OFDM技术概述以及在移动通信中的应用.doc

学年论文(设计) 题 目 OFDM技术概述 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 二九年十一月二十五日 目录1 引言32 OFDM技术基本原理42.1 OFDM 的基本原理42.2 OFDM的调制和解调的IFFT/FFT实现52.2.1 OFDM的调制原理52.2.2 OFDM 的调制技术62.2.3 FFT实现62.2.4 循环前缀72.2.5 时-频二重性分析72. 3 OFDM原理和系统模型82.4 OFDM 技术的特点113 OFDM技术在通信（3GPP LTE）中的应用123.1 LTE 的项目计划及主要性能目标123.2基本物理层传输方案133.2.1 主要物理层传输技术133.2.2双工方式和帧结构143.2.3导频与编码调制方式143.2.4 MIMO153.2.5 随机接入153.3 OFDM技术在无线通信中的应用163.4 OFDM在移动通信中的应用173.4.1 MC-CDMA173.4.2 MC-DS-CDMA183.4.3 MT-CDMA183.5 OFDM技术在通信中的优越性194 结束语19OFDM技术概述摘要:OFDM技术是一种高频带利用率的多载波调制技术,它在提高频带利用率的同时,也能有效地抵抗字符间干扰。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统。在OFDM系统中引入了正交的子载波,使得它的频带利用率比以前任何一种调制技术都要高,第四代移动通信系统计划OFDM为技术核心提供增值服务,它在宽带领域有很大的潜力。关键词:正交频分复用系统; 多载波调制; 正交子载波调制; 干扰1 引言 在各类通信过程中,普遍存在着一种很严重的干扰符号间干扰( ISI) 。在以往中都是使用自适应衡器来消除回波的干扰。但在都市内进行无线通信,时延十几微秒的回波很常见,这使得均衡器的抽头数达几百。从而大大增加了均衡器的复杂度和成本。近年来,随着移动通信业务和数字广播需求的不断增加,这一矛盾变得严重。因此,出现了一种新技术以取代复杂而昂贵的自适应均衡器,这就是正交频分复(OFDM) 1 ,2 。OFDM系统的英文全称为Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing ,即正交频分复用系统。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术,它能够同时满足高速和抗干扰两方面的要求。用正交频分复OFDM 技术可以实现在5. 15GHZ 到5. 35GHZ 频段可靠的高速数据传输。OFDM 技术是HPA (HomePlugPowerline Alliance) 工业规范的基础。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。2 OFDM技术基本原理2.1 OFDM 的基本原理OFDM 的基本原理是将高速信息数据编码后分配到并行的N个相互正交的载波上，每个载波上的调制速率很低（1/N），调制符号的持续间隔远大于信道的时间扩散，从而能够在具有较大失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效地保护。 OFDM对多径时延扩散不敏感，若信号占用带宽大于信道相干带宽则多经效应使信号的某些频率分量增强，某些频率分量减弱（频率选择性衰落）OFDM 的频域编码和交织在分散并行的数据之间建立了联系，这样由部分衰落或干扰而遭到破坏的数据可以通过频率分量增强部分的接收的数据得以恢复即实现频率分集。OFDM克服了FDMA和TDMA的大多数问题。OFDM 把可用信道分成许多个窄带信号（一般为1008000）。每个信道的载波都保持正交，由于它们之间可以非常接近，甚至频谱1/2交叠，却不需要像FDMA那样多余的开销，也不存在TDMA那样的多用户之间的切换开销。图1 OFDM系统框图过去的多载波系统，整个带宽被分成N个子频带，子频带之间没有交叠，为了降低子带之间的干扰，频带与频带之间采用了保护带，因而使得频谱利用率降低，为了克服这种频带浪费,OFDM采用了N个交叠的子频带每个子信道的波特率是1/T，子信道的间隔也是1/T。这时各子带之间是正交的。因而在收端无需将频谱分离即可以接收，可以证明这种正交的子载波调制可以用IFFT来实现。需要指出的是OFDM既是一种调制技术也是一种复用技术。图1给出了一个OFDM系统的原理实现框图，在系统中调制解调是使用IFFT和FFT来完成的。2.2 OFDM的调制和解调的IFFT/FFT实现2.2.1 OFDM的调制原理OFDM的调制原理,见图13。速率为Rbbit/s的串行比特流,经过数据编码器,每log2M个比特被映射为一个符号(M为符号空间的符号个数),从而产生速率为Rs=Rb/log2M符号/s的串行符号流,符号周期Ts=1/Rs(单位s)。将这些串行符号串并变换为N路并行符号,每一个符号调制N个正交子载波中的一个,N个调制后的子载波相加,再进行传输,然后再读入N个符号,重复以上过程。每N个子载波和被称为一个OFDM符号(宽带信道被划分成N个窄带子信道)。OFDM符号的周期Tofdm=NTs,但是因为共有N个串行速率为Rs/N的子信道并行传输,故总数据速率不变。各子载波间的正交性是通过适当选取f0以及子载波间隔实现的,取子载波间隔f=1/NTs,以及f0=k/NTs(其中k为大于或等于零的整数,一般取零),fn=f0+nf,则各子载波间在一个OFDM符号周期内可保持正交。OFDM系统接收端的解调部分如图2所示,OFDM符号经过混频器/积分器组进行解调和判决。在不考虑同步误差及信道干扰的理想情况下,进入每一路混频器/积分器的信号为相互正交的正弦信号和余弦信号的和,其形式为:a(0)cos(2f0t) +b(0)sin(2f0t) +, +a(N- 1)cos(2fN-1t) +b(N- 1)sin(2fN-1t)考虑fn子载波上的同相分量:频率为fn的同相混频器将整个上式乘以cos(2fnt),然后将所得的积在时间0NTs内进行积分。因为载波间的正交性,积分运算只对位于fn处的同相子载波有非零结果,从而提取出有用数据a(n),同样的道理可以从各正交支路恢复出b(n)。所有被恢复的符号经并串变换后,再进行解码,即得到所发送的原始数据比特。可见,虽然子信道频谱相互混叠,子载波间的正交性却使得各个子信道依然能够被分离出来。2.2.2 OFDM 的调制技术OFDM 系统的各个子载波可以根据信道的条件来 使用 不 同 的 调 制 , 例 如 BPSK , QPSK , 8PSK ,16QAM ,64QAM 等等 ,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为准则 。选择满足一定误码率的最佳调制方式以获 得最大频谱效率 。多径信道的频率选择性衰减会导致 接收信号功率大幅下降 ,达到 30dB 之多 ,信噪比也大幅下降 ,使用与信噪比相匹配的调制方式可以提高频 谱利用率 。众所周知 ,可靠性是通信系统运行是否良 好的重要考核指标 ,因此系统通常选择 BPSK 或 QPSK 调制 ,这样可以确保在信道最坏条件下 ,系统也能获得 很好的性能 。但是这两种调制的频谱效率太低 。如果 使用自适应调制 ,那么在信道好的时候终端就可以使用较高的调制 ,同样在终端靠近基站时 ,调制可以由 BPSK(1bit/ s/ HZ) 转化为 16 - 64QAM (4 - 6 bit/ s/ HZ) , 整个系统的频谱利用率大幅度的改善 ,自适应能够使 系统容量翻倍 。2.2.3 FFT实现图1的输出可写作:N-1X(t) =a(n)cos 2fnt+b(n)sin 2fnt (1)n=0式(1)中,0tNTs,以t=Ts进行采样,得N-1X(mTs) =a(n)cos2fn(mTs) +b(n)sin 2fn(mTs) (2)n=0式(2)中,m=0,1,N-1。将这些分量以t时间间隔进行低通滤波,即进行D/A变换,则又可以回复为原来的模拟信号X(t)。将fn=f0+nf代入(其中,f0=k/NTs,且取k为N的整数倍),则式(2)可写N-1 -j2nm/N作:X(m) = Rea(n) + jb(n) e n=0(m= 0,1,2,N- 1) (3)而大括号内正是序列xn=a(n)+jb(n),(n=0,1,N-1)的离散傅立叶变换DFT。可见,图1的框内部分可用DFT实现,取DFT输出的实部,再经D/A变换和重建(平滑)滤波又可恢复成原来的模拟信号X(t),经上变频即可送入信道进行传输。由于只传DFT输出的实部,在接收端(下变频之后)则须以时间t/2间隔进行采样,并进行2N点DFT才能恢复出原来的数据2。与发送端同,图2接收端的框内部分也可以用DFT模块代替。为使DFT输出为实数,可以将xn的共轭反转序列x*-n右移2N点置于xn之后从而构成2N点的共轭偶对称序列(若新构成的2N点序列为xn,还需要x0、xN均为实数),其2N点的DFT即为实数。另外,如果上变频调制的输入既有I通道又有Q通道,则不仅可以传实部(I通道),还可以传虚部(Q通道)。由于将a(n)改为-a(n)或将b(n)改为-b(n)不影响信息的携带,又由于OFDM作为MCM的一种,被视为一种频域技术,故图1所示的虚线框内部分,也可用IDFT来实现。使用IDFT的输出为X(m) = Rea(n) + jb(n)ej2nm/N经D/A变换后得X(t) =a(n)cos 2fnt-b(n)sin 2fnt与式(1)相比,X(t)与X(t)的差异仅在于幅度以及b(n)的符号,因而不会影响信息的传输。由于DFT/IDFT有快速算法FFT/IFFT(如果N2m,可补零),从而图1中的虚线框中部分可用IFFT实现,图2接收端的框内部分可用FFT实现。OFDM系统的FFT实现,可以省略大量的振荡器和积分器,而使用比较成熟的DSP技术,可有效地降低系统的成本和复杂度,促进了OFDM系统的实用化。2.2.4 循环前缀加循环前缀(CP:cyclic prefix)的目的是消除ISI和ICI。如图3所示,阴影部分为循环前缀,它是将OFDM符号尾部的一部分复制后放到前部。循环前缀的长度要大于信道最大延迟扩展max,这样使得前一个符号的多径副本都落在后一个符号的循环扩展范围内,从而消除前后2个符号之间的干扰。而且由于循环前缀的加入,使得一个OFDM符号看上去像是周期的,从而使同一个OFDM符号的不同多径版本之间的不同子载波仍能够保持正交,这样也防止了ICI。加入循环前缀以及用FFT实现的OFDM系统的基带系统如图4所示。设循环前缀的长度为Ncp,则加入循环前缀后一个OFDM符号的长度变为Ns=Ncp+N,IFFT输入的第i个序列为xi=x(iNs+Ncp),x(iNs+Ncp+1),x(iNs+Ncp+N-1)T(N为2的幂)。2.2.5 时-频二重性分析OFDM作为多载波调制技术的一种,可以认为是一种频域技术7,其所有的信号处理都是在频域完成的。在发送端,交织、信道编码、频谱成形等都是在IFFT之前完成的;在接收端,信道解码、信道均衡和相位噪声跟踪等都是在FFT之后完成的。其传输则是在时域进行的。OFDM有很强的抗时域脉冲噪声干扰的能力,但其却易受频域脉冲干扰的影响。而与此形成对比,单载波调制(SCM)能抗频域脉冲干扰,而对时域脉冲干扰很敏感。频谱成形和信道编码可以用于改善OFDM(MCM)系统抗频域脉冲干扰,而SCM则使用自适应均衡和信道编码来改善时域脉冲干扰。为了抗ISI,SCM需要预留一部分频谱用于脉冲成形(频域),而OFDM(MCM)则插入保卫间隔(时域)。SCM系统不能加保卫间隔是因为它们的符号周期都特别短。为了抗多径干扰,SCM系统可以加入训练序列(时域)以辅助自适应均衡器收敛和系统同步。而OFDM(MCM)系统则往往设立参考符号/子载波(频域)以获得信道状态信息。综上所述,典型的OFDM系统的框图见图5。2. 3 OFDM原理和系统模型OFDM是一种特殊的多载波调制(MCM)方式,它的主要思想就是在频域内将总的信道分成很多个子信道,每个子信道上使用一个子载波进行调制,各个子载波之间相互正交,而且并行传输。这样,通过将高速串行数据流转化为低速并行数据流,就有效地消除了总的信道的频率选择性,对各路正交子载波的调制就用快速傅立叶反变换(IFFT)来实现。为了消除多径效应带来的码间干扰(ISI),在每个OFDM符号前面插入了循环前(CP),将OFDM每个符号最后一段波形复制到该符号前面。CP作为一种保护间隔,它使ISI几乎完全消除,其典型的OFDM系统如图所示。如图所示,信源发出的二进制信息成组地映射成QPSK或QAM信号,插入导频之后,频域数据X(k)经过IDFT变换成为时域数据x(n),然后插入保护间隔,得到xg(n) = x(N+n),n=-Ng, -Ng+ 1, - 1x(n),n= 0,1,N- 1 (1)式(1)中N是子载波数,Ng是保护间隔(即CP)所含的采样点数。接着发送信号通过频率选择性多径衰落信道,接收信号的表达式为yg(n) =xg(n) h(n) +w(n) (2)式(2)中,h(n)是信道的脉冲响应,w(n)是加性白高斯噪声。无线移动信道通常采用广义静态非相关散射(WSSUS)信道模型,所以信道脉冲响应可表示成3 r j2fDiTnN(-i) h(n) = he, 0nN- 1 (3)i=1式(3)中,r表示传播路径总数,hi是第i径上的复脉冲响应,fDi是第i径上的多普勒频移,表示时延扩展索引,i是第i径由采样时间归一化的延时。从yg(n)上去掉保护间隔得到序列y(n),再经过DFT变换,得到频域序列Y(k)。假设保护间隔长度大于信道的脉冲响应长度,那么OFDM符号之间不存在ISI,因此,Y(k) =X(k)H(k) +I(k) +W(k)(k= 0,1,N- 1) (4)式(4)中,W(k)是w(n)的傅立叶变换,而I(k)是由多普勒频移引起的载波间干扰。然后就可Y(k)中提取接收导频信号Yp(k),从而得到导频子载波上的信道响应Hp(k),再经过插值得到完整的信道响应H(k)。这样,发送数据X(k)就可以通过在每个子载波上作一个单抽头的复数除法而简单地恢复出来。即X(k) =Y(k)/H(k)(k= 0,1,N- 1) (5)式(5)中,H(k)是H(k)的估计值。从式(5)也可以看出OFDM系统相对于单载波系统而言,其均衡复杂度要低得多。导频分布模式基于导频的信道估计的导频分布模式通常有两大类5:块状导频分布和梳状导频分布(图2a和图2b所示)。所谓块状分布是指导频在时域周期性地分配给OFDM块(即符号),这种导频分布模式特别适用于慢衰落的无线信道。由于训练符号包含了所有的导频,所以在频域就无需插值,因此这种导频分布模式对频率选择性衰落相对不敏感。所谓梳状分布是指导频在每个OFDM块中是均匀分布的。由于这种模式在时域上是连续估计的,所以它具有很强的抗快衰落能力。另一方面,因为只有某些特定的子载波携带导频,其它的数据子载波上的信道频响需要通过对相邻导频子载波上的信道响应插值而得到,所以梳状导频相对于块状导频而言,对频率选择性衰落更为敏感。不失一般性:导频信号是在时间和频率二维方向插入的,所以应该满足二维采样定理。设时域和频域上的导频间距分别为Dt和Df,它们分别由最大多普勒频移fD,max和最大时延扩展max来决定,即Dt1/2(Tu+Tg)fD,maxDfTu/max(6)式(6)中,Tu和Tg分别表示一个OFDM符号持续时间和保护间隔长度。导频间隔越小,即导频分布得越密,估计的效果越好,但有效数据传输率也越低。OFDM技术的主要思想是将给定信道分成许多正交的子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制。通过在每个符号前预置保护时间,可以改善ISI。这要求保护时间的长度必须大于等于时延扩展。OFDM使用的最有效的保护时间段通常称为循环前缀(CP) ,实际上就是直接将符号的末尾部分复制到开始部分。符号的复制是用来保持波形的正交性,并防止载波间干扰(ICI) 。如图 是一个基本的OFDM系统需要传输的数据比特经数字调制 (如 MPSK ,MQAM 等)后成为复信号Xk，通过N点的IFFT变换 ,完成多载波调制，使信号能够在N个子载波上并行传输变换后的信号经并串转换，将串行数据尾部的L个点复制到前部，作为循环前缀，构成一个长为 L + N 的完整的OFDM 数据帧，如图2所示 。这 N + L个抽样点经过 D/A 后输出 。在接收端经同步算法，估计出帧定时点和频率偏移，删去循环前缀，再经N点FFT变换后即得解调数据 。图 2 循环前缀示意图2.4 OFDM 技术的特点随着 DSP 芯片技术的发展 , 格栅编码技术 、软 判 决 技 术 、信 道 自 适 应 技 术 等 成 熟 技 术 的应 用 , OFDM 技术的实现和完善指日可待 。现阶段 OFDM 在许多领域也得 到 了 广 泛 的 应 用 。主 要 的 应 用 包 括 :非对称的数字用户环路 (ADSL ) 、ETSI 标准的数 字音频广播 (DAB) 、数字视频广播 (DVB) 、高清晰度 电视 ( HDTV) 、无线局域网 ( WLAN) 等 。OFDM 之 所 以得到广泛的应用 ,是因为它具有如下的优势 :(1) 能够实现高速数据传输 ;(2) OFDM 技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的变化 ;(3) 可以自动地检测到哪一个特定的子载波存 在高的信号衰减或干扰脉冲 ,然后采取合适的调制措施避免使用这些子载波 ,实现成功通信 ;(4) 特别适合用于高层建筑物 ,居民密集和地 理上突出 ,信号撒播以及需要删除多径影响 (例如高 速的数据传输及播音) 的地方 ;(5) 允许子载波间相互重叠 ,从而提高了频带 的利用率 ;(6) 可以有效抵抗频率选择性衰减 ,用信道编 码和 interleaving 可以恢复由于频率选择性衰减而丢失的信号 ;(7) 几乎不需要均衡技术 ,简化了系统的结构 ; (8) 用 FFT 技术简化了计算 ;(9) 有效抵抗 ICI 和 impulsive parasitic noise 。 虽然采用 OFDM 技术能够使系统具有以上的优点 ,但是仍然存在着不足 。3 OFDM技术在通信（3GPP LTE）中的应用随着移动通信的蓬勃发展,全球无线通信呈现出移动化、宽带化和IP 化的趋势,移动通信行业竞争日趋激烈。为了和WiMAX ,Wi2Fi 等新兴的无线宽带技术竞争,提高3G在新兴宽带无线接入市场的竞争力,3GPP 开始了UMTS 技术的长期演进(LongTerm Evolution ,LTE) 技术的研究,以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPP 长期演进项目是关于UTRA和UTRAN 改进的项目,是近两年来3GPP 启动的最大的新技术研发项目,它的目标是更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围,以及较低的成本。3.1 LTE 的项目计划及主要性能目标LTE 的发展过程分为SI(Study Item) 和WI (WorkItem) 两个阶段。SI 阶段在2006 年年中结束,完成可行性研究。该阶段主要完成了目标需求的定义,明确了LTE 的概念等,征集候选技术提案,并对技术提案进行评估,对符合目标需求,有可能融合的提案进行讨论,最终选择出适合LTE 的技术。WI 阶段在2006 年年中以后开始,并开始着手于标准的建立。该阶段对未来LTE 标准细节的各个方面展开讨论和起草,该阶段将一直持续到2007 年年中,并完成核心的技术规范制定。考虑到市场的需要,WI阶段与3G 标准的制定过程相比节奏明显加快。根据3GPP ,LTE 项目的具体目标主要有1 :(1) 支持1. 25MHz20MHz 的带宽配置,并且支持对称和不对称的频谱分配。3GPP LTE 系统支1.25MHz , 1. 6MHz ,2. 5MHz ,5MHz ,10MHz ,15MHz 和20MHz 的带宽设置2 。从而从技术上保证LTE 系统可以继续使用第三代移动通信系统的频谱。(2) 提高小区边缘的比特率,增强3GPP LTE 系统的覆盖性能。这主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术来实现。(3) 系统性能方面3 : 实现峰值数据率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行链路频谱效率(bitPsPHzPsite) 达到3GPP R6 中HSDPA 的34倍,上行链路频谱效率为HSUPA 的23 倍。用户吞吐量方面,下行链路用户每兆赫吞吐量(C. D. F. 的5 %处) 为3GPP R6中HSDPA 的23 倍,平均吞吐量为HSDPA 的34倍。上行链路(UE 单天线发射,Node B 双天线接收情况下) 用户每兆赫吞吐量为3GPP R6 中HSUPA 的23倍,平均吞吐量为HSUPA 的23 倍。低时延要求:出于对VoIP 和在线游戏的重视,LTE 对用户面延迟的要求较为严格,要求用户面内部单向传输时延低于5ms ,控制面从休眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms ,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。(4) 取消电路交换,采用基于全分组的包交换。电路交换域的业务在包交换域实现,如采用VoIP 技术。(5) 支持与现有3GPP 和非3GPP 系统的互操作且追求后向兼容。降低建网成本,实现从R6 的低成本演进。实现合理的终端复杂度、成本和耗电。3.2基本物理层传输方案从LTE 制定的目标需求可以看出,下行100MbitPs和上行50MbitPs 的传输能力对物理层传输技术提出了较高要求。在方案的征集过程中有6 项提议被通过2 ,经过多次会议的艰苦协商, 最终确定3GPPLTE 系统物理层传输方案为上行采用单载波SC2FDMA ,下行采用OFDMA。3.2.1 主要物理层传输技术上行SC2FDMA 的实现:尽管OFDM技术具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落能力强等优点,但由于OFDM 系统功率峰均比( PAPR) 较高,从而增加发射机功放的成本和耗电量,不利于上行链路的实现。因此,在3GPP LTE 系统中,上行传输方案采用带循环前缀的SC2FDMA。SC2FDMA 是一种新型的单载波频分多址方式,作为宽带移动通信上行链路解决方案,它支持扩频技术、频域均衡方法以及多用户复用的通信景。上行SC2FDMA 信号可以用“时域”和“频域”两种方法生成。时域处理的SC2FDMA 有两种实现形式:一种是将已调制符号数据块先重复级联,再添加循环前缀,接着经过成形滤波后,通过用户特定的频谱搬移实现频分多址。采用这种实现方式的系统称为交织频分复用多址( IFDMA) 系统,其传输信号具有离散频谱。另一种是将已调制符号数据块直接添加循环前缀,经过成形滤波后,再通过用户指定的频谱搬移, 实现频分多址, 其传输信号具有连续频谱。频域生成方法主要是DFT2S2OFDM2 和DFT2S2GMC425两种。基于离散傅里叶变换扩频的正交频分复用多址(DFT2S2OFDM) 是在OFDM 的IFFT 调制之前对信号进行DFT 扩展,由于DFT2S2OFDM将每个数据符号扩频到所有分配的子载波上传输,从而使得其传输信号具有单载波信号的特性。另一种频域生成方法是3GPP LTE 上行链路参选方案DFT2S2GMC(General Multi2Carrier) ,该技术是基于DFT 扩频和多子带滤波器组(multi2band filter2bank) 的单载波传输技术。与DFT2S2OFDM方法不同的是,DFT2S2GMC 采用逆滤波器组变换( IFBT:inverse filter2bank transform) 实现频分复用和频分多址4 。最后,对滤波输出的多组信号进行移位叠加和循环数据块生成等时域处理,生成GMC时频复用符号。时域处理的SC2FDMA 比DFT2S2OFDM 具有更低的峰均比,但其频谱利用率明显降低。与OFDMA系统相比,DFT2S2OFDM 和DFT2S2GMC 技术由于在发射端增加DFT 使得IDFTPIFBT 之后的信号等效为时域符号,因此,峰均比得到明显降低。3.2.2双工方式和帧结构目前3GPP LTE 物理层技术研究包括频分双工目前 3GPP LTE 物理层技术研究包括频分双工(FDD) 和时分双工(TDD) 两种双工方式。根据3GPPTR25. 9133 中对FDDPTDD 共性的需求, 3GPPTR25. 8142 中内容都基本假设均适用于FDD 和TDD。在TDD 模式下,每个子帧可以作为上行子帧或者下行子帧。上行和下行子帧之间可以空出若干个OFDM符号作为空闲( Idle) 符号,以留出必要的保护间隔。由于子帧结构可能不断变化,因此需要通过信令通知系统当前的子帧结构。由于LTE 在数据传输延迟方面的要求很高, 因此,LTE 系统必须采用较小的最小交织长度(TTI) 。LTE 系统上下行帧长度均为10ms , FDD 模式下,分为10 个子帧,每个子帧包含两个时隙,每时隙长为0. 5ms。TDD 模式下,分为两个子帧,每个子帧包含7 个时隙,每时隙长为0. 675ms。上下行的子载波宽度为15kHz ,最小物理资源块为180kHz ,即12 个子载波宽度6 下行OFDM 的循环前缀(CP) 长度有长短两种选择。长CP 的持续时间为16. 67ms , 每子帧由6 个OFDM符号组(采用0. 675ms 子帧时为8 个) 。长CP方案用于支持LTE 大范围小区覆盖和多小区广播业务。短CP 持续时间为4. 69ms (采用0. 675 子帧时为7. 29ms) , 每子帧由7 个OFDM(采用0. 675ms 子帧时为9 个) 符号组成。短CP 方案为基本选项,主要支持单播业务。上行由于采用单载波技术,上行每子帧由8 个OFDM符号组成,如图3 所示,6 个LB(Long Block) 和2 个SB (Short Block) , LB 用于数据信号传输,SB 用于导频信号传输。为了与TDD 系统共存, 又分为低码速率时分双工(LCR2TDD) 和高码速率时分双工(HCR2TDD) ,并设计了相应的帧结构。虽然为了支持实时业务,LTE 的最小TTI 长度仅为0. 5ms。但系统可以动态地调整TTI ,将几个相邻的子帧拼接成一个TTI ,以便在支持其他业务时避免由于不必要的IP 包分割而造成的额外的延迟和信令开销。TTI 可以呈现为半静态和动态两种传输信道特性。对于半静态TTI ,TTI 需要上层信令来设置;动态TTI 情况下,拼接成TTI 的子帧数目可以由初始化传输和可能发生的重传来动态调节。3.2.3导频与编码调制方式位于SC2FDMA子帧的两个SB 内,与其他LB 时分复用。RS 用于Node B 的信道估计和信道质量(CQI) 估计。上行参考信号可采用FDM,CDM,TDM 或者上述方法的结合来实现。频域正交导频(FDM) 下,采用与LB 中数据信号相同的载波映射方式。由于SC2FDMA SB 的长度仅为LB 的一半,SC2FDMA 参考符号的子载波宽度为数据子载波宽度的两倍。码域正交导频(CDM) 采用CAZAC 序列(恒包络零自相关序列) 的不同循环位移样本实现。目前上行导频结构仍未确定,FDM及CDM均可能被采用。LTE 目前已经确定了下行的导频设计。下行导频格式采用时分复用(TDM) 的导频插入方式。每个子帧可以插入两个导频符号,第1 和第2 导频分别在第1 和倒数第3 个符号。导频的频域密度为6 个子载波,第1 和第2 导频在频域上交错放置。在采用MIMO 的情况下,须至少支持4 个正交导频以支持4 天线发送(对智能天线例外) 。在一个小区内,多天线之间主要采用FDM方式的正交导频;在不同的小区之间,采用CDM实现正交导频。LTE 上行调制方式主要采用位移BPSK(P22shift BPSK) ,QPSK,8PSK 和16QAM。下行主要采用QPSK,16QAM 64QAM。上行采用位移BPSK技术可以进一步降低DFT2S2OFDM 的峰均比。 另外,可以通过频域滤波( Spectrum Shaping) 、选择性映射(SLM) 、部分传输序列(PTS) 等技术进一步降低系统峰均比1 。在3GPP TR25. 913 中提到, 立方度量(Cubic Metric) 8 是比峰均比更准确的衡量对功放非线性影响的指标。在信道编码方面,LTE 主要考虑Turbo 码,但如果能获得明显的增益,也将考虑更先进的编码方式,如低密度奇偶校验码(LDPC) ,在大数据量情况下,LDPC 码可获得比Turbo 码更高的编码增益,在解码复杂度上也略有减少。为了实现更高的处理增益,还可以考虑以重复编码作为前向纠错码(FEC) 的补充。3.2.4 MIMOMIMO 技术在3GPP R7 中已经被作为WCDMA增强的一个重要特性被引入。LTE 系统将设计可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境的MIMO 技术。基本的MIMO 模型是下行2 2 ,上行1 2 个天线。同时也正在考虑更多的天线配置(如4 4) 的必要性和可行性。具体的MIMO 技术尚未确定,目前正在考虑的方法包括空间复用(SM) 、空间多址(SDMA) 、预编码(Pre2coding) 、自适应波束形成(Ada2ptive beam forming) 、智能天线以及开环分集(主要用于控制信令的传输,包括空时块码(STBC) 和循环位移分集(CSD) ) 等。上行将采用一种特殊的被称为虚拟(Virtual)MIMO 的技术,此项技术可以动态地将用户终端配成一对。两个UE 各有一个发射天线,并共享相同的时频域资源,进行虚拟的MIMO 发送,从而提高上行系统的容量。3.2.5 随机接入随机接入主要分为同步的随机接入和非同步的随机接入。对于同步的随机接入,目前的讨论还较少在非同步的随机接入中,LTE 倾向于在UE 的签名序列中隐含消息比特,以提高基站对用户接入的控制效率用户的签名序列采用Zadoff2Chu 码经过循环移位的扩展的Zadoff2Chu 序列的零相关区域(ZC2ZCZ) 码, 对小区覆盖范围较大的情况可采用复杂度较简单的短码重复。另外, 小区搜索、同步、调度、链路自适应、HARQ、功率控制、小区间干扰抑制、切换、小区搜索、MSMS(多播广播) 、层1 与层2 信令等物理层技术,通过讨论也取得了一定的进展,进一步的发展也正在讨论之中。3.3 OFDM技术在无线通信中的应用WiMAX宽带技术发展十分迅速，已经以OFDMAWMAN TDD的名义被国际电信联盟（ITU）批准成为移动设备的全球标准之一，将可能成为3G高速无线网络接入的首选技术。移动W i M A X的空中接口标准是IEEE 802.16e-2005，采用OFDM技术，增加了数据传输速率和网络吞吐量，工作在低于6G H z适宜于移动性的许可频段，使终端能够在不同基站间进行切换和漫游。 O F D M作为W i M A X物理层技术，主要有两种实现方式：O F DM物理层和O F D MA物理层。O F D M物理层采用256载波的O F D M调制方式（正交频分多路复用）。正交载波集为单一用户并行传输数据流，上行链路采用T D M A多址方式，下行采用T D M复用方式。O F D M A物理层采用O F D M A（正交频分多址接入），可以支持2048点、1024点、512点、128点的F F T点数，以适应不同地理区域从20M H z到1.25M H z的不同载波带宽的需要。这种接口通过给每个接收机分配载波子集提供多路访问。O F D M调制技术提供了灵活的子载波分配调度能力，从而可以充分利用宽带多载波传输技术的频率选择特性。O F D M A支持子信道化。在下行中，一个子信道可以指定给不同的接收机；上行中，一个发信机可分配一个或多个子信道，多个发信机可同时发射。对于每一个子信道，编码和调制是独立自适应的，以便在更小的范围内优化信道（而不是在整个信道范围内优化）。组成一个子信道的多个子载波可以相邻也可以不相邻。协议规定了两种基本的子载波分配方式：集中式和分布式，如图2所示。集中式即将若干连续子载波分配给一个子信道，这种方式下系统可以通过频率选择性调度充分利用多用户之间的分集增益。集中方式也可以降低信道估计的难度，但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。分布式系统将分配给一个用户的子载波分散到整个信道，各用户的子载波交替排列，从而可以通过离散的频率选择性调度充分利用频率分集增益。但这种方式下信道估计较为复杂，无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。在进行实际系统设计时，应在这两种方式中进行灵活选择。未来蜂窝移动通信将以数据和多媒体通信为主对数据速率的要求会越来越高，带宽的需求越来越大，对时延要求也越来越苛刻，并将以互联网作为承载网络，以IP协议为基础进行通信等等。这就需要一些关键技术的支持，如为了达到高速传输以及满足高QoS，必须提高频谱利用率、增强抗码间干扰能力，增强信号抗衰落能力，降低用户间的干扰等。这就需要OFDM作为物理层的调制技术。3G为了应对其他无线通信标准的竞争，在演进过程中发生了革命性转变，将以O F D M技术替代3G的核心技术CDMA。3GPP LTE多址接入的下行链路将选用OFDMA技术。OFDMA技术的PAPR较高，对放大器的线性度要求就会很高，从而会增大U E的功耗和功放成本，降低U E的功率利用率，并会减小上行的有效覆盖范围，所以在上行链路中采用了具有较低峰均比的SC-FDMA技术。DFT-S-OFDM是SC-FDMA的频域产生方式。这种技术是在O F D M的I F F T调制之前对信号进行DFT扩展，不同终端通过调整DFT与IFFT之间的子载波映射规则调制到上行的不同频率资源块上， 在IFFT后面加入CP以实现上行用户之间的正交性和降低接收端的频域均衡复杂度。这样系统发射的是时域信号，在某一时刻只发送一个符号，类似单载波技术，发送信号的波形幅度较小，具有较低的峰均比，并且其峰均比对放大器的影响将只取决于调制技术，从而降低了终端对功率放大器的要求。D F T-S-O F D M子载波分配具有两种模式： 分布式与集中式。图3为集中式分布的系统框图。在3G P P2 U M B中，上行链路O F D M技术峰均比问题通过预编码等方式解决，其上下行链路均采用OFDMA，同时在反向链路保留了CDMA数据信道，用于传输突发的低速率、对时延敏感的反向数据。3.4 OFDM在移动通信中的应用OFDM应用于移动通信,主要是指与各种多址方式的结合。目前,引起广泛研究兴趣的是OFDM与DS-CDMA的结合,其基本动机是利用OFDM和CDMA各自的优点,构造一种高速传输的有效方式。它们相结合的方式主要有3种:MC-CDMA、MC-DS-CDMA以及MT-CDMA,统称为多载波CDMA。其中第1种属于频域扩频,它将一个扩频序列的各个码片分配到不同的子载波上传输,从而可以获得明显的频率分集。而后2种都是时域扩频,它们的每一个子载波上传输的都是一路DS-CDMA信号,即当子载波数为1时,它们都退变为普通DS-CDMA。下面分别讨论这3种方式。3.4.1 MC-CDMAMC-CDMA发射机在频域使用给定的扩频序列将原始数据在不同的子载波上进行扩频。图6为采用BPSK调制的发射机结构及在子载波数Nc=4和处理增益GMC=4=Nc时的功率谱示意图。时域扩频(DS-