正交频分复用技术技术在LongTermEvolution系统中的应用修改初副本

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16黄山学院本科毕业论文正文目 录目录摘要4

2、Abstract:51 引言62 LTE系统简介63 OFDM的特性83.1 OFDM技术83.2 OFDM与以往多址技术的区别83.3 OFDM的基本原理及应用104 OFDM技术的优缺点及发展124.1 无线信道衰落特征124.2 OFDM技术的优点124.3 OFDM技术存在的问题134.4 OFDM技术的发展13参考文献15致 谢16正交频分复用技术在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：长期演进(Long Term Evolution , LTE)系统是1第三代合作伙伴计划(the 3rd

3、Generation Partnership Project, 3GPP) 商讨出的3G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系统具有很多的优点，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，这就不可避免地会使得信号在传播的过程中降低信号质量。在LTE这个新一代的通信系统中引进的正交频分复用 (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，使其能够成为的核心技术并应用到LTE系统。本文大致介绍了LTE系统

4、的构成部分，然后主要阐述和分析了OFDM系统的基本原理、优缺点及其发展等。关键词：LTE； OFDM；通信系统 Application of Orthogonal Frequency Division Multiplexing technology in Long Term Evolution systemAbstract: The 3rd Generation Partnership Project mention Long Term Evolution system is the evolution of 3G technology, to 4G transition at present

5、, advantages of the LTE signal has covered most of the city area of the.LTE system, such as safety and reliability, high transmission rate and make it become the communication system a new generation of the wireless channel. With complex features, making the signal in the dissemination process, will

6、 inevitably reduce the signal quality. Orthogonal frequency division multiplexing technology in LTE (Orthogonal Frequency Division Multiplexing introduction, OFDM) technology has the advantages of high spectrum efficiency, anti multipath interference and frequency selective fading ability so, make i

7、t become the core technology of the LTE system. This paper introduces the structure of LTE system, mainly elaborates and analyzes the basic principle of OFDM system and its advantages and disadvantages. Development and so on.Key words: LTE; OFDM; communication 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

8、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，而LTE系统能够很好地弥补传统通信技术的不足。LTE系统是3G向4G一个过渡的阶段，不过因为现实的组网和用户终端能力等条件的限制，在大多数测试的过程中下载速率最大可达到100Mbps，上传速率最大能够达到50Mbps。与传统的无线通信技术在数据传输方面比起来，能够较好地满足用户对于速率高、延迟短的需求。而且，LTE系统还能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。在目前所有的通信系统中频谱利用效率最高就是在新一代LTE通信系统中引入的OFDM

9、技术。它能够将数字调制、多载波传输等一些技术有机的融合在一起。这就使得OFDM技术在长期演进通信系统中不单单有很高频谱利用率，还在功率利用率等方面综合起来与传统的多址技术相比较有了很大的改善，并能够很好地为用户提供良好的服务。OFDM技术是可以支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。2 LTE系统简介 LTE是由第三代合作伙伴计划 (The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)组织并统一制定的通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System, UMTS）技术标准的长期演进，也就是我们

10、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(Multiple-Input Multiple-Output)技术、高阶调制、混合自动重传（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据传输的时间。 LTE系统中使用的双工技术既能够支持以时间分开的时分双工（Time Division Duplexing，TDD）技术又能够支持以频率分开的频分双工（Frequency Divi

11、sion Duplexing，FDD）技术。这里面所提到的双工技术，就是指两台通讯设备之间，允许有双向的资料传输。另一方面，LTE系统也能够支持不同频谱带宽的分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，因而频谱分配更加灵活，使得小区用户容量和信号的覆盖范围也得到了大幅度的增长。为了缩短系统的时间延迟，降低系统维护的成本和网络结构的布置，LTE系统的网络结构设计比起传统的网络结构管理起来更加省时，更加方便，网络的节点和系统的复杂度也被大大的缩减了，一个LTE系统只有三个组成部分。如图1-1所示，UE（User Equipment）表示用户；eNB指的是小区基站；

12、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2-1 LTE系统架构3 OFDM的特性3.1 OFDM技术 OFDM（正交频分复用）技术就是把一个信道分成多个不存在干扰的子信道，调制到每个子信道上的低速子数据流是通过快速的数据流变换而来的。并且在接收端通过相关技术将正交的信号分离开来，从而能够减少子信道与子信道之间

13、的相互干扰。由于每一个子信道的频率带宽都很窄，那么就会使信号的每一次衰落变得非常缓慢，这样的结果就会使信道均衡就会变得相对容易。3.2 OFDM与以往多址技术的区别频分多址的定义是把频率分成若干个大小不同的频段，每个用户通过使用不同的频率来实现用户与用户之间不存在干扰，在接收端利用带通滤波器提取出不同用户的用户的信号信息，用户与用户所使用的频率之间存在有一小段的频带用来保护不同频率信道得到重叠。图3-1 频分多址技术原理图TDMA是GSM系统的典型特性，对时分多址的定义基本上就是：把时间轴分成若干大小不一的帧，然后再把每个帧分成若干个时隙，这样可以实现时隙或子帧在时间域上的正交，并为每个用户分

14、配不同的时隙或子帧，最后利用时隙开关，在接受端接受各自的信号。图3-2 时分多址技术原理图码分多址技术是原先在扩频技术基础上发展而来，码分多址应用到通信系统中就是我们平时用到“3G”网络，简单来说就是需要传送一定带宽的数据信息，然后再用一个大于信号带宽的数据流进行调制。这样的话，原来带有数据的带宽就会增大，然后通过进一步的调制发出。在接收的一端使用和上面所说的大的信号带宽完全相同的数据流，与接收的带宽信号一起处理，这样就能够把宽带数据换成原信息数据的窄带数据，以完成信息通信的要求。图3-3 码分多址技术原理图OFDM就是在FDM的基础上发展的一个频分复用的系统。传统的频分多址技术是将宽度较大的

15、频带划分成若干个频带较窄的子载波，为了各个子载波之间不存在干扰就在相邻的子载波之间选择留取一定的间隔，从而使每个用户得频率带宽都具有正交性。正交频分复用技术为了保持各个子载波的正交性使子载波重叠排列，这样就会避免子载波与子载波间的相互干扰。另一方面重叠排列的子载波可以进一步提高频谱的利用效率。图3-4 正交频分复用技术原理图总体来说，FDMA频谱利用率低，信令干扰语音业务；TDMA系统容量有限，切换性能不完善；3.3 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。因为各个相邻的子载波可以允许相互重叠，而且利用傅里

16、叶变换又实现了相邻子载波间的互相正交，从而使子载波能够重叠又能够保证子载波之间不存在干扰抑制。所以若干路信号可以在相同的无线链路中一起传送并且不会产生互相干扰，总体的数据传输速率就可以有很大幅度的提高。如图2-1所示表示的是正交频分复用的频谱图。图3-5 OFDM频谱示意图传统频分多址的多载波调制和OFDM的调制是存在一定区别的，传统频分多址的多载波与多载波之间是存在一定的间隙，这是就可以避免相邻多载波之间发生相互干扰，而OFDM的子载波则是可以重叠在一起的；显而易见，最大的一个好处就是节省了带宽。如下图是表示传统FDM的频谱图。图3-6 FDM频谱示意图由以上可知，OFDM的频谱利用效率更高

17、。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，这样是为了频率不会快速衰落。下图是二者频谱图的比较。图3-6 FDM和OFDM频谱图的比较对于OFDM来说，如何保证各个子载波之间不会出现干扰是最不容易解决的问题，目前利用快速傅里叶变换 (Inverse Fast Fourier Transform，FFT/IFFT) 就是最简单有效的方法。这样就可以使OFDM正交的子载波实现调制和解调。下图表示的是OFDM基带传输系统。图3-7 OFDM基带传输系统OFDM的每个载波可以根据自身情况能够选择合适的调制方法。各个载波选择不同的调制方式是根据信道状况的不同，比如BPSK、QPS

18、K等低阶调制以及16QAM、64QAM等高阶调制方法。频谱效率和后面的6QAM、64QAM这两两种相比前两个的调制方式是很低的。OFDM技术能够根据信道条件的好坏来自适应选择不同的调制方式。比方说当用户距离小区基站很近的时候就会比距离小区基站稍远距离的信号强，可以选择调制的方式就由BPSK转化成16QAM或64QAM，频谱在整个系统中就会得到很大程度的利用。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使信号的质量减弱或降低。这些存在发射机和接收机之间的任何介质包括传播路径、阻挡物等自然因素都会影响信号的强度、功率等参数。当接收机在基站覆盖

19、范围内的某一位置时，它在该位置附近接收到的信号功率将受到以下几种效应的影响：（1）阴影效应：由于受到建筑物、树木及山地等自然条件的阻挡，所以在无线电波传播的过程中，不可避免的会降低无线信号的质量。（2）远近效应：在离基站不同距离的设备当以相同的功率发射信号时，距离基站近的设备接收到的信号就会比而距离基站远的信号强，弱的话信号就会容易中断，导致数据传输或语音通话失败。（3）多径效应：接收机接收到的信号可能来自于无线信号在传播的的环境中传播而来的直射波、反射波、绕射波等多种路径。这几种信号到达接收机的时间、相位可能有所不同，当接收端接收了多个分量，信号的幅度在很短时间内会快速发生变化，产生衰落，称

20、为多径衰落。（4）多普勒频移：移动台处于高速移动时，会使接收到的信号的频率发生偏移。4.2 OFDM技术的优点 OFDM技术之所以能够在新一代的通信系统中受到很大的关注，是因为其本身就具有很多优点：（1）频谱利用率高，各个子载波可以允许部分重叠。这样就能够可以避免用户间的干扰，增加小区的用户量。（2）抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，实验表明多径干扰在带宽增加到5MHz以上变得相当严重，OFDM技术将大的带宽分解成若干个窄带进行传输，每个子载波上可以看做成一个平坦型的衰落信道。（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方式，而多载波系统可以将一整个频带分成很多个

21、带宽很小频带然后根据每个子频带的条件选择合适的调制和编码方式，这样就能够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，频率衰落的信道中初始化地址消息和符号间干扰是掺杂在一起不容易分不开的，这就给MIMO接收和信道均衡分开处理无形中增添了难度，然而采用混合处理的接收机复杂度又比较高，很难分开这两种数据。OFDM使得信道衰落是平坦的，极大地降低了接收机实现的难题使MIMO技术进一步的升级。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,

22、等于波形的振幅除以均方根所得到的一个比值。降低PAPR的有效方法：下行技术使用性能比较高的功率放大器，上行技术采用单载波频分多址（SC-FDMA）技术来降低峰均比。(2) OFDM同步问题：同步技术在OFDM技术中是需要能够保证用户与用户、用户与控制面间正常业务往来的必要条件；时间、频率、相位都会影响OFDM的同步，其中对系统影响最大的是频率同步。为了让频率的偏差达到最小化，我们可以采用循环前缀的方法去实现。首先我们在时间域内剪切掉OFDM符号的后面部分，接着我们把剪切掉的部分放到该符号的前面，这样就可以达到一个循环前缀的目的了。4.4 OFDM技术的发展OFDM并不是新兴技术。其实早在40年

23、前OFDM技术就开始发展并应用于军用的通信系统里面。早期OFDM系统没有迅速发展起来是由于结构复杂，使它在各领域的前期投资成本较大，是它的推广受到了限制。80年代前后，由于人们利用了离散傅里叶变换使OFDM技术开始走向实用化的阶段；同时对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用研究的较为深入。自从90年代以来，随着OFDM技术的研究和发展其应用到多个领域包括通信、航空航天、智能天线、广播电视等。参考文献1 冯建和.OFDM技术简介J.科技信息，2012.2 孙媛.4G通信系统关键技术初探J.电信工程技术与标准化，2004.3 陈玲玲.LTE关键技术原理及实际应用分析J.企业技术开发，2013.4 陈莉.移动通信改革的探讨J.陕西国防工业职业技术学院学报，2011.5 李从兵.正交频分复用系统的同步技术研究C.硕博学位论文，2006.6 王焉.基于信道探索的对流层单载波传输技术研究