正交频分复用技术技术在LongTermEvolution系统中的应用修改初(自动保存的)

1、本科毕业论文(2016届 ) 题 目： 正交频分复用技术在Long Term Evolution 系统中的应用 学 院： 信息工程学院 专 业： 光信息科与技术 学生姓名： 李鑫 学号： 21206081022 指导教师： 庞宛文 职称（学位）： 合作导师： 职称（学位）： 完成时间： 201 年 月 日 成 绩： 黄山学院教务处制学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：年 月 日14黄山学院本科毕业论文正文目 录目录摘要4

2、引言61 LTE系统简介62 OFDM的特性72.1 OFDM技术72.2 OFDM的基本原理83 OFDM技术的优缺点及发展103.1 无线信道衰落特征103.2 OFDM技术的优点113.3 OFDM技术存在的问题113.4 OFDM技术的发展12参考文献13正交频分复用技术技术在Long Term Evolution系统中的应用信息工程学院 12光信息专业 李鑫（21206081022）指导老师：庞宛文摘要：第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP) 长期演进(Long Term Evolution , LTE)系统是3

3、G向4G过渡的演进技术，目前，LTE信号已经覆盖全国大部分城市地区。LTE系统的优点，如安全可靠性、高速的传输速率等使其成为新一代的通信系统。由于无线信道具有复杂多变的特点，使得信号在传播的过程中，会不可避免地降低信号质量。在LTE引进的正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术具有频谱利用率高、抗多路径干扰与频率选择性衰落能力强等优点，使其成为LTE系统的核心技术。本文介绍了LTE系统的构架，主要阐述和分析了OFDM系统的基本原理、优缺点及其发展等。关键词：LTE； OFDM；3个以上关键词Application

4、of Orthogonal Frequency Division Multiplexing technology in Long Term Evolution system1 引言随着移动互联网和物联网的的快速发展，传统无线通信技术提供的业务带宽、传输速率显然不能满足人们对于提高上传下载速率的需求。另外，传统通信技术也不能保障用户信息的安全性，所以LTE技术应运而生。LTE系统是3G向4G过渡的演进技术由于实际组网以及终端能力的限制，一般认为下行峰值速率可达到100Mbps，上行峰值速率可达到50Mbps，相比传统无线通信而言，可以较好地满足用户对于高速率、低延迟的需求。不仅如此，LTE系统能

5、够支持灵活的频谱分配来满足各种复杂频谱情况的需求以及使手机终端的耗电控制在合理的范围内。OFDM技术是目前通信技术中频谱利用率最高的一种技术，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机的融合在一起，使得它在新一代的通信系统中的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性等方面综合起来与以往的多址技术如时分多址技术(Time Division Multiple Access,TDMA)、CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址技术)、FDMA(Frequency Division Multiple Access,频分多址技术)相比有很强的优越性。OFDM技术是支

6、持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。LTE和OFDM之间的关系Xx技术的所谓优点要解释具体2 LTE系统简介 LTE是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统）技术标准的长期演进，也就是我们俗称的“4G”。LTE作为新一代的通信系统，极大地改善了许多用户的手机上网环境。不仅如此，LTE还将成为普及大众的通信系统。为了满足更多用户的上网需求，LTE引入了OFDM技术、MIMO技术、高阶调制、混

7、合自动重传（HARQ）等较为先进的技术，显著的提高了用户信息的安全性、频谱利用率、数据传输速率以及极大的减少了控制面连接建立时间和用户面数传的时间。 LTE系统中使用的双工技术即可以支持TDD（Time Division Duplexing，时分双工）又支持FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）。所谓双工，就是指两台通讯设备之间，允许有双向的资料传输。而且，LTE支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。为了减少系统的

8、时延，降低网络部署和维护成本，LTE系统设计的网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统的复杂度。如图1-1所示，UE（User Equipment）表示用户；eNB指的是小区基站；MME是指移动设备管理，主要负责信令处理部分；uu是负责UE与eNB之间的连接；X2是利用光纤连接两个基站的，相当于两个基站的桥梁；S1是连接eNB和MME的接口。E-UTRAN主要由eNB构成，是LTE架构中的核心部分，负责无线资源管理、UE连接期间选择MME、寻呼消息和广播消息的调度和传输、IP数据包压缩和用户数据加密等。图1-1 LTE系统架构3 OFDM的特性3.1 OFDM技术 OFDM（正交频分复用

9、）技术是将信道分为若干个正交子信道，什么叫正交？查一下是不是偏振方向将高速数据信号转换成并行的低速子数据流调制到每个子信道进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。什么叫信道均衡，如何进入子信道3.2 OFDM的基本原理及应用OFDM是基于FDM发展而来，就是将大的频谱分为若干个小的子载波，采用多载波（称为子载波）来传送信息流。各相邻子载波相互重叠，相邻子载波互相正交（通过

10、傅里叶变换实现），从而使其重叠但不干扰，所以在相同的无线链路中，多路信号可以并行传送，整体速率可以增加至M倍。如图2-1所示表示的是正交频分复用的频谱图。图2-1 OFDM频谱示意图传统FDM多载波调制和OFDM是有一定区别的，传统的多载波是分开的，载波之间要有保护间隔，什么类型的信号？而OFDM则是重叠在一起的，最大的一个好处就是节省了带宽，同时OFDM是统一调度，而传统的FDM是子载波分别调度，效率是不一样的。如下图是表示传统FDM的频谱图。图2-2 FDM频谱示意图由此可见，OFDM相比于传统的FDM的频谱利用率更高，此外OFDM的子载波也不同于传统的子载波，OFDM的子载波非常小，小于

11、信道相干带宽，这样的好处是可以克服频率选择行衰落。下图是二者频谱图的比较。图2-3 FDM和OFDM频谱图的比较对于OFDM来说，最难的还是在于如何保证各个子载波间的正交，其重要的一点就是利用FFT/IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)。利用快速傅里叶变换使正交的子载波实现调制和解调也是OFDM系统中的一个优点。对于N点的IFFT运算，需要实施N2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）,可显著降低运算复杂度。OFDM基带传输系统如下图所示。图2-4 OFDM基带传输系统OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。

12、各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡（用函数图来表示）为原则。我们通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。无线多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多下降到还是下降了，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。OFDM技术使用了自适应调制，利

13、用什么来检测信道？根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK（频谱效率1bit/s/Hz）转化成16QAM64QAM（频谱效率46bit/s/Hz），整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。4 OFDM技术的优缺点及发展4.1 无线信道衰落特征无线信号在传播的过程中可能会受到各种因素的制约会使信号的质量减弱或降低。无线信道对信号的衰减作用使接收信号的功率减小，它由传播的路径长度、直达信号路径中的障碍情况决定，任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。当接收机处于空间某一位置时，它在该位置附近接收到的信号功率的本

14、地平均值(LocalMean)将受到以下几种效应的影响：（1）阴影效应：在无线电波传播的路径上受到建筑物及山地等自然条件的阻挡使无线信号的质量降低（2）远近效应：距离基站远近不同的移动台当以相同的功率发射信号时，距离基站近的移动台接收到的信号就强，而距离基站远的信号就会很弱，弱的信号就会容易产生信号中断。（3）多径效应：在无线信号传播的的环境中，接收机接收到的信号可能是由几种路径传播而来，包括直射波、反射波。绕射波等。几种信号到达时间、信号相位可能都不同，多个分量在接收端叠加，接收信号的幅度会发生快速变化，即产生衰落，称为多径衰落。（4）多普勒频移：移动台处于高速移动时，会导致接收到的信号的频

15、率发生偏移。4.2 OFDM技术的优点 举例说明OFDM技术之所以受到越来越多的关注，是因为其有很多独特的优点：（1）频谱利用率高，各子载波可以允许部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限中文是什么？极限对应什么情况。实现小区内各用户之间的正交性，避免用户间的干扰，取得很高的小区容量。（2）抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，单载波信号的多径均衡复杂度随着带宽的增大二级局增加，很难支持较大的带宽，实验数据显示多径干扰在系统带宽增加到5MHz以上变得相当严重，OFDM将带宽转化为窄带传输，每个子载波上可以看做平坦衰落信道。（3）频域调度和自适应：单载波系统，只能根据平均信噪比来选择相应的调制编码

16、方式，而多载波系统可以将整个频带分成若干个小频带分别进行自适应调制和编码方式的选择（AMC），这样可以更好地适应频率选择行衰落，获得更佳的性能。（4）实现MIMO技术较为简单，频率选择行衰落信道中初始化地址消息（IAI）和符号间干扰（ISI）混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡分开处理，采用混合处理的接收机复杂度比较高，OFDM使得信道衰落是平坦的，降低了接收机实现的难度。（5）基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。4.3 OFDM技术存在的问题虽然OFDM技术在LTE系统中有着不可替代的作用，但是依然存在着诸多的技

17、术难题需要克服和解决。（1）峰均比（PAPR）问题，峰均比是一种对波形的测量参数,等于波形的振幅除以有效值(RMS)所得到的一个比值。当独立调制的很多子载波连贯在一起使用时，OFDM符号就有很高的峰均比。当N个具有相同相位的信号叠加在一起时，峰值功率是平均功率的N倍。降低PAPR技术：下行使用高性能功放，上行采用单载波频分多址（SC-FDMA）以改善峰均比.(2) 同步问题：OFDM需要可靠的同步技术，包括时间、频率、相位同步，其中频率同步对系统的影响最大。移动无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，这会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，使子信道间的信号相互干扰。为了减

18、少频率偏差，可以采用循环前缀方法对频率进行估计，即通过在时域内把OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。（3）多小区多址和干扰抑制：OFDM系统虽然保证了小区内用户的正交性，但无法实现自然的小区间多址。如果不采取额外设计，将面临严重的小区间干扰。为了避免这些问题的发生，可能解决方案包括加扰、小区间频域协调、干扰消除、跳频等方法。发展的瓶颈在哪4.4 OFDM技术的发展OFDM这种技术是HPA联盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。其实，OFDM并不是如今发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。早期OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化