LTE移动通信系统第2章 OFDM技术.ppt

单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,随着移动互联网业务和宽带业务的兴起与发展，用户对移动通信网络的接入速率和质量要求越来越高，原有基于码分多址的第三代移动通信及其增强技术将无法满足未来业务发展的需要。为了获取更高的系统性能，后向兼容性被放在了次要的位置，LTE不再采用基于CDMA的无线传输技术，转而采用能够支持更高数据速率和频谱效率的OFDM/OFDMA(正交频分复用/多址)。,通常我们采用的通信系统是单载波方案。对于宽带业务来说，由于数据传输速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，从而产生了符号之间的串扰(ISI)。当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落。,单载波传输系统,多载波传输通过把数据流分解为若干个子比特流，构成多个低速率符号并行发送的传输系统。,多载波通信系统基本结构,多载波传输技术有多种提法，最常见的有正交频分复用(OFDM)、离散多音调制(DMT)和多载波调制(MCM)。这三种提法在一定程度上是等同的，但是OFDM中各个子载波保持相互正交，在MCM中这一条件并不总是成立的。,三种不同的子载波设置方案:第一种是传统的频分复用，将整个频带划分成N个不重叠的子带；第二种采用偏置QAM(SQAM)技术，在3dB处载波频谱重叠，其复合谱是平坦的；第三种方案即OFDM，各子载波有1/2的重叠，保证相互正交。,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM系统存在如下的优点：将高速数据流进行串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰(ISI)，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。,传统的频分复用方法优点是简单、直接，缺点是频谱利用率低，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。,传统频分复用与OFDM的信道分配,各个子载波上信号的正交调制和解调在形式上等同于IDFT和DFT，因此，在实际应用中，可以采用IFFT和FFT来快速实现，,利用IFFT和FFT实现OFDM调制解调,OFDM易于和现有的空时编码等技术相结合，实现高性能的多输入多输出通信系统。,无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中的数据传输量要大于上行链路中的数据传输量。,OFDM易于和其它多种接入方法结合使用，构成正交频分多址接入(OFDMA)系统，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行不同的信息传输。,OFDM技术在实际应用中也存在缺陷，主要体现在如下两个方面：OFDM易受频率偏差的影响。OFDM存在较高的峰值平均功率比(PAPR，也称峰均功率比)。,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM基本原理,正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信源信息流通过串并变换，变换成低速率的N路并行数据流，然后用N个相互正交的载波进行调制，将N路调制后的信号相加即得发射信号。,OFDM调制原理框图,OFDM基本原理,设基带调制信号的带宽为B，码元调制速率为R，码元周期为，且信道的最大迟延扩展，OFDM的基本原理是将原信号分割为N个子信号，分割后码元速率为R/N，周期为，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。,OFDM基本原理,OFDM解调原理框图,在发射端，数据经过调制(例如QAM调制)形成的基带信号。然后经过串并变换成为N个子信号，再去调制相互正交的N个子载波，最后相加形成OFDM发射信号。,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM的IFFT实现,OFDM调制信号的数学表达形式为：(2.1),各子载波的频率为(2.2),当不考虑保护间隔时，则由(2.1)、(2.2)可得：=(2.3),OFDM的IFFT实现,对X(t)进行抽样，其抽样速率为1/，即，则有：(2.5),OFDM系统框图,在实际中可用IFFT来实现，相应的接收端解调则可用FFT来完成。,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM系统的抗多径原理,由多径传播造成的两个主要影响是多径衰落和信道响应的频率选择性，即频率选择性衰落。下面分析OFDM技术将频率选择性衰落信道转化成平坦衰落信道的基本原理。,OFDM系统的抗多径原理,参照图2.8，设X(u)表示符号周期为的输入系列，串/并变换器将M个连续的数据符号变成数据向量，即=.。数据符号向量可以表示成：=X(n，0)X(n，1)X(n，M-1)，由于数据符号向量是通过M点IFFT变换调制成OFDM符号，即=,OFDM系统的抗多径原理,为了避免OFDM符号间的干扰，IDFT输出的长为G的循环扩展被加到上作为保护间隔，一般指的是循环前缀，带有循环前缀的向量可以表示为，向量扩展的分组周期为(M+G)，通过频率选择性信道传输。,OFDM系统的抗多径原理,设多径信道数为L，保护间隔的长度应满足，假设在整个扩展的分组间隔内信道状态信息保持不变，接收的信号向量只是和的线性卷积，即,这里*表示线性卷积，=h(nM，0)h(nM，1)h(nM，L-1)。,在接收端，首先从接收到的信号向量中去掉保护间隔，形成向量=r(n，G)r(n，G+1)r(n，M+G+1)。很明显，是由的循环扩展构成，则向量是和的循环卷积。解调器对进行DFT变换，以获得解调向量:,OFDM系统的抗多径原理,是以信道冲击响应的傅立叶变换为对角元素的对角矩阵，是信道噪声的DFT。由于是对角的，则子信道可以完全分离，第k个对角元素可被看成是由下式给出的第k个子载波的复信道增益：(2.9),DFT的一个重要性质就是时域的循环卷积导致频域的相乘，则解调的信号向量为：(2.8),OFDM系统的抗多径原理,解调符号用复信道增益可表示为：，(2.10)除了噪声分量以外，解调符号是复信道增益与相应符号X(n，k)的乘积，这样带有循环前缀的OFDM将频率选择性衰落信道转化成M个平坦衰落的子信道。,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM系统中的信道估计技术,在无线通信系统中，信道是影响通信质量的最根本的要素。无线通信系统各要素中，信道从本质上影响通信的可靠性和有效性。为了获取实时准确的信道状态信息，使得系统能够获得相干检测的性能增益等性能提升和实现相关技术，准确高效的信道估计器被作为现代OFDM系统不可缺少的组成部分。OFDM信道估计方法可以分为两大类：基于导频的信道估计方法和信道盲估计方法。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,基于导频的信道估计方法就是在发送端发出的信号序列中某些固定位置插入一些己知的符号和序列，然后在接收端利用这些已知的导频符号和导频序列按照某种算法对信道进行估计。,图2.9基于导频方法的信道估计系统组成框图,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,假定子载波个数为N，表示第m个子载波上发送数据经过IFFT，产生对应的第m个OFDM信号的输出序列。(2.11),经IFFT变换后的数据为避免多径带来的符号间干扰(ISI)，在每个OFDM符号前添加长度为Ng循环前缀(CP)。添加循环前缀后，时域发送信号可以表示为：(2.12),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,多径信道可建模成为FIR滤波器，即其信道的冲激响应可以表示为：(2.13),在t时刻，信道冲激响应的频率响应CFR可写成：(2.14),信道频率响应的离散形式可写成：(2.15),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,则接收端接收到的信号和信道的线性卷积输出时域信号可以表示为：，(2.16),对应于去掉循环前缀后接收到信号的频域形式可以表示为：(2.17),若CP的长度远大于无线多径信道最大多径时延长度，则不存在ISI，有：(2.18),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,在OFDM系统中，块状导频分布的原理是将连续多个OFDM符号分成组，将每组中的第一个OFDM符号发送导频数据，其余的OFDM符号传输数据信息。块状导频结构如图2.10所示。,图2.10块状导频结构,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,梳状导频结构与块状导频结构不同，它是指每隔一定的频率插入一个导频信号，要求导频间隔远小于信道的相干带宽。这种导频结构对信道频率选择性敏感，但是有利于克服信道时变衰落中快衰落的影响。,图2.11梳状导频结构,图2.12离散分布的导频结构,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,常用的信道估计方法包括频域最小二乘(LS)算法和最小均方误差(MMSE)算法等。,1.频域最小二乘算法,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,1.频域最小二乘算法基于LS准则的信道估计方法没有使用任何信道先验信息，算法结构简单，仅在各导频子载波上进行一次除法运算，计算量小，非常适用于实际系统。但是，因LS估计中并未利用信道频域与时域的相关特性，所以在估计时忽略了噪声的影响，所以信道估值对噪声比较敏感。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.1基于导频的信道估计方法,2.最小均方误差算法MMSE估计可表示如下：(2.28),MMSE估计算法需要矩阵求逆，当OFDM系统子信道数目N增大时，矩阵求逆的运算量会变得十分巨大。在MMSE信道估计算法中，信道统计特性估计的准确程度对该算法的性能影响较大。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,信道盲估计算法大体上可以分为统计性方法和确定性方法。如果发射信号的统计特性并非已知的，或者说信源虽然是随机信号，但是它的统计特性在信道估计过程中并没有起作用，那么与之对应的信道估计方法就认为是确定性方法。如果发射信号服从特定的统计特性随机分布，并且在信道估计过程中使用了信号的统计特性，那么该估计方法就是统计性方法。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法确定性方法大多利用了发送信号的固有特征或通信系统结构本身所具有的特性。具有代表性的确定性信道盲估计算法有基于有限字符集法、互相关法和最小二乘滤波法等。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法基于有限字符集特性的信道盲估计有限字符集特性是通信信号的一个重要的冗余结构。有限字符集特性也称为序列的离散性，是指用户发送的信息符号取自有限个字符构成的集合。基于发送信号有限字符集特性的信道盲估计算法起源于最大似然(ML)原理，其大体的做法是：首先构造一个代价函数，然后在发送信号属于一个有限字符集的限制下，求该代价函数最小值所对应的解。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法设在一个通信系统的接收信号矩阵Y，信道传输矩阵为H，发送信号矩阵为X，噪声矩阵为N，则整个收/发模型为：(2.29),当噪声N服从高斯分布时，可以得到信道传输矩阵H和发送信号矩阵X的估计为：(2.30),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法化解以上的约束最优化问题分两步：第一步假设X已知，则H的ML估计为：(2.31),将式(2.31)代入式(2.32)中，可得一个新的最优化准则：(2.32)式中为X张成的子空间的正交投影算子。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法第二步即为求解式(2.32)。但是这一步的求解过程一般来说都非常复杂，最常用的方法是穷尽搜索或递归迭代。对X进行穷尽搜索是求解全局最小值最可靠的方法，但是其运算复杂程度呈指数级，使得这种方法实用性很小。采用迭代的求解方法具有低于穷尽搜索方法的复杂度，但只有当迭代初始值的比特错误概率足够的小，才能保证最终迭代结果的正确性。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法互相关法设理想无噪声的多信道模型总共有M个不同信道，其中第i和第j个信道有下列的关系式(2.33),可改写成矩阵表达形式：，(2.34),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法定义矩阵：(2.36),再设矩阵，则有：(2.37)此时，就可通过求解式(2.37)得到需要估计的信道h。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法在实际的估计过程中，可使用受到噪声干扰的接收信号按照上述方法生成矩阵，然后再通过求解下式的最小平方值获得信道估计值。(2.38)另外，也可以采用对做奇异值分解(SVD)的方法来求解。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法最小二乘滤波法在OFDM信道估计中，可以利用发送信号空间与接收信号空间的同构关系，将原信道估计转化为利用发送信号空间估计信道的问题，避免了信道阶数检测。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法设发送信号为，无噪接收信号为，有如下定义(2.39)(2.40)(2.41)(2.42),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法为了便于说明，把问题简化为的特殊情况，有：(2.44),定义一个发送信号的子空间Z满足下面两个条件：(i)(ii),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法这是一个由当前发送时刻之前和之后的观测样本矢量构成的向量空间。的滤波误差可表示为：(2.45),这样，信道矢量可通过最小化滤波误差求得，即：(2.46),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,1.确定性信道盲估计方法为了化简求解式(2.46)的求解过程，可先通过下式计算滤波误差的协方差矩阵：(2.47)其中，M为E的列数。再对做奇异值分解，其最大的奇异值所对应的向量即为所要求解的信道估计。,OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,2.统计性信道盲估计方法基于统计性的信道盲估计算法在进行信道估计的过程中使用了信号的统计特性。对于OFDM系统，可直接利用接收信号自相关矩阵进行信道盲估计，该系统接收信号与发射信号之间的关系可用如下公式表示：(2.48),OFDM系统中的信道估计技术,2.6.2信道盲估计方法,2.统计性信道盲估计方法设信号的功率为，噪声的功率为，则可计算接收信号的自相关矩阵为：(2.49),信道冲击响应可通过接收信号的自相关矩阵的第一列得出：(2.50)即可根据上式估计出h，同时存在一个标量模糊。,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,OFDM中的同步技术,2.7.1同步误差对OFDM的影响1.载波频率误差对系统的影响,设OFDM系统有N个子载波，则发送一帧OFDM信号可表示为：(2.52),设为接收信号的实际频偏与OFDM子载波间隔的比(即为相对频偏)，为接收端采样周期，接收信号可表示为：(2.53),OFDM中的同步技术,2.7.1同步误差对OFDM的影响1.载波频率误差对系统的影响,令，为最接近的整数，称之为整数倍频偏(IFO)，称之为小数倍频偏(FFO)，且，对接收端信号作FFT可得：(2.54),OFDM中的同步技术,2.7.1同步误差对OFDM的影响2.定时误差对系统的影响,当FFT窗口中包含第i-1个OFDM帧的样点，以及第i个OFDM帧的样点，做FFT变换有：,OFDM中的同步技术,2.7.1同步误差对OFDM的影响2.定时误差对系统的影响如果不考虑与的相关性，可以得到损失的信噪比：(2.57),如果估计的帧起始位置在循环前缀内，这时子载波之间的正交性不会被破坏，定时误差可以认为是信道引起的一个相位差，可以用信道估计器估计出来。但是如果估计的帧起始位置在数据区域内，FFT输出的每个子载波数据都会产生符号间干扰，严重降低系统性能。,OFDM中的同步技术,2.7.2同步的一般过程,发送与接收端的载波偏差会引起子载波间干扰，从而破坏子载波上的传输数据；FFT窗口的偏移会导致子载波数据的相位旋转，进行载波同步和符号定时同步是OFDM接收机同步的主要任务。图2.13OFDM系统中的同步一般可把同步过程分为两个阶段：捕获阶段和跟踪阶段。,OFDM中的同步技术,2.7.2同步的一般过程,同步捕获是指建立同步，在建立同步之前，接收端与发送端之间存在着较大的频偏，对于频偏估计，一般分两步进行，频率细同步和频率粗同步，分别对应于小数频偏和整数频偏的估计。定时同步一般是一步完成的，也可两步完成，进一步降低定时估计的误差，捕获阶段的主要任务是完成初步的符号同步、频偏估计等工作。,单载波调制与多载波调制OFDM的优缺点OFDM基本原理OFDM的IFFT实现OFDM系统的抗多径原理OFDM系统中的信道估计方法OFDM中的同步技术MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,MC-CDMA(OFDM-CDMA)就是将OFDM技术应用于CDMA，从而较好地克服符号间串扰(ISI)和码间串扰(ICI)的不良影响。基本过程是：每个信息符号先经过扩频，再将扩频后的每个码片chip调制到一个子载波上，若扩频码码长为N，则调制到N个子载波上。,MC-CMDA(OFDM-CDMA)技术,得到关于MC-CDMA的几种等价说法：MC-CDMA是把信息符号在时域扩频以后