任務五：OFDM技術實踐蘭州項目部本章學習目標了解OFDM的基本概念理解OFDM的基本原理了解OFDM的優缺點理解OFDM的關鍵技術了解OFDM在上下行鏈路中的應用目錄OFDM概述OFDM的關鍵技術OFDM的應用OFDM概述什么是OFDMOFDM:正交頻分復用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）是一種多載波傳輸方式。OFDM概述正交頻分復用OFDM概述采用OFDM的好處帶寬利用率高：OFDM將頻域劃分為多個子信道，各相鄰子信道相互重疊，但不同子信道相互正交。將高速的串行數據流分解成若干并行的子數據流同時傳輸。頻率選擇性衰落小：OFDM子載波的帶寬<信道“相干帶寬”時，可以認為該信道是“非頻率選擇性信道”，所經歷的衰落是“平坦衰落”。時間選擇性衰落小：OFDM符號持續時間<信道“相干時間”時，信道可以等效為“線性時不變”系統，降低信道時間選擇性衰落對傳輸系統的影響。OFDM概述OFDM系統實現原理多載波傳輸是相對于單載波傳輸而來的：使用多個載波并行傳輸數據。把一串高速數據流分解為若干個低速的子數據流——每個子數據流將具有低得多的速率。將子數據流放置在對應的子載波上。將多個子載波合成，一起進行傳輸。OFDM概述OFDM實現過程OFDM概述LTEOFDM時頻結構時域：對應OFDM符號頻域：對應OFDM子載波OFDM概述OFDM的優勢抗多徑衰落將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上傳輸，可以減少子信道的干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此每個子信道上的信號可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾頻譜利用率高由于子載波之間正交，允許子載波之間具有1/2的重迭，具有很高的頻譜利用率計算簡單選用基于IFFT/FFT的OFDM實現方法，計算方法簡單高效頻譜靈活分配通過選擇子信道數目的不同，實現上下行不同的傳輸速率要求；通過動態分配充分利用信噪比高的子信道，提高系統吞吐量OFDM概述OFDM的不足易受頻率偏差的影響由于OFDM子信道的頻譜相互重疊，因此對正交性要求嚴格。然而由于無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現無線信號的頻率偏移，會導致OFDM系統子載波之間的正交性被破壞，引起子信道間的信號干擾存在較高的峰均比因為OFDM信號是多個小信號的總和，這些小信號的相位可能同相，在幅度上疊加在一起會產生很大的瞬時峰值幅度。而峰均比(PAPR)過大，將會增加A/D和D/A的復雜性，降低射頻功率放大器的效率。由于OFDM系統峰均比大，對非線性放大更為敏感，故OFDM調制系統比單載波系統對放大器的線性范圍要求更高目錄OFDM概述OFDM的關鍵技術OFDM的應用OFDM的關鍵技術循環前綴（多徑效應）路徑2路徑1的第二個符號和路徑2的第一個符號形成干擾路徑1

多徑效應將引起符號間干擾

OFDM的關鍵技術循環前綴-保護間隔保護間隔GI(GuardingInterval)路徑2路徑1保護間隔加入保護間隔避免符號間干擾當保護間隔的長度超過信道最大延遲，一個符號的多徑分量不會干擾下一個符號OFDM的關鍵技術循環前綴-子載波干擾子載波1帶有時延的子載波2保護間隔OFDM信號的積分區間子載波2對子載波1帶來的ICI干擾引入保護間隔后，積分區間內不再具有整數個子載波，子載波間的正交性被破壞，兩個子載波之間會產生載波間的干擾OFDM的關鍵技術循環前綴幅度保護間隔FFT積分時長OFDM符號長度循環前綴是前一個符號后一段樣點值的重復，加入循環前綴的目的是不破壞子載波間的正交性；

只要每個路徑的時延小于保護間隔，FFT的積分時間長度就可以包含整數個多徑子載波波形。循環前綴CP(CyclicPrefix)循環前綴時間OFDM的關鍵技術循環前綴加入循環前綴，要犧牲一部分時間資源，降低了各個子載波的符號速率和信道容量，優點就是可以有效的抗擊多徑效應。下圖為采用IFFT實現OFDM調制并加入循環前綴的過程：輸入串行數據信號，經過串/并轉換，輸出的并行數據就是要調制到相應子載波上的數據符號，可以看成是一組位于頻域上的數據。經過IFFT就實現了頻域到時域的轉換。OFDM的關鍵技術同步技術-同步要求OFDM系統的同步要求：載波同步：實現接收信號的相干解調；樣值同步：使接收端的取樣時刻與發送端完全一致；符號同步：區分每個OFDM符號塊的邊界，因為每個OFDM符號塊包含N個樣值。與單載波系統相比，OFDM系統對同步精度的要求更高，同步偏差會在OFDM系統中引起ISI及ICI。OFDM的關鍵技術同步技術-載波同步OFDM系統利用導頻實現載波同步，載波同步分為兩個過程：跟蹤模式：只需要處理很小的載波抖動；捕獲模式：頻偏較大，可能是載波間隔的若干倍。OFDM系統接收機通過兩個階段的同步，可以提供良好的捕獲性能和精確的跟蹤性能。第一階段：盡快地進行粗略的頻率估計，解決載波的捕獲問題；第二階段：能夠鎖定并且執行跟蹤任務。OFDM的關鍵技術同步技術-符號同步OFDM系統中，采用最大似然方法聯合實現符號定時同步和載波同步。通常多載波系統都采用插入保護間隔的方法來消除符號間干擾，最大似然方法正是利用保護間隔所攜帶的信息完成符號定時同步和載波頻率同步，克服了需要插入導頻符號實現載波同步，浪費資源的缺點。OFDM的關鍵技術信道估計加入循環前綴后的OFDM系統可等效為N個獨立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，Ｎ個子信道上的接收信號等于各自子信道上的發送信號與信道的頻譜特性的乘積。如果通過估計方法預先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，即可實現接收信號的正確解調。常見的信道估計方法有基于導頻信道和基于導頻符號（參考信號）兩種，多載波系統具有時頻二維結構，因此采用導頻符號的輔助信道估計更靈活。OFDM的關鍵技術信道估計-導頻符號位置導頻符號輔助方法是在發送端的信號中某些固定位置插入一些已知的符號和序列，在接收端利用這些導頻符號和導頻序列按照某些算法進行信道估計。在多載波系統中，通常在時間軸和頻率軸兩個方向同時插入導頻符號，在接收端提取導頻符號估計信道傳輸函數。只要導頻符號在時間和頻率方向上的間隔相對于信道帶寬足夠小，就可以采用二維內插濾波的方法來估計信道傳輸函數。OFDM的關鍵技術信道估計-導頻符號位置圖NormalCP下單天線口的導頻圖樣NormalCP下兩天線口的導頻圖樣OFDM的關鍵技術降峰均比技術-PAR在時域上，OFDM信號是Ｎ路正交子載波信號的疊加，當這Ｎ路信號按相同極性同時取最大值時，OFDM信號將產生最大的峰值。該峰值信號的功率與信號的平均功率之比，稱為峰值平均功率比，簡稱峰均比(PAPR)。在OFDM系統中，PAPR與Ｎ有關，Ｎ越大，PAPR的值越大，Ｎ=1024時，PAPR可達30dB。大的PAPR值，對發送端的功率放大器的線性度要求很高,并降低功放效率。如何降低OFDM信號的PAPR值對OFDM系統的性能和成本都有很大影響。OFDM的關鍵技術降峰均比技術降峰均比技術OFDM系統中采用信號預畸變技術降峰均比實現原理在信號被送到放大器之前，首先經過非線性處理，對有較大峰值功率的信號進行預畸變，使其不會超出放大器的動態變化范圍，從而避免較大峰均比的出現實現方法限幅壓縮擴張OFDM的關鍵技術降峰均比技術-限幅方法限幅作用：信號經過非線性部件之前進行限幅，可以使得峰值信號低于所期望的最大電平值。限幅導致的問題：會對系統造成自身干擾；會導致帶外輻射功率值的增加。解決方法：利用其他非矩形窗函數對OFDM符號進行時域加窗。OFDM的關鍵技術降峰均比技術-壓縮擴張壓縮擴張變化方法：把大功率發射信號壓縮，而把小功率發射信號進行放大，從而可以使得發射信號的平均功率相對保持不變。目錄OFDM概述OFDM的關鍵技術OFDM的應用OFDM的應用下行多址技術方案-OFDMAOFDMA（正交頻分多址接入）：是傳統的基于CP的OFDM技術。OFDMA多址接入方式：將傳輸帶寬劃分成相互正交的子載波集，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用資源被靈活的在不同移動終端之間共享。這可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術相結合的多址接入方式。如下圖所示：OFDM的應用下行多址技術方案-OFDMA根據每個用戶需求的數據傳輸速率、當時的信道質量對頻率資源進行動態分配，如圖C所示。OFDM的應用下行多址技術方案-OFDMA的優勢頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。帶寬擴展性強：帶寬取決于子載波的數量。抗多徑衰落：子信道可以看做水平衰落信道、CP的引入。頻域調度和自適應：集中式/分布式子載波分配：子載波連續分配給一個用戶，頻域調度選擇較優子信道，獲得多用戶分集增益；（高速移動或SINR較低時）將分配給子信道的子載波分散到整個帶寬，交替排列，獲得頻率分集增益。頻率選擇性：SINR、調制編碼方式MSC。實現MIMO技術較簡單：水平衰落信道，避免天線間干擾。OFDM的應用上行多址接入技術方案上行多址技術的要求和下行不同，OFDM等多載波系統的輸出是

多個子信道號的疊加，因此，如果多個信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠高于信號的平均功率，存在較高的峰均比PAPR。對發射機的線性度提出了很高的要求，會增加數模轉換的復雜度，降低RF功放的效率，使發射機功放的成本和耗電量增加。終端的能力有限，尤其是發射功率受限，所以在上行鏈路，基于OFDM的多址接入技術并不適合用在UE側使用。OFDM的應用上行多址接入技術方案OFDM的應用上行多址技術方案——SC-FDMA采用SC-FDMA多址接入方式，多用戶復用頻譜資源時只需要改變不同用戶DFT的輸出到IDFT輸入的關系就可以實現多址接入，同時子載波之間具有良好的正交性，避免了多址干擾。通過改變DFT