LT_BT002_C01_1 LTE OFDM 基本原理介紹

1、LTE OFDM 基本原理介紹中興通訊學(xué)院課程目標(biāo)n了解OFDM的基本概念n理解OFDM的基本原理n了解OFDM的優(yōu)缺點(diǎn)n理解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)n了解OFDM在上下行鏈路中的應(yīng)用課程內(nèi)容無(wú)線(xiàn)信道的特性無(wú)線(xiàn)信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用無(wú)線(xiàn)信道傳播特性頻率選擇性衰落n多徑效應(yīng)會(huì)引起頻率選擇性衰落。l當(dāng)多路信號(hào)的相對(duì)時(shí)延與一個(gè)符號(hào)的時(shí)間相比不可忽略, 那么當(dāng)多路信號(hào)迭加時(shí), 不同時(shí)間的符號(hào)就會(huì)重迭在一起,造成符號(hào)間干擾（InterSymbol Interference，ISI），此時(shí)就認(rèn)為發(fā)生了頻率選擇性衰落。時(shí)間選擇性衰落n由于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，還會(huì)使無(wú)線(xiàn)信道呈現(xiàn)

2、出時(shí)變性，即時(shí)間選擇性衰落。n時(shí)間選擇性衰落的一種具體表現(xiàn)就是多普勒頻移（Doppler shift），即單一頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)變衰落信道之后會(huì)呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡(luò)的信號(hào)，稱(chēng)為信道的頻率彌散性。頻率彌散性會(huì)造成信道間干擾(InterChannel Interference，ICI)。無(wú)線(xiàn)信道要解決的問(wèn)題n自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無(wú)線(xiàn)區(qū)域的覆蓋，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種不利影響。n在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，重點(diǎn)要解決時(shí)間選擇性衰落和頻率選擇性衰落。課程內(nèi)容無(wú)線(xiàn)信道的特性O(shè)FDM概述概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用什么是OFDM？nOFDM: 正交頻分復(fù)用OFDM（O

3、rthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種多載波傳輸方式。為什么采用OFDM？n帶寬利用率高：OFDM將頻域劃分為多個(gè)子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同子信道相互正交。將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行的子數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸。n頻率選擇性衰落?。篛FDM子載波的帶寬 信道“相干帶寬”時(shí)，可以認(rèn)為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”。OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理多載波技術(shù)n多載波傳輸是相對(duì)于單載波傳輸而來(lái)的：使用多個(gè)載波并行傳輸數(shù)據(jù)。l1.把一串高速數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)低速的子數(shù)據(jù)流每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的速率；l2.將子數(shù)據(jù)流放置在對(duì)應(yīng)的

4、子載波上；l3.將多個(gè)子載波合成，一起進(jìn)行傳輸。OFDM原理圖nOFDM技術(shù)中各個(gè)子載波之間相互正交且相互重疊，可以最大限度地利用頻譜資源。nOFDM是一種多載波并行調(diào)制方式，將符號(hào)周期擴(kuò)大為原來(lái)的N倍，從而提高了抗多徑衰落的能力。nOFDM可以通過(guò)IFFT（快速傅立葉反變換）和FFT（快速傅立葉變換）分別實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)。LTE OFDM時(shí)頻結(jié)構(gòu)n時(shí)域：對(duì)應(yīng)OFDM符號(hào) n頻域：對(duì)應(yīng)OFDM子載波nRB由RE構(gòu)成，頻域上包含12個(gè)子載波、時(shí)域上包含7個(gè)OFDM符號(hào)（常規(guī)CP情況為7個(gè)，擴(kuò)展CP情況下為6個(gè)）n每個(gè)無(wú)線(xiàn)幀長(zhǎng)度為10ms，包含10個(gè)子幀，每個(gè)子幀有兩個(gè)時(shí)隙n每個(gè)子載波寬度

5、為15kHznRB頻域?qū)挾葹?80kHzOFDM的優(yōu)勢(shì)OFDM的不足課程內(nèi)容無(wú)線(xiàn)信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴循環(huán)前綴l同步技術(shù)l信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用多徑效應(yīng)路徑路徑2路徑1的第二個(gè)符號(hào)和路徑2的第一個(gè)符號(hào)形成干擾 路徑路徑1 多徑效應(yīng)將引起符號(hào)間干擾 保護(hù)間隔保護(hù)間隔GI (Guarding Interval)路徑路徑2路徑路徑 1保護(hù)間隔保護(hù)間隔n加入保護(hù)間隔避免符號(hào)間干擾n當(dāng)保護(hù)間隔的長(zhǎng)度超過(guò)信道最大延遲，一個(gè)符號(hào)的多徑分量不會(huì)干擾下一個(gè)符號(hào) 子載波干擾子載波子載波 1帶有時(shí)延的子載波帶有時(shí)延的子載波 2保護(hù)間隔保護(hù)間隔OFDM信號(hào)的積分區(qū)

6、間信號(hào)的積分區(qū)間子載波子載波 2對(duì)子載波對(duì)子載波1帶來(lái)的帶來(lái)的ICI干擾干擾n引入保護(hù)間隔后，積分區(qū)間內(nèi)不再具有整數(shù)個(gè)子載波，子載波間的正交性被破壞，兩個(gè)子載波之間會(huì)產(chǎn)生載波間的干擾 循環(huán)前綴幅度保護(hù)間隔保護(hù)間隔FFT 積分時(shí)長(zhǎng)積分時(shí)長(zhǎng) OFDM 符號(hào)長(zhǎng)度符號(hào)長(zhǎng)度n循環(huán)前綴是此符號(hào)后一段樣點(diǎn)值的重復(fù)，加入循環(huán)前綴的目的是不破壞子載波間的正交性； n只要每個(gè)路徑的時(shí)延小于保護(hù)間隔，F(xiàn)FT的積分時(shí)間長(zhǎng)度就可以包含整數(shù)個(gè)多徑子載波波形。循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)循環(huán)前綴循環(huán)前綴時(shí)間循環(huán)前綴（續(xù)）n加入循環(huán)前綴，要犧牲一部分時(shí)間資源，降低了各個(gè)子載波的符號(hào)速率和信道容量，優(yōu)點(diǎn)就是可以

7、有效的抗擊多徑效應(yīng)。n下圖為采用IFFT實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前綴的過(guò)程：輸入串行數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換，輸出的并行數(shù)據(jù)就是要調(diào)制到相應(yīng)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)，可以看成是一組位于頻域上的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)IFFT就實(shí)現(xiàn)了頻域到時(shí)域的轉(zhuǎn)換。課程內(nèi)容無(wú)線(xiàn)信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴l同步技術(shù)同步技術(shù)l信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用同步要求nOFDM系統(tǒng)的同步要求：l載波同步：實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的相干解調(diào)；l樣值同步：使接收端的取樣時(shí)刻與發(fā)送端完全一致；l符號(hào)同步：區(qū)分每個(gè)OFDM符號(hào)塊的邊界，因?yàn)槊總€(gè)OFDM符號(hào)塊包含N個(gè)樣值。n與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步精度

8、的要求更高，同步偏差會(huì)在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI。同步技術(shù)-載波同步nOFDM系統(tǒng)利用導(dǎo)頻實(shí)現(xiàn)載波同步，載波同步分為兩個(gè)過(guò)程：l跟蹤模式：只需要處理很小的載波抖動(dòng)；l捕獲模式：頻偏較大，可能是載波間隔的若干倍。nOFDM系統(tǒng)接收機(jī)通過(guò)兩個(gè)階段的同步，可以提供良好的捕獲性能和精確的跟蹤性能。l第一階段：盡快地進(jìn)行粗略的頻率估計(jì)，解決載波的捕獲問(wèn)題；l第二階段：能夠鎖定并且執(zhí)行跟蹤任務(wù)。同步技術(shù)-符號(hào)同步和載波同步nOFDM系統(tǒng)中，采用最大似然方法聯(lián)合實(shí)現(xiàn)符號(hào)定時(shí)同步和載波同步。n通常多載波系統(tǒng)都采用插入保護(hù)間隔的方法來(lái)消除符號(hào)間干擾，最大似然方法正是利用保護(hù)間隔所攜帶的信息完成符號(hào)定時(shí)同

9、步和載波頻率同步，克服了需要插入導(dǎo)頻符號(hào)實(shí)現(xiàn)載波同步，浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)。課程內(nèi)容無(wú)線(xiàn)信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴l同步技術(shù)l信道估計(jì)信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用信道估計(jì)技術(shù)n加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個(gè)獨(dú)立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，個(gè)子信道上的接收信號(hào)等于各自子信道上的發(fā)送信號(hào)與信道的頻譜特性的乘積。如果通過(guò)估計(jì)方法預(yù)先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號(hào)與信道的頻譜特性相除，即可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的正確解調(diào)。n常見(jiàn)的信道估計(jì)方法有基于導(dǎo)頻信道和基于導(dǎo)頻符號(hào)（參考信號(hào)）兩種，多載波系統(tǒng)具有時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)頻符號(hào)的輔助信道估計(jì)更

10、靈活。導(dǎo)頻符號(hào)位置n導(dǎo)頻符號(hào)輔助方法是在發(fā)送端的信號(hào)中某些固定位置插入一些已知的符號(hào)和序列，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號(hào)和導(dǎo)頻序列按照某些算法進(jìn)行信道估計(jì)。n在多載波系統(tǒng)中，通常在時(shí)間軸和頻率軸兩個(gè)方向同時(shí)插入導(dǎo)頻符號(hào)，在接收端提取導(dǎo)頻符號(hào)估計(jì)信道傳輸函數(shù)。只要導(dǎo)頻符號(hào)在時(shí)間和頻率方向上的間隔相對(duì)于信道帶寬足夠小，就可以采用二維內(nèi)插濾波的方法來(lái)估計(jì)信道傳輸函數(shù)。課程內(nèi)容無(wú)線(xiàn)信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)l循環(huán)前綴l同步技術(shù)l信道估計(jì)l降峰均比技術(shù)降峰均比技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用峰均比（PAR）n在時(shí)域上，OFDM信號(hào)是路正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這路信號(hào)按相同極性同時(shí)取最大值時(shí)，OF

11、DM信號(hào)將產(chǎn)生最大的峰值。該峰值信號(hào)的功率與信號(hào)的平均功率之比，稱(chēng)為峰值平均功率比，簡(jiǎn)稱(chēng)峰均比(PAPR)。n在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與有關(guān)，越大，PAPR的值越大，=1024時(shí)，PAPR可達(dá)30dB。大的PAPR值，對(duì)發(fā)送端的功率放大器的線(xiàn)性度要求很高,并降低功放效率。如何降低OFDM信號(hào)的PAPR值對(duì)OFDM系統(tǒng)的性能和成本都有很大影響。降峰均比技術(shù)限幅方法n限幅作用：信號(hào)經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性部件之前進(jìn)行限幅，可以使得峰值信號(hào)低于所期望的最大電平值。n限幅導(dǎo)致的問(wèn)題：會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成自身干擾；會(huì)導(dǎo)致帶外輻射功率值的增加。n解決方法：利用其他非矩形窗函數(shù)對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行時(shí)域加窗。壓縮擴(kuò)張n壓縮擴(kuò)張變化

12、方法：把大功率發(fā)射信號(hào)壓縮，而把小功率發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大，從而可以使得發(fā)射信號(hào)的平均功率相對(duì)保持不變。課程內(nèi)容無(wú)線(xiàn)信道的特性O(shè)FDM概述OFDM的關(guān)鍵技術(shù)OFDM在上下行鏈路的應(yīng)用在上下行鏈路的應(yīng)用下行多址技術(shù)方案-OFDMAnOFDMA（正交頻分多址接入）：是傳統(tǒng)的基于CP的OFDM技術(shù)。nOFDMA多址接入方式：將傳輸帶寬劃分成相互正交的子載波集，通過(guò) 將不同的子載波集分配給不同的用戶(hù)，可用資源被靈活的在不同移動(dòng)終端之間共享。這可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術(shù)相結(jié)合的多址接入方式。如下圖所示：下行多址技術(shù)方案-OFDMAn根據(jù)每個(gè)用戶(hù)需求的數(shù)據(jù)傳輸速率、當(dāng)時(shí)的信道質(zhì)量對(duì)頻率資源

13、進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，如圖C所示。下行多址技術(shù)方案-OFDMA的優(yōu)勢(shì)n頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對(duì)稱(chēng)。n帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)：帶寬取決于子載波的數(shù)量。n抗多徑衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入。n頻域調(diào)度和自適應(yīng)：l集中式/分布式子載波分配：子載波連續(xù)分配給一個(gè)用戶(hù)，頻域調(diào)度選擇較優(yōu)子信道，獲得多用戶(hù)分集增益；（高速移動(dòng)或SINR較低時(shí)）將分配給子信道的子載波分散到整個(gè)帶寬，交替排列，獲得頻率分集增益。l頻率選擇性：SINR、調(diào)制編碼方式MSC。n實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡(jiǎn)單：水平衰落信道，避免天線(xiàn)間干擾。上行多址接入技術(shù)方案-需求n上行多址技術(shù)的要求和下行不同，OFDM等多載波系統(tǒng)的輸出是 多

14、個(gè)子信道號(hào)的疊加，因此，如果多個(gè)信號(hào)的相位一致，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)的平均功率，存在較高的峰均比PAPR。n對(duì)發(fā)射機(jī)的線(xiàn)性度提出了很高的要求，會(huì)增加數(shù)模轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度，降低RF功放的效率，使發(fā)射機(jī)功放的成本和耗電量增加。n終端的能力有限，尤其是發(fā)射功率受限，所以在上行鏈路，基于OFDM的多址接入技術(shù)并不適合用在UE側(cè)使用。上行多址技術(shù)方案 SC-FDMA多址方式n采用SC-FDMA多址接入方式，多用戶(hù)復(fù)用頻譜資源時(shí)只需要改變不同用戶(hù)DFT的輸出到IDFT輸入的關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)多址接入，同時(shí)子載波之間具有良好的正交性，避免了多址干擾。n通過(guò)改變DFT到IDFT的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多址；改變輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)符號(hào)塊M的大小，實(shí)現(xiàn)頻率資源的靈活配