华泓信息2011年移动培训系列课程-OFDM技术原理与应用培训.ppt

华泓信息2011年移动培训系列课程OFDM技术原理与应用,1.移动通信的发展,2.主要内容,3.OFDM技术概述,Contents,4.关键技术,移动通信的发展,无线通信技术的发展,物理发现无线通信技术发展1831年法拉第电磁感应1837年莫尔斯发明电报1873年马克斯韦尔的电磁场理论1895年马可尼发明无线电1947年贝尔实验室蜂窝通信1971年Bell公司建立蜂窝移动通信系统HCMTS,第一部移动电话1924,无线通信的环境频谱环境,长波30300KHz10-1km中波0.3-1.5MHz1000-200m短波1.5-30MHz100-10m超短波:米波30-300MHz10-1m微波：分米波0.33GHz100-10cm厘米波3-30GHz10-1cm毫米波30-300GHz10-1mm亚毫米波300-3000GHz1-0.1mm光波：红外光3103-3105GHz100-1m可见光3105-3106GHz0.8-0.4m,无线通信的环境传播环境,无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、绕射）无线传播的分类带宽受限信道和功率受限信道色散信道和非色散信道恒参信道和变参信道点对点信道和多址信道,无线通信系统的分类,按照频段范围分：短波、超短波、微波、毫米波等。按照传播方式分：地面视距、地面超视距、对流层散射、电离层反射、卫星等。按照多址方式分：点对点、点对多点等。按照应用背景分：固定接入、移动接入、数据接入等。按照连接方式分：电路连接、分组连接等。按照技术实现方式分：蜂窝移动通信、无绳移动通信、集群移动通信、寻呼数据通信,地面无线系统的应用分类,无线固定接入WLL，ISM，LMDSWLAN、WWAN、WMAN、WHAN、WPAN、WVAN802.11、HIPERLAN，Bluetooth无线移动接入第二代蜂窝及在第二代上增加的业务：i-mode、WAP、GPRS、EDGE等第三代蜂窝,无线通信系统,2010,4Gcellular,ITS,Millimeter-waveLAN,FouthGeneration,GSMPDCPHS,SecondGeneration,IMT-2000,WirelessFixedAcess,ThirdGeneration,FifthGeneration,Highdatarate,highmobility,systemroaming,andseamlessconnectionstobroadbandnetworks,2、主要内容,主要内容,为什么要采用OFDM技术？什么是OFDM？OFDM技术的应用?OFDM技术中存在哪些关键问题需要解决？,3.OFDM技术概述,多径传播简单模型,等效传播信道,接收端的有效信道传播信道发送/接收滤波器hc(t)随着时间随机变化必须评估及再评估信道,多径影响：ISI和延迟扩展,Maxdelayspread=effectivenumberofsymbolperiodsoccupiedbychannelRequiresequalizationtoremoveresultingISI,有效延迟扩展,延迟扩展与路径长度差异有关有效延迟扩展:是最大差异的函数采样周期Ts决定了延迟扩展效应,多载波调制的概念,把宽带信道分成窄带子信道NoISIinsubchannelsifconstantgainineverysubchannelandifidealsampling用于第四代移动通信系统,OFDM：基本概念,OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)多载波传输低速子载波上传输单路数据流OFDM主要特点抗频率选择性衰落和窄带干扰用于各种无线标准IEEE802.11a,IEEE802.16a,DAB,DVB(+DSL),HyperLANII,OFDM历史,1966年，提出了带限信道中多信道传输的思想1967年，对并行系统进行了分析相邻信道存在串扰分析了单个信道的性能1971年，基带调制/解调中使用了DFT技术使用了保护间隔和升余弦窗技术信道之间的正交性难以保证1980年，使用了循环前缀技术解决了正交性问题,OFDM历史,OFDM的应用,OFDM系统的优点,1OFDM技术将高速串行的数据流通过串并变换转化为多路并行的低速数据流在各个子载波上传输，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，并通过添加长度大于最大时延扩展的循环前缀，使得OFDM符号长度远远大于信道的最大时延扩展，从而可以有效减小无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰（ISI）。2OFDM技术选择时域相互正交的子载波，它们虽然在频域上频谱相互混叠，但在接收端仍能被分离出来，因此OFDM技术可以提高频谱的利用效率，最大限度地利用有限的频谱资源。,OFDM系统的优点,3OFDM符号的调制与解调可以采用快速傅立叶变换和反变换（FFT和IFFT）来实现，使得OFDM技术的实现更加简单方便、成本更低。4OFDM技术可以与自适应技术相结合，利用无线信道的动态特性采用动态子载波、比特和功率分配方法，充分利用系统的资源，从而提高系统性能。易与其它多种多址接入方法相结合使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行通信，获得较高的多用户分集增益，提高系统的性能。5无线数据业务的上行和下行链路的速率存在着非对称性，而OFDM技术可以通过使用不同数量的子载波来实现上行和下行链路中不同的传输速率，支持非对称速率服务。,OFDM系统的缺点,但是OFDM信号是由多个正交子载波上的输出信号的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点：1易受频率偏差和相位噪声的影响。由于无线信道的时变性，以及收发两端的上下行转换器和调谐振荡器带来的频率偏移和相位噪声都会使OFDM各子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子载波间干扰（ICI）。2存在较高的峰值平均功率比。在时域中，OFDM信号是由多个正交子载波上的输出信号的叠加，当相位一致时所得到的叠加信号的瞬时功率会远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比（PAPR）。这会对器件提出更高的要求，增加系统的复杂性。如果器件达不到要求，则可能会带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道间的正交性遭到破坏，令系统的性能恶化。,4.关键技术,关键技术,同步技术信道估计信道编码和交织峰均功率比均衡,（1）同步,时域OFDM系统中，个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它真确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差破坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引人一定量的信道间干扰（ICI），因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/了。,（1）同步,频域载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散，引起信号发生畸变。从频域上看，信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰（ICI）加以克服，系统的性能很难得到改善。,（2）信道估计,接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频的模式的设计要根据具体情况而定。,（3）信道编码和交织,子载波间编码为了对抗无线衰落信道中的随机错误和突发错误，通常采用信道编码和交织技术。OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被OFDM调整方式本身所利用，可以在子载波间进行编码，形成编码的OFDMCOFDM即把OFDM技术与信道编码、频率时间交织结合起来，提高系统的性能，其编码可以采用各种码（如分组码和卷积码）,（4）峰值平均功率比,由于OFDM信号是有一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大的PAPR。大的OFDMPAPR信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于大的PARP的概率并不大，可以把大的PAPR值的OFDM信号去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小解决方案（1）信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。（2）编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。（3）扰码技术。采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0，从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置，典型的有PTS和SLM。,（5）、均衡,在一般的衰落环境下：OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。因为均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集