4G5G 移动通信技术-OFDM原理及应用

4G/5G移动通信技术与应用OFDM原理及应用一、掌握OFDM的定义二、了解OFDM的关键技术三、掌握LTE上、下行多址技术第2章OFDM原理及应用2.1多址技术什么是多址技术多址技术是指实现小区内多用户之间及小区内外多用户之间通信地址识别的技术，又称为多址接入技术（MultipleAccessTechniques）。传统的多址技术可以分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA），4种方式都以频分多路复用（Frequency-divisionmultiplexing，FDM）技术为基础，蜂窝移动通信系统中一般采用这4种方式之一或混合方式。LTE上行方向采用基于循环前缀的SC-FDMA（SingleCarrier-FrequencyDivisionMultiplexingAccess）单载波频分多址技术。LTE下行方向采用基于循环前缀（CyclicPrefix，CP）的OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)

正交频分多址技术。第2章OFDM原理及应用2.2OFDM技术原理什么是OFDM？OFDM:正交频分复用技术OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）OFDM既属于调制技术，也属于复用技术。OFDM本质上是一个频分复用系统（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）OFDM原理在接收端，将信号从射频载波上解调下来，在基带用相应的子载波通过码元周期内的积分把原始信号解调出来。基带其他子载波信号与信号解调所用的子载波由于在一个码元周期内积分结果为0，相互正交，所以不会对信息的提取产生影响。OFDM原理在时域上信号为一个非周期矩形波，在频域上是满足A＝sinc（f）＝的曲线。假若有很多路不同的方波信号，在基带经过不同频率的子载波调制，所示的基带信号频谱图，经过射频调制，最终传送出去。第2章OFDM原理及应用2.3OFDM系统实现OFDM系统多功能模块（1）串/并、并/串转换模块（2）FFT、逆FFT转换模块（3）加CP、去CP模块2.3.1并行传输多径效应

指无线电波经过一点发射出去，经过直射、绕射、反射等多种路径到达接收端的时间和信号强度是不同的。到达时间不同，称为多径时延或时间色散到达的信号强度不同，称为选择性衰落

由于路径不同造成的衰落可以称为空间选择性衰落；而在宽带传输系统中，不同频率在空间中的衰落特性是不一样的，这称为频率选择性衰落。2.3.1并行传输

在OFDM系统中，并行传输技术可以降低符号间干扰，简化接收机信道均衡操作，便于MIMO技术的引入。在发射端，用户的高速数据流经过串/并转换后，成为多个低速率码流，每个码流可用一个子载波发送，可使每个码元的传输周期大幅增加，降低了系统的自干扰。宽带单载波传输，为了克服频率选择性衰落引起的信号失真，需要增加复杂信道的均衡操作。2.3.2FFTOFDM要求各个子载波之间相互正交，使用快速傅里叶变换（FFT）可以较好地实现正交变换。在发射端，OFDM系统使用IFFT（InverseFastFourierTransform，逆快速傅里叶变换）模块来实现多载波映射叠加过程，经过IFFT模块可将大量窄带子载波频域信号，变换成时域信号。2.3.3加入CP1.多径时延引起的干扰问题2.3.3加入CP2.保护长度的作用2.3.3加入CP3.CP加入在OFDM的发展中，CP是主要有下面两个作用：（1）CP作为保护间隔，大大减少了ISI；（2）CP可以保证信道间的正交性，大大减少了ICI。第2章OFDM原理及应用2.4OFDM特点2.4.1OFDM优点抗多径衰落将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上传输，可以减少子信道的干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相干带宽，因此每个子信道上的信号可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰频谱利用率高由于子载波之间正交，允许子载波之间具有1/2的重迭，具有很高的频谱利用率系统的自适应能力增强频率自适应；子载波级的调制自适应。OFDM技术持续不断地监控无线环境特性随时随地的变化，通过接通和切断相应的子载波，使之动态地去适应环境，来确保无线链路的传输质量。频谱资源灵活分配通过选择子信道数目的不同，实现上下行不同的传输速率要求；通过动态分配充分利用信噪比高的子信道，提高系统吞吐量2.4.2OFDM的缺点.OFDM的峰均比过高要求的系统线性范围宽FDM符号在时域上表现为多个正交子载波信号的叠加。当这多个信号恰好同相位，以峰值相叠加时，所得的叠加信号的瞬时功率会远远高于信号的平均功率，即峰值平均功率比很高。尽管峰值功率出现的概率较低，但峰均比越大，必然会对放大器的线性范围要求越高。多普勒频移对OFDM系统影响大对相位噪声比较敏感OFDM系统严格要求各个子载波之间的正交性，频偏和相位噪声会使各个子信道之间的正交特性恶化。任何微小的频偏都会破坏子载波之间的正交性，仅1％的频偏就会造成信噪比下降30dB，引起载波间的干扰（ICI）。当移动速度较高的时候，必然会产生多普勒频偏。对于宽带载波（数量级为MHz）来说，多普勒频偏相对整个带宽比例较小，影响不大；而多普勒频偏相对于OFDM子载波（数量级为15kHz）来说，比例就比较大了。对抗多普勒频偏性能较差，是OFDM技术的一个非常致命的缺点。OFDM对时间和频率同步要求严格时间失步，会导致符号间干扰（ISI）；频率失步，则类似频偏的影响一样，导致载波间干扰（ICI）。存在小区间下行干扰OFDM系统本身无法提供小区间的多址能力，所以小区间干扰控制难度大。OFDM系统在抑制小区内的干扰方面，优势比较明显。但对于小区间的干扰抑制问题，需要依赖其他技术来辅助抑制，这是OFDM系统目前面临的最大问题。第2章OFDM原理及应用2.5OFDM在4GLTE中的应用2.5.1OFDM在下行链路中的应用LTE在下行方向上（即从基站到终端的方向）使用的多址方式是OFDMAOFDMA（正交频分多址接入）：是传统的基于CP的OFDM技术。OFDMA多址接入方式：将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。OFDMALTE的空中接口资源分配的基本单位是物理资源块（PhysicalResourceBlock，PRB）。1个物理资源块PRB在频域上包括12个连续的子载波，在时域上包括7个连续的常规OFDM符号周期。LTE的一个物理资源块PRB对应的是带宽为180kHz、时长为0.5ms的无线资源。多用户接入多用户接入OFDM系统中的下行无线资源分配下行多址技术方案-OFDMA的优势频谱效率高：子载波重叠、正交、支持非对称。带宽扩展性强：带宽取决于子载波的数量。抗多径衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入。频域调度和自适应：集中式/分布式子载波分配：子载波连续分配给一个用户，频域调度选择较优子信道，获得多用户分集增益；（高速移动或SINR较低时）将分配给子信道的子载波分散到整个带宽，交替排列，获得频率分集增益。频率选择性：SINR、调制编码方式MSC。实现MIMO技术较简单：水平衰落信道，避免天线间干扰。2.5.2OFDM在上行链路中的应用SC-FDMA（SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess，单载波频分多址）兼有单载波传输技术峰均比低和频分多址技术频谱利用率高的优点。上行多址技术的要求和下行不同，OFDM等多载波系统的输出是

多个子信道号的叠加，因此，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，存在较高的峰均比PAPR。对发射机的线性度提出了很高的要求，会增加数模转换的复杂度，降低RF功放的效率，使发射机功放的成本和耗电量增加。终端的能力有限，尤其是发射功率受限，所以在上行链路，基于OFDM的多址接入技术并不适合用在UE侧使用。SC-FDMA为LTE上行多址接入技术上行多址技术方案——SC-FDMA多址方式采用SC-FDMA多址接入方式，多用户复用频谱资源时只需要改变不同用户DFT的输出到IDFT输入