任务驱动教学设计方案

教案模块五：第四代移动通信系统单元3第四代移动通信关键技术(OFDM)制定人员：制定时间：2014年8月授课教师：所需学时：2教学条件要求配置有投影仪、教师演示终端、黑板等。学习目标了解OFDM的基本概念理解OFDM的基本原理了解OFDM的优缺点理解OFDM的关键技术了解OFDM在上下行链路中的应用重点与难点重点：OFDM的基本原理；OFDM的优缺点；难点：OFDM的关键技术主要授课内容一、无线信道的传播特性多径效应会引起频率选择性衰落当多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略,那么当多路信号迭加时,不同时间的符号就会重迭在一起,造成符号间干扰（InterSymbolInterference，ISI），此时就认为发生了频率选择性衰落。除上面讲到的几种衰落之外，由于移动台的运动，还会使无线信道呈现出时变性，即时间选择性衰落。时间选择性衰落的一种具体表现就是多普勒频移（Dopplershift），即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，称为信道的频率弥散性。频率弥散性会造成信道间干扰(InterChannelInterference，ICI)。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响。在无线通信系统中，重点要解决时间选择性衰落和频率选择性衰落。采用OFDM技术可以很好的解决这两种衰落对无线信道传输造成的不利影响。二、OFDM的概述多载波传输是相对于单载波传输而来的：使用多个载波并行传输数据。1.把一串高速数据流分解为若干个低速的子数据流——每个子数据流将具有低得多的速率；2.将子数据流放置在对应的子载波上；3.将多个子载波合成，一起进行传输。三、OFDM的关键技术1、CP路径路径2路径1保护间隔加入保护间隔避免符号间干扰当保护间隔的长度超过信道最大延迟，一个符号的多径分量不会干扰下一个符号引入保护间隔后，积分区间内不再具有整数个子载波，子载波间的正交性被破坏，两个子载波之间会产生载波间的干扰循环前缀是此符号后一段样点值的重复，加入循环前缀的目的是不破坏子载波间的正交性；只要每个路径的时延小于保护间隔，FFT的积分时间长度就可以包含整数个多径子载波波形。加入循环前缀，要牺牲一部分时间资源，降低了各个子载波的符号速率和信道容量，优点就是可以有效的抗击多径效应。下图为采用IFFT实现OFDM调制并加入循环前缀的过程：输入串行数据信号，经过串/并转换，输出的并行数据就是要调制到相应子载波上的数据符号，可以看成是一组位于频域上的数据。经过IFFT就实现了频域到时域的转换。2、OFDM系统的同步要求载波同步：实现接收信号的相干解调；样值同步：使接收端的取样时刻与发送端完全一致；符号同步：区分每个OFDM符号块的边界，因为每个OFDM符号块包含N个样值。与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI及ICI。3、信道估计加入循环前缀后的OFDM系统可等效为N个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，Ｎ个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号（参考信号）两种，多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活。4、降峰均比在时域上，OFDM信号是Ｎ路正交子载波信号的叠加，当这Ｎ路信号按相同极性同时取最大值时，OFDM信号将产生最大的峰值。该峰值信号的功率与信号的平均功率之比，称为峰值平均功率比，简称峰均比(PAPR)。在OFDM系统中，PAPR与Ｎ有关，Ｎ越大，PAPR的值越大，Ｎ=1024时，PAPR可达30dB。大的PAPR值，对发送端的功率放大器的线性度要求很高,并降低功放效率。如何降低OFDM信号的PAPR值对OFDM系统的性能和成本都有很大影响。限幅作用：信号经过非线性部件之前进行限幅，可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。限幅导致的问题：会对系统造成自身干扰；会导致带外辐射功率值的增加。解决方法：利用其他非矩形窗函数对OFDM符号进行时域加窗。四、OFDM应用1、OFDMA（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。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、OFDMA和SC-FDMA的比较：教学组织过程第一部分：课程引入第四代移动通信系统技术则以OFDM最受瞩目，OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，被看作是第四代移动通信系统中的核心技术之一，也是我们今天这次课学习的重要内容。明确学习对第四代移动通信系统模块的目的和重要性，进而明确本次子任务的重点难点。第二部分：新课讲解由于学生在前面已经学习过电磁波的传播特性，进行课前复习与检测：简要说明电磁波在自由空间中的传播损耗的计算公式。什么是阴影衰落？服从什么分布？什么是多径衰落？服从什么分布？请同学们随意的谈谈无线信道要解决哪些传输问题？采用什么技术可以有效的解决两种衰落造成的影响？内容1：什么是OFDM，为什么要采用OFDM？由老师讲解OFDM的原理和时频结构，让学生小组总结OFDM的优点与不足，小组讨论后回答。老师对学生的回答进行点评。内容2：OFDM采用了哪些关键技术？简要说明这些技术各自的特点？由于这部分比较难理解，所以直接由老师讲解循环前缀、信道估计、降峰均比、同步技术。讲完之后让学生自行总结各自的特点并随机提问考察学生对这部分知识的理解情况。内容3：为什么OFDMA不能用于下行链路?而下行链路选择SC-FDMA?教师先讲解OFDMA,优点和需求,提出上述问题让学生思考并回答,最后补充讲解OFDMA和SC-FDMA的比较分析.三、小结1.简单介绍无线