下一代无线网路关键技术研究OFDM原理和应用

毕业设计（论文）报告(地方学生)课题名称下一代无线网络关键技术研究——OFDM原理和应用学生姓名所在院、系（队）九系四队专业通信工程学号申请学位级别工学学士指导教师单位二系三教指导教师姓名技术职务讲师二〇〇九年五月课题名称课题名称下一代无线网络关键技术研究其他指导老师其他指导老师姓名、单位课题主要任务与要求：了解OFDM技术的发展过程及其基本概念；理解OFDM的工作原理，分析影响OFDM系统性能的因素；对OFDM系统所涉及的关键技术进行理论研究；简要分析OFDM技术在实际系统中的应用。提交学士论文一份备注系（或教研室）审批意见：签（章）年月日学院训练部审批意见：签（章）年月日信息工程大学毕业设计（论文）任务书(地方学生)课题名称下一代无线网络关键技术研究——OFDM原理和应用学生姓名王航所在院、系（队）九系四队专业通信工程学号20055401042申请学位级别工学学士指导教师单位二系三教指导教师姓名仵国锋技术职务讲师二〇〇九年五月下一代无线网络关键技术研究——OFDM原理和应用下一代无线网络关键技术研究——OFDM原理和应用下一代无线网络关键技术研究——OFDM原理和应用摘要正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波数字调制技术，虽然OFDM的概念已经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体业务的发展，它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。随着DSP芯片技术的发展，傅里叶变换/反变换、高速modem采用的64/128/256QAM技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。正交频分复用技术的应用已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。经过多年的发展，该技术已在广播式的音频和视频等许多领域得到广泛的应用。本文介绍了正交频分复用（OFDM）技术的原理及其在无线通信领域内的应用，全文共分五章。第一章简要介绍了移动通信的发展，无线信道的特性及OFDM的发展。第二章介绍OFDM技术的基本原理和特性。第三章叙述了OFDM系统中的几个关键问题，包括OFDM系统的同步，峰均比问题和信道估计。第四章简要介绍了OFDM系统的实际应用，其中包括OFDM在DAB和ADSL中的应用。最后第五章通过对未来移动通信系统（4G）与3G相比较，从而介绍了4G通信系统的优点、关键技术以及发展现状。关键字：正交频分复用，多载波调制，数字信号处理，第四代移动通信技术1IAbstractOrthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM)isadigitalmulti-carriermodulationtechnique.AlthoughtheconceptofOFDMhasalreadyexistedforaverylongtime,butuntilrecentlywiththedevelopmentofmultimediaservices,itwasrecognitizedasahigh-speedtwo-waywirelessdatacommunicationmethodofthegood.WiththedevelopmentofDSPchiptechnology,Fouriertransform/inversetransform,high-speedmodemtechnology64/128/256QAMused,thegridencodingtechnology,soft-decisiontechniques,channeladaptivetechnology,toinserttheguardinterval,reducingthebalancecomputationaregraduallyintroduced,moreandmorepeoplebegantofocusonthedevelopmentofOFDMtechnologyinthefieldofmobilecommunicationsapplications,itisexpectedthatthemainstreamtechnologyinbeyondthirdgenerationmobilecommunicationsystemwillbetheOFDMtechnology.Orthogonalfrequencydivisionmultiplexingapplicationsfornearly40yearsofhistory,thefirstpracticalapplicationofOFDMtechnologyisthemilitaryhigh-frequencywirelesscommunicationlink.Afteryearsofdevelopment,thetechnologinthebroadcastfieldofaudioandvideoandsoonhavebeenwidelyused.Thisarticalmainlytalkedabouttheprincipleoforthogonalfrequencydivisionmultiplexinganditsapplicationinthefieldofwirelesscommunicationsapplicationdividedintofiveparts.ChapterIbrieflydescribesthedevelopmentofmobilecommunications,wirelesschannelcharacteristicsandthedevelopmentofOFDM.ChapterIIdescribesthebasicprinciplesofOFDMtechnologyandfeatures.ChapterIIIdescribesseveralkeyissuesoftheOFDMsystem,includingthesynchronizationofOFDMsystem,PAPRandchannelestimation.ChapterIVbrieflyintroducedthepracticalapplicationofOFDMsystems,includingOFDMinDABandADSLapplications.Atlast,ChapterVdescribesthecomparionofthefuturemobilecommunicationsystems(4G)andthe3G,thenintroducedthebenefitsof4Gcommunicationssystems,it'skeytechnologiesaswellasit'sdevelopmentcondition.KeyWords:OFDM,multi-carriermodulation,DSP,4GII1目录摘要IAbstract目录第一章移动通信系统概述11.1移动通信发展历史11.2无线信道的传播特性21.3单载波和多载波通信系统41.4OFDM系统发展历史61.5小节7第二章正交频分复用系统的基本原理82.1OFDM系统的调制与解调82.2OFDM系统的DFT实现102.3保护间隔和循环前缀2.4带外功率辐射及加窗技术132.5OFDM系统的参数选择152.6小节15第三章OFDM系统中的关键技术163.1OFDM中的同步技术163.2OFDM中的信道估计183.3峰值平均功率比193.4小节24第四章OFDM系统的应用254.1OFDM在数字音频广播中的应用254.2OFDM在非对称数字用户线中的应用264.3小节28第五章4G移动通信技术295.14G网络结构295.24G网络中的关键技术29III1下一代无线网络关键技术研究——OFDM原理和应用下一代无线网络关键技术研究——OFDM原理和应用速傅里叶变换（FFT）。在频域中经过频域均衡，QAM解调、RS译码，然后得到所发送的数字信息。其中频域均衡的主要目的是为了消除信道特性、定时偏差以及信道估计误差等对接收信号的影响。4.3小节从DAB标准采用OFDM开始，OFDM技术在今年来已经得到越来越广泛的关注。在本章首先介绍了OFDM在数字音频广播中的应用，然后又简单讨论了OFDM技术在非对称数字用户线中的应用。从中可以看到，OFDM技术已经得到越来越多的重视，其应用领域也越来越广泛。第五章4G移动通信技术如今，随着3G在我国的商用，用户在使用手机电视和视频通话方面，出现了信号不稳、视频通话效果不佳等问题。人们开始希望4G能够解决这些问题，能够提供更高的数据传输速率、更大的容量和带宽。从而使4G比3G更接近个人通信，在技术上比3G更完善。5.14G网络结构从2G到3G的演变，移动通信核心网由电路交换转变为分组交换，使得核心网更加独立于接入技术。分组交换技术包括ATM和IP等，其中IP可以使核心网能与各种无线和有线技术接入技术互相融合。4G网络结构大致可以分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和选路功能，中间环境层作为桥接层可以提供映射、地址转换、安全管理等。物理网络层与中间环境层提供开放式IP接口。应用网络层与中间环境层之间也可以提供开放式接口，用于第三方的开发和新业务的提供。5.24G网络中的关键技术正交频分复用(OFDM)正如前面章节所示，OFDM是多载波调制的一种，由于其具有能更好的对抗多径衰落，具有非常高的频带利用率，适用于高速数据传输等优点，因而是下一代通信系统中实现高速移动通信的最有前途的技术。软件无线电软件无线电（SDR）是20世纪90年代初提出的通信新概念和新技术。基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线和个人通信功能用软件实现。其中心思想是构建一个开放性、标准化、模块化的通用数字硬件平台，通过实时的软件控制，实现各种无线电系统的通信功能，并使宽带模数转换器（A/D）及数模转换器（D/A）等先进的模块尽可能地接近射频天线的要求，使得基带移到中频，对整个系统频带进行采样。软件无线电的使用时无线通信领域上继模拟到数字固定到移动之后的又一重大突破。智能天线技术智能天线依靠对多个天线组阵，通过对各单元天线馈电信号进行组合处理，根据不同的环境和应用要求，动态地调整接收和发送功率方向特性，达到性能优化的目的。智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应天线阵列。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量有能增加传输质量。智能天线可获得扩大作用距离和覆盖范围提高链路质量和可靠性、提高频谱利用率等作用。在军事方面，智能天线可以解决复杂电磁环境中抑制干扰等技术问题。多输入多输出（MIMO）技术MIMO技术是一项新兴的热点技术，将MIMO用于移动通信中可以增加系统容量，抵抗信道衰落。MIMO技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发送端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术和信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益，已成为该领域的研究热点。MIMO技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖范围。基于IP的核心网4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网（CN）和公共电话交换网络（PSTN）兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网，同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与CN协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。在4G通信系统中将取代IPv4协议，主要采用全分组方式IPv6技术。IPv6具有许多优点，如：有巨大的地址空间；支持无状态和有状态两种地址自动配置方式；能够提供不同水平的服务质量；更具有移动性等。5.34G与3G的比较由于目前3G采用了很多先进性的技术，将来4G可以在很大程度上进一步融合3G现有的技术，比如，智能天线、软件无线电、联合检测、功率控制等。虽然4G继承了3G许多技术，但是在指标和技术方面有诸多区别。（1）技术指标方面世界上不同的组织给4G的定义不同，但都认为是基于IP协议的高速蜂窝移动网，从现有的3G演进。业务特征上：3G优先考虑语音，数据业务；而4G是融合数据和VoIP。网络结构上：3G是蜂窝小区；而4G是混合结构包括Wi-Fi/蓝牙等。频带范围：3G是1.6GHz～2.5GHz；4G是2GHz～8GHz，800MHz低频。带宽：3G是5MHz～20MHz；4G是100MHz。速度：3G是385kbit/s～2Mbit/s；4G是20Mbit/s～100Mbit/s。接入方式：3G是WCDMA/CDMA200/TD-SCDMA ；4G是MC-CDMA/OFDM 。交换方式：3G是电路交换/包交换；4G是包交换。移动性能：3G是200Kmph；4G是200Kmph。IP性能：3G是多版本；4G是全IP。（2）技术方面a）3G的关键技术是CDMA技术，而4G采用的是OFDM技术。OFDM可以提高频谱利用率，能够克服CDMA在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。b)在软件无线电方面，4G对3G中的软件无线电技术进行升级，满足4G中无线接入多样化的要求，使得3G中无线接入标准不统一的问题得以解决。同时在4G中，在3G软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块，对相应的软件进行升级，使软切换和硬切换最终融合到一起，成为一个统一的标准，实现各种需求。c)3G网络采用的主要是蜂窝组网，4G采用的是全数字、全IP技术，支持分组交换，将WLAN、蓝牙等局域网融入广域网中，在4G中提高了智能天线的处理速度和效率。在TD-SCDMA采用智能天线的基础上，对相关的软件和算法加以升级，增加一些接口协议来满足4G的要求。d)4G系统也使用了许多新技术，包括超链接和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术等。e)在功率控制上，4G比3G要求更加严格，其目的是为了满足高速通信的要求。不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率，而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。在3G中，采用切换技术来减少对其它小区的干扰，提高话音质量；在4G中，切换技术的应用更加广阔，并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。5.44G的发展国际电信联盟（ITU）为4G制定了明确目标，2006年至2007年完成频谱规划，2010年左右完成全球统一的标准化工作，2010年之后开始商用。全球很多国家已经加快对4G的研究。欧洲的爱立信公司与美国的加利福尼亚大学合作，，着手研制第四代移动通信系统，爱立信公司预计4G会在2011年正式投入运营。日本和韩国也已开始进行4G等未来移动通信服务技术的开发研究，日本语2002年成立了移动IT论坛，日本主要的电子电气公司参加可该论坛，同时日本政府已经确定了4G使用的频谱，并计划在2010年之前首先商用4G；韩国情报通信部（MIC）也已将4G列入政府的研究开发课题。2002年底，IEEE成立了IEEE802.20标准化项目，主要目标是建立一个移动宽带无线接入（MBWA）的标准。随后，AT&T公司演示了被其称之为4G接入网的一个非对称网络，该网络上行信道采用了EDGE技术，下行信道采用了宽带OFDM技术；我国已经在国家“863计划中”将4G的研究作为战略研究重点领域之一，称为FUTURE计划，瞄准了2010年前后移动通信产业的发展。2006年10月31日，4G外场试验系统在上海通过了现场验收，正式将FUTURE计划带入第三阶段，这是全球进行的首次关于4G技术的应用测试。我国决定在更多地区进行4G系统的测试工作，期望2010年前对其进行商业化测试。5.5小节如今，人们在享受3G移动通信系统商用所带来的服务的同时，4G移动通信技术的研究已在悄然进行。本章主要分析了4G的网络结构及其关键技术，如正交频分复用（OFDM）、软件无线电、智能天线技术、多输入多输出（MIMO）技术。比较了3G和4G的不同指标，分析了3G和4G采用的不同技术。最后对全球4G的现状和发展进行了简单探讨。总结与展望现代社会对通信的依赖和要求越来越高，于是设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。对于系统的效率，最重要的就是其频谱利用率，由于空间可用频率资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划。于是，各种各样的具有较高频谱效率的通信技术不断被开发出来。OFDM是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力。OFDM技术是一种特殊的多载波方案，其多载波之间互相正交，可以高效地利用频率资源，而且OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波可以有效地抵抗频率选择性衰落。虽然OFDM技术有很多优点，但它也不是毫无缺点，譬如它对频率偏移和相位噪声很敏感，它的峰均比相对比较大，会降低射频放大器的功率效率等，这些都是我们在OFDM的实际应用中值得注意的，需要采取特定的措施和算法来解决这些问题。OFDM技术已经或正在获得广泛的应用，除了文中指出的OFDM技术在数字音频广播和非对称数字用户线的应用之外，它还被应用于高速无线局域网、数字视频广播，特别是在数字蜂窝移动通信系统的应用中，OFDM技术与MIMO技术相结合，既可以使系统达到很高的传输效率，有可以通过分集达到很强的可靠性，从而成为第四代移动通信系统核心技术的解决方案。OFDM在上述这些应用中已经表现出强大的生命力，随着制约OFDM应用的一些关键问题的解决，相信OFDM在未来的通信应用中将会扮演越来越重要的角色。参考文献汪裕民.OFDM关键技术与应用.北京：北京机械工业出版社，2006佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与运用.北京：人