方式（b）: FDM插入方式。导频信息在时域上持续发送，在频域上只占用少数特定的预留子载波，每隔若干子载波发送一个导频子载波。这种插入方式对移动性的支持较好，但需要在频域上进行内插（interpolation）。方式（c）: 离散（Scattered）插入方式。这种插入方式是FDM和TDM方式的结合。在频域上，每隔若干子载波插入一个导频子载波。在时域上，每隔若干个符号插入一个导频符号。这种插入方式可以充分利用频域和时域上的相关性，用尽可能小的导频开销，支持高精度的信道估计，但这种方法需要同时在频域和时域上做内插。不同的导频插入方式适用于不同的用途（如同步、相位噪声补偿、信道估计等），例如，采用专用的导频子载波（即FDM插入方式）适合用于相位补偿和载频的微调; 采用专用的导频符号（即TDM插入方式）适合用于信道估计和时域/频域的粗同步; 而离散的导频插入可同时用于信道估计和载频偏移的微调，从而有效地减少导频的开销。具体采用哪种插入方式，还要根据系统的实际需求选择。7、5 链路自适应由于可以在频域划分空口资源，AMC（自适应调制和编码）和功率控制技术在OFDM系统中更容易使用。系统可以对某个子载波或子载波组独立做AMC和功控，不同的子载波（组）可以采用不同的调制编码速率和发射功率，大大增加AMC和功控的灵活性。 另外可以根据信道的频率响应进行频域调度，选用信道质量较高的子载波（组）进行传输。链路自适应如果设计的好，可以最大限度地实现OFDM系统的容量。7、6 控制信息的分布如何在时域和频域插入控制信道，还是比较自由的。图3给出了一种控制信道插入方式。由于控制信息通常以最低的调制阶数进行调制，因此控制信息还可以作为额外的导频符号来提高信道估计的性能，并降低导频的开销。尤其是对高阶调制的数据的解调可以起到较大的辅助作用。不过这样一来，控制信息的位置必须与导频位置相对应，如果采用分散的导频插入方式，控制信道也应采用分散的插入方式。另外，这种方法要求先解调/解码控制信道，再开始数据的解调，因此增加了额外的处理时延。7、7 上行同步在上行OFDM系统中，由于要保持各用户之间的正交性，需要使多个用户的信号在基站“同步接收”，即各用户的信号需要同时到达基站，误差在CP之内。由于各用户距基站的距离不同，需要对各终端的发射时钟进行调整，距离较远的终端较早发送，距离较近的终端较晚发送，这种操作称为“上行同步”或“时钟控制”（Timing Control）。7、8 多小区多址和干扰抑制OFDM系统虽然保证了小区内用户间的正交性，但无法实现自然的小区间多址（CDMA则很容易实现）。如果不采取任何额外设计，系统将面临严重的小区间干扰（某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难）。可能的解决方案包括: 跳频OFDMA、加扰、小区间频域协调、干扰消除等。7、9 OFDM技术的具体实现随着OFDM技术的发展，也出现了一系列改进的OFDM技术，以解决OFDM本身的一些问题。下面我们对最主要的几个技术进行介绍。首先，OFDM本身不具有多址能力，需要和其他的多址技术，如TDMA、CDMA、FDMA等结合实现多址，包括OFDMA（正交频分复用）、MC（多载波）-CDMA、MC-DS（直接序列扩频）-CDMA、VSF-OFCDM（可变扩频因子正交频码分复用）等技术。DFT-S-OFDM（离散傅丽叶变换扩展OFDM）是一种为降低PAPR设计的OFDM改进技术。7、10 子信道OFDMA 将OFDM和FDMA技术结合形成的OFDMA技术是最常见的OFDM多址技术，又分为子信道（Subchannel）OFDMA和跳频OFDMA。子信道OFDMA即将整个OFDM系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户（也可以一个用户占用多个子信道）。 OFDM子载波可以按两种方式组合成子信道: 集中式（Locolized）和分布式（Distributed），如图4所示。集中式即将若干连续子载波分配给一个子信道（用户），这种方式下系统可以通过频域调度（scheduling）选择较优的子信道（用户）进行传输，从而获得多用户分集增益（图4（a）。另外，集中方式也可以降低信道估计的难度。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。分布式系统将分配给一个子信道的子载波分散到整个带宽，各子载波的子载波交替排列，从而获得频率分集增益（图4（b）。但这种方式下信道估计较为复杂，也无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。设计中应根据实际情况在上述两种方式中灵活进行选择。7、11跳频OFDMA子信道OFDMA对子信道（用户）的子载波分配相对固定，即某个用户在相当长的时长内使用指定的子载波组（这个时长由频域调度的周期而定）。这种OFDMA系统足以实现小区内的多址，但实现小区间多址却有一定的问题。因为如果各小区根据本小区的信道变化情况进行调度，各小区使用的子载波资源难免冲突，随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰，则需要在相邻小区间进行协调（联合调度），但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持，对网络结构的影响较大。 另一种选择就是采用跳频OFDMA。在这种系统中，分配给一个用户的子载波资源快速变化，每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，各用户选用不同的子载波组（如图5所示）。与基于频域调度的子信道化不同，这种子载波的选择通常不依赖信道条件而定，而是随机抽取。在下一个时隙，无论信道是否发生变化，各用户都跳到另一组子载波发送，但用户使用的子载波仍不冲突。跳频的周期可能比子信道OFDMA的调度周期短的多，最短可为OFDM符号长度。这样，在小区内部，各用户仍然正交，并可利用频域分集增益。在小区之间不需进行协调，使用的子载波可能冲突，但快速跳频机制可以将这些干扰在时域和频域分散开来，即可将干扰白化为噪声，大大降低干扰的危害。随着各小区的负载的加重，冲突的子载波越来越多，这种“干扰噪声”也会积累，使信噪比降低，但在负载不是很重的系统中，跳频OFDMA可以简单而有效地抑制小区间干扰。8、仿真及其分析 为了仿真的简单化，我们在介绍时只针对多用户中一个用户的信息进行处理，为了使问题更简便化，我们采取一个用户信息中一帧信息的处理。（1） 先产生一帧信息，作为要处理的原始信号 sourse=randint(1,16,2); plot（sourse）; 原始码元信息（一帧）（2）将原始码元信息进行编码，以形成适合信道传输的码元 skin=2*sourse-1; plot（skin）; 信息编码之后的信息（3）将编码之后的信息进行QPSK映射，将其变换成幅频域信息 映射之后的星座图（4）进行调制，之后对调制信号进行串并转换（5）把并行信号加到不同频率的子载波上，之后进行IFFT变换 选取其中五个子载波的时域波形，以保证他们之间的正交关系子载波的频域图形（6）对变换后的信息叠加，形成一个OFDM符号信息一帧数据得到的一个OFDM信号（7）对一个OFDM符号信息进行处理，就可以进入信道传输了。9、总结整个OFDMA信息传输的流程大致如以上论文所述，本文主要研究了基于IEEE802.16e的OFDMA技术。本文讲述了以下内容：1、通过通信技术OFDMA的发展历史开始，让我们对OFDMA的发