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1、LTE关键技术之OFDM,LTE关键技术介绍,中兴通讯销售体系工程服务部TD用服部姓 名:徐济乾E-mail:Xu.J,2,修改记录,通过本文档的学习，您可以掌握以下技能：,了解LTE多址接入技术OFDM的发展和现状，掌握OFDM的基本思想和优缺点。掌握OFDM的基本原理和实现方法。掌握OFDM在LTE上下行传输中的技术应用，掌握其多址原理和处理过程。,第一部分 OFDM的简介第二部分 OFDM的实现第三部分 OFDM的应用,5,第一部分 OFDM的简介,第一章 OFDM的发展第一节 OFDM的起源第二节 OFDM的发展和现状第三节 什么是OFDM第二章 OFDM的简介第一节 OFDM的基本思
2、想第二节 OFDM的优缺点,OFDM的起源,为了解决低效利用频谱资源问题，在20世纪60年代提出一种思想，即使用子信道频谱相互覆盖的并行数据传输和FDM，要求每个子信道内承载的信号传输速率为b，而且各子信道在频域的距离也是b，这样可以皮面使用高速均衡，并且可以对抗窄带脉冲噪声和多径衰落，而且还可以充分的利用可用的频谱资源。（OFDM的雏形）随即，这种技术就被应用到多种高频军事系统中，其中包括KINEPLEX，ANDEFT以及KNTHRYN等。,OFDM的发展和现状,1971年，Weinstein和Ebert把离散傅里叶变换（DFT）应用到并行传输系统中，作为调制和解调的一部分，这样就不再利用带
3、通滤波器而是经过基带处理就可以实现FDM。（OFDM形成）20世纪80年代中期，欧洲在数字音频广播（DAB）方案中采用了这种并行传输方法，使得OFDM开始受到关注并且得到广泛应用。20世纪80年代后，OFDM渐渐在数据音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、基于IEEE802.11标准的无限本例局域网（WLAN）以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非对称高比特率数字用户线技术（如ADSL）中得到了广泛应用。Wi-Fi和WiMAX技术的兴起更是使得OFDM成为一种“时髦”的技术。3GPP LTE也采用了OFDM技术，预计未来的B3G技术也将基于OFDM。,什么是OFDM,OFDM（正交频分复用
4、：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM结合了多载波调制(MCM)和频移键控(FSK)，把高速的数据流分成多个平行的低速数据流，把每个低速的数据流分到每个单子载波上,在每个子载波上进行FSK。选择OFDM的一个主要原因在于该系统能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。LTE系统下行多址方式为正交频分多址（OFDMA），上行为基于正交频分复用（OFDM）传输技术的单载波频分多址（SC-FDMA）。,9,第一部分 OFDM的简介,第一章 OFDM的发展第一节 OF
5、DM的起源第二节 OFDM的发展和现状第三节 什么是OFDM第二章 OFDM的简介第一节 OFDM的基本思想第二节 OFDM的优缺点,OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输OFDM子载波的带宽 信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落”OFDM符号持续时间 信道“相干时间”时，信道可以等效为“线性时不变”系统，降低信道时间选择性衰落对传输系统的影响,OFDM的基本思想,OFDM的优缺点,OFDM系统的优点：各子信道上的正交调制和解调可以采用IDFT和DFT实现，运算
6、量小，实现简单。OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道，实现上下行链路的非对称传输。所有的子信道不会同时处于频率选择性深衰落，可以通过动态子信道分配充分利用信噪比高的子信道，提升系统性能。OFDM系统的缺点：对频率偏差敏感：传输过程中出现的频率偏移，如多普勒频移，或者发射机载波频率与接收机本地振荡器之间的频率偏差，会造成子载波之间正交性破坏。存在较高的峰均比(PARA)：OFDM调制的输出是多个子信道的叠加，如果多个信号相位一致，叠加信号的瞬间功率会远远大于信号的平均功率，导致较大的峰均比，这对发射机PA的线性提出了更高的要求。,第一部分 OFDM的简介第二部分 OFDM的实现第三部分 OF
7、DM的应用,13,第二部分 OFDM的实现,第一章 OFDM的系统原理第一节 OFDM的正交性第二节 DFT和IDFT介绍第三节 OFDM系统原理第二章 OFDM的实现第一节 OFDM帧检测和同步方法第二节 OFDM信道估计与均衡,OFDM的正交性,对于任意两个函数S1(t)和S2(t)，如果有,则函数S1(t)和S2(t)在区间(0,T)上正交。,对于OFDM，设相邻子载波的频率间隔,，T是符号的持续时间。,那么，任意一对子载波可以分别表示为,正整数。可以得到，两个子载波的内积，满足：,和,，其中K1和K2是,即，子载波,和,正交。,对OFDM正交性“的理解,一个OFDM符号周期内4个子载波
8、的实例,OFDM的正交性,DFT和IDFT定义,N样本序列的N点离散Fourier变换(DFT)，以及变换为的离散Fourier逆变换(IDFT)，定义如下：,频域内每个采样点,的线性,，都是时域内所有采样点,的线性叠加。,叠加；同样，时域内每个采样点,都是频域内所有采样点,DFT和IDFT介绍,OFDM系统原理,OFDM系统基本模型图,OFDM基带信号的生成,OFDM系统原理,保护间隔(Guard Interval)和循环前缀(cyclic prefix),OFDM系统原理,保护间隔(Guard Interval)和循环前缀(cyclic prefix),OFDM系统原理,OFDM的调制解调
9、原理,OFDM系统原理,各个子载波之间要求完全正交，各个子载波收发完全同步发射机和接收机要精确同频、同步多径效应会引起符号间干扰以及载波间干扰积分区间内信号不具有整数个周期,IFFT实现OFDM调制,OFDM系统原理,23,第二部分 OFDM的实现,第一章 OFDM的系统原理第一节 OFDM的正交性第二节 DFT和IDFT介绍第三节 OFDM系统原理第二章 OFDM的实现第一节 OFDM帧检测和同步方法第二节 OFDM信道估计与均衡,OFDM帧检测和同步方法,利用短训练序列作相关，在OFDM符号流中寻找帧的开始位置,帧检测,符号同步,OFDM帧检测和同步方法,粗频偏估计校正后，用接受的训练符号
10、与当地的长训练符号（把后面的32点复制到前面，即CP）做协相关，然后归一化，则第一个峰值点为长训练符号的起始点。,采样同步,OFDM帧检测和同步方法,采样时钟的漂移使子载波的相位旋转，带来了ICI，符号定时点的漂移。为了使接收端的A/D变换器和发射端的D/A变换器的工作频率保持一致，需要对接受序列进行相位调节。,OFDM信道估计与均衡,在OFDM系统中,时变多径信道会对OFDM信号产生畸变,对于每一路子载波，信道将对其上的信号产生不同的相位的旋转和幅度的畸变，造成I路和Q路信号分量相互干扰.信道估计的作用就是估算出信道在每一路子载波上引起的相位旋转和幅度衰减,利用均衡器.同时信道估计也为接收机
11、同步提供信道特性参数(剩余频偏估计跟踪,采样时钟同步)。,OFDM信道估计的算法1频域方法1(LS算法),X(k)为训练符号H(k)为信道频域响应R(1,k)和R(2,k)为训练符号和信道频域响应的乘积再加上信道噪声的结果训练符号的幅度为1,OFDM信道估计与均衡,OFDM信道估计的算法2频域方法(基于DFT的信道估计),OFDM信道估计与均衡,OFDM信道估计的算法3时域方法 x为训练符号(时域)时域卷积可以表示为矩阵向量的相乘,训练数据形成的循环卷积矩阵为,信道冲击响应向量为,OFDM信道估计与均衡,信号的卷积可以表示成为 于是,X+为 moore-Penrose归纳的X的广义逆矩阵.信道
12、的频率响应可以通过计算冲击响应估算的离散傅立叶变换而得到。,OFDM信道估计与均衡,三种算法性能比较,OFDM信道估计与均衡,在较低信燥比的情况下,时域信道估计方法有最好的MSE性能,FFT算法其次,最差的是LS算法.但是随着信噪比的增大(20dB以上),LS算法优于FFT算法,时域方法优于LS算法。FFT算法在高信噪比情况下存在”地板效应”,即不管怎么提高信噪比,MSE性能都得不到改善。,三种算法性能比较,OFDM信道估计与均衡,正如前面所述,LS算法在低信躁比的情况下估算的值有很大的噪声分量，DFT算法较之平滑，时域方法有最好的性能.图示为三种信道估计算法得到的信道频域响应。条件是SNR=
13、10dB.Trms=50ns 对应12径。,第一部分 OFDM的简介第二部分 OFDM的实现第三部分 OFDM的应用,35,第三部分 OFDM的应用,第一章 LTE上行OFDMDFTS-OFDM第一节 上行SC-FDMA多址方式第二节 LTE上行SC-FDMA处理第三节 DFTS-OFDM原理第二章 LTE下行OFDMOFDMA 第一节 LTE下行OFDM多址方式第二节 LTE下行OFDM处理第三节 SC-FDMA与OFDMA处理流程对比,上行SC-FDMA多址方式,LTE系统中上行链路采用SC-FDMA技术，以期降低PAPR，提高功率效率，通过DFTS-OFDM技术来实现。DFTS-OFDM
14、可以认为是SC-FDMA的频域产生方式，是OFDM在IFFT调制前进行了基于傅立叶变换的预编码。DFTS-OFDM与OFDM的区别在于：OFDM是将符号信息调制到正交的子载波上，而DFTS-OFDM是将M个输入符号的频谱信息调制到多个正交的子载波上去。单载波的实质是一个星座点符号分布在所有分配给他的频率上。单载波本身不一定PAPR小，但一般单载波容易做到PAPR小。如果DFT后的信号不是等间隔或者集中分布在所分到的子载波上，也是单载波，但是PAPR就比较大。,LTE上行SC-FDMA处理,OFDM调制的高峰均比特性对发射机的线性度、功耗提出了很高的要求，不适合在UE侧使用。LTE上行采用的是D
15、FTS-OFDM调制方案，区别在子载波映射之前加入了一个DFT环节，能够有效降低峰均比。,利用DFTS-OFDM的特点可以方便的实现SC-FDMA多址接入方式。通过改变不同用户的DFT的输出到IDFT输入端的对应关系，输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置，从而实现多用户多址接入。,基于DFTS-OFDM的频分多址,基于DFTS-OFDM的集中式、分布式频分多址,DFTS-OFDM原理,DFTS-OFDM调制,DFTS-OFDM原理,以长度为M的数据符号块为单位完成DFTS-OFDM的调制过程；首先通过DFT离散傅里叶变换，获取与这个长度为M的离散序列相对应的长度为M的频域序列；DFT的输出
16、信号送入N点的离散傅里叶反变换IDFT中去，其中NM。IDFT的长度比DFT的长度长，IDFT多出的那一部分输入为用0补齐；在IDFT之后，为避免符号干扰同样为这一组数据添加循环前缀。,DFT的作用:DFT变换是获取输入信号的频谱信息DFTS-OFDM与OFDM的区别:OFDM是将符号信息调制到正交的子载波上DFTS-OFDM是将M个输入符号的频谱信息调制到多个正交的子载波上去。N=M时，就是典型的单载波调制。,DFTS-OFDM原理,41,第三部分 OFDM的应用,第一章 LTE上行OFDMDFTS-OFDM第一节 上行SC-FDMA多址方式第二节 LTE上行SC-FDMA处理第三节 DFTS-OFDM原理第二章 LTE下行OFDMOFDMA 第一节 LTE下行OFDM多址方式第二节 LTE下行OFDM处理第三节 SC-FDMA与OFDMA处理流程对比,LTE中下行链路采用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。如图所示：,LTE下行OFDM多址方式,LTE下行OFDM处理,SC-FDMA与OFDMA处理流程,
