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1、华泓信息2011年移动培训系列课程 OFDM技术原理与应用,1.OFDM的实现问题,2.OFDM信号检测,Contents,OFDM的实现问题,OFDM信号的产生,OFDM的实现问题,检测峰均比多址接入自适应技术,OFDM,由于一个多用户系统的性能在很大程度上取决于其所采用的多址技术,所以在OFDM 系统中,如何选择一种高效的多址技术就显得异常重要。通常的多址方法有3 种:时分多址(TDMA),频分多址(FDMA)及码分多址(CDMA)。,OFDM多址接入,OFDMAOFDM-FDMAOFDM-TDMAOFDM-CDMA,OFDM-FDMA,OFDM-FDMA 方案将传输带宽划分成正交的子载波
2、集,通过将不同的子载波集分配给不同的用户,可用带宽资源可灵活地在不同移动终端之间共享,从而避免了不同用户间的多址干扰。OFDM-FDMA 将所有载波的确定子集分配给每个用户,这种分配表现为一种纯粹的数字化的子载波管理,子载波分配不是固定的,而是采用自适应方式。对于有效的多址接入方案,当其进行时间和带宽资源分配时,应满足高度适应性。,OFDM-FDMA,具体体现在一方面,应考虑频率选择性无线信道的特性;另一方面,也要满足用户对不同的或可变的数据传输速率的需求。OFDM-FDMA 系统中,这种适应性可由恰当选择与每个用户相关的子载波来满足。每个用户经历不同的无线信道的情况,可以通过只将具有高信噪比
3、的“好”子载波分配给每个用户来实现。而且特定用户的子信道数目可以依据要求的传输速率进行变化。,OFDM TDMA,在OFDM-TDMA 中,在一段时间内将全部带宽资源(所有子载波)分配给一个特定的用户,即在单个的TDMA 帧内,所有子载波在几个时隙内为某个用户独占。这种OFDM-TDMA 的时间、带宽资源分配方式,可看作将全部资源(时间、带宽)在时间轴上进行分割。在OFDM-TDMA 系统中,假定全部带宽分配给每个用户,假如在单个TDMA 帧内的一些OFDM 符号间隔内,所有子载波被分配给一个用户。每个TDMA 帧的OFDM 符号数目可以根据每个用户的需求进行变化。在OFDM-TDMA 系统中
4、,双向业务可以由TDD 方式实现,这种方式在上行和下行链路中都使用了子帧结构。OFDM-TDMA 方案具有如下特点:(1)OFDM-TDMA 方案在特定的OFDM 符号内将全部带宽分配给一个用户,这种分配方式不可避免地存在带宽资源浪费、频带利用率低、灵活性差的缺点。(2)OFDM-TDMA 的信令开销在很大程度上取决于是否采用滤除具有较低信噪比子载波的技术和自适应调制/编码技术。采用上述技术虽然可以改善性能但是也会增加信令开销,OFDM TDMA&FDMA,图中用小方格的灰度不同来区分不同用户。每个小方格表示一个OFDM 符号中的一个子载波。在OFDM-FDMA 系统中,不同用户的子载波是以交
5、织的方式分配的。在OFDM-TDMA 系统中,每个用户有一定数目的时隙,在该时隙内,所有的子载波都可以为该用户所使用。假定每个时隙的长度等于OFDM 的符号长度。,OFDM TDMA,OFDM TDMA&FDMA性能比较,OFDMA,宽带无线OFDM通信系统广泛采用的自适应OFDMA多址接入方式这种方式是OFDM一FDMA一TDMA多种技术的融合。在这种方式下无线资源是一个时频二维结构。在时域方面，无线资源可以划分为多个时隙，每个时隙由多个OFDM符号组成;在频域方面，无线资源可以划分为多个子信道，多个子载波组成一个子信道子信道的子载波可以是按一定规律间隔(如等间隔)分散到整个带宽上的，这种分
6、配方式称为分布式方式;也可以采用将连续子载波合并为子信道的方式，这种分配方式称为集中式方式。,基于时频块结构OFDMA无线资源,分布式方式将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获得频率分集增益。但这种方式下用户子信道内的子载波之间具有非相关性，故信道估计较为复杂，也无法采用频域调度。,集中式方式将连续子载波组成的子信道分配给一个用户，子信道中的连续子载波个数与信道时延扩展和子载波带宽有关，只要保证子信道中的子载波数是相关的，那么其一个子信道只需做一次信道估计就可以，故集中方式可以降低信道估计的难度。同时集中式方式下系统可以通过频域调度(scheduling选择较优的子信道(用户)进行传输
7、，从而获得多用户分集增益。基于频域的多用户分集增益是由于不同用户在同一时刻性能优良的子信道可能彼此不同，只把条件好的子信道分配给某一用户，并采用自适应调制编码方式，从而获得最优的无线资源利用率。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。,在多用户OFDMA系统中，一个时隙中的子信道是一个最小资源划分单位，称为资源单元。一个资源单元可以分配给任何一个用户，一个用户可以得到多个资源单元，但是同一个资源单位不能同时分配给多个用户。其多用户资源分配机制非常灵活。还可以根据用户业务量的大小动态分配资源单元的数量。因而既可以达到很高的系统无线资源利用率，又能满足用户业务QOS需求,多用户OFDM
8、A系统自适应资源分配的模型,该模型中假定每个用户都有一个单独的分组队列缓存器，分组以先进先出(FIFO方式进入队列，同时假定各个用户的信道相互独立。在进行资源分配(如子信道分配)前，需要得到用户业务队列缓存信息及物理信道状态反馈，基于这些信息，资源分配模块选择最适合的用户使用各子信道。当对某个子信道选择了相应用户后，在单位OFDM符号内此子信道上所能承载的比特则由自适应调制编码模块确定。从系统资源分配的角度来说，该模型既可以用于上行资源分配也可以用于下行资源分配。只不过在进行子信道分配算法时，需要得知用户的信道反馈信息以及QOS及缓存队列信息。对于BS集中控制的蜂窝系统，下行链路上每个用户业务
9、QOS及队列信息都是为BS所知的;而上行链路上这些信息是分布在用户端不为BS所知。因此在宽带OFDMA系统中针对上行链路，研究设计了针对不同业务类型的上行调度服务机制，这些机制保证用户能够及时有效的报告其业务信息要求给BS，便于BS进行资源的调度。,MC-CDMA,多载波CDMA系统的基本原理多载波CDMA系统研究热点MC-CDMA系统子载波功率自适应DS-CDMA多用户检测多用户检测下的MC-CDMA系统功率自适应,一、多载波CDMA 的基本原理,传统DS-CDMA系统,图 The basic DS-CDMA model 是用户k的第i个数据比特，比特率为1/T 是信道衰减因子 为高斯白噪音
10、，方差为N0/2 是用户k的特征波形，具有归一化的能量 特征波形 的互相关 其中 为码片波形，满足,一、多载波CDMA 的基本原理,MC-CDMA(OFDM-CDMA)：扩频在频域内进行,一、多载波CDMA 的基本原理,MC-DS-CDMA：扩频在时域内进行,二、多载波CDMA 的研究热点,三、MC-CDMA子载波功率自适应分配,假定收发两端可提供完美的CSI，在各子载波上根据其信道衰落，通过一定的算法，自适应地分配功率。图中，表示用户k第n个子载波的发射功率增益，即功控因子，满足 ST是平均比特发射功率。子载波功率分配，就是如何选取 的问题。MC-CDMA系统子载波功率自适应发射机,三、MC
11、-CDMA子载波功率自适应分配,图中 gk,n表示第用户k的第n个子载波上的合并权重，取决于具体的合并方式（如EGC/MRC/ORC/GSC等）MC-CDMA系统子载波功率自适应接收机,三、MC-CDMA子载波功率自适应分配,用户k的第i个比特的发射信号为(1)接收信号的第i个比特为(2)用户k的延迟n(t)高斯白噪音，单边功率谱密度为N0 信道功率增益对用户1的第i个比特进行判决,判决变量为(3),DSCDMA传统单用户检测,四、多用户检测下的MC-CDMA功率自适应,MC-CDMA性能分析,Outline,IntroductionSystem ModelPerformance Analys
12、isNumerical resultsConclusion,Introduction,Minimum mean square error(MMSE)detection has been shown to be an effective interference suppression technique.However,It is very difficult to derive a closed expression for the bit error rate(BER)of the MMSE detector.the BER evaluation of the MMSE detector
13、for MC-CDMA were all employed simulation or Monte Carlo method in the publications.,System model：transmitter,We consider an asynchronous MC-CDMA communication system that K simultaneously active mobiles communicate with a single base station(BS).Each of the active users employs N subcarriers and bin
14、ary phase-shift keying(BPSK)modulation.,System model：transmitter,Fig.1.Transmitter Model,System model：transmitter,The transmitted signal corresponding to the ith data bit for the user k can be expressed as(1),System model:channel,For each user,we consider a slowly varying Nakagami-m fading channel.A
15、ll subcarriers are assumed to experience flat but correlated fading.The fading amplitude and phase shift for the nth subcarrier of user k are,respectively,Nakagami-m distributed RV with and uniform RV over 0,2).The channel is assumed to have an exponential multi path intensity profile with delay spr
16、ead Td.,System model:channel,The covariance of and is given by(2)The received signal corresponding to the ith data bit at the BS is(3)where,System model:receiver,We consider the receiver structure as followsFig.2.Receiver Model,System model:receiver,With coherent reception,the received signal presen
17、t at the nth subcarrier for the ith bit of user 1 as the desired user is(4)where is the white Gaussian noise with zero mean and variance,System model:receiver,is desired signal is the same carrier interference from other users given by,System model:receiver,is other carrier interference from other u
18、sers given by,Performance Analysis,Let(5),Performance Analysis,For the MMSE receiver,there exists a vector W0(n)such that(6)Then the ith data of user 1 is estimated by(7)The solution of(6)is obtained by applying the orthogonal principle and has the form(8),Performance Analysis,Then the conditional B
19、ER is given by(9)From(5)and(8),we have(10)where,and(11),Performance Analysis,Then we have(12)is given by(13),Performance Analysis,It has been shown in 6 that for nonsingular matrices A and B,if,then the following equation holds:(14)Let,then we can easily get is given by(15),Performance Analysis,Therefore(16)From(12)and(16),we have(17),
