LTE物理层介绍_OFDM

1、OFDM葛午未内容n背景知识n基本原理n主要参数n系统设计n优缺点n上行多址背景知识时域和频域 的物理意义 欧拉公式tttsinjcosejtje背景知识时域和频域 表示一个初始相位为0的单位旋转向量，该向量的模为1，旋转角速度为 ，在实轴上的投影为 ，在虚轴上的投影为tjetcostsin背景知识时域和频域x-y轴投影 x-t轴投影 y-t轴投影背景知识时域和频域 的“幅度-频率”特性和“相位-频率”特性tje背景知识时域和频域 由欧拉公式可得到余弦函数的复指数形式 时域图形： 频域图形)(21cos)(tjtjeettf背景知识时域和频域 幅度-频率特性 相位-频率特性背景知识时域和频域

2、时域是真实世界，是惟一实际存在的域。因为我们的经历都是在时域中发展和验证的，已经习惯于事件按时间的先后顺序地发生。类似进程和音乐，是动态的。 频域不是真实的，而是一个数学构造。时域是惟一客观存在的域，而频域是一个遵循特定规则的数学范畴。类似程序和乐谱，是静态的。 时域和频域是信号的基本性质，这样可以用多种方式来分析信号，每种方式提供了不同的角度。背景知识傅立叶变换背景知识傅立叶变换 周期信号可以由一个直流分量和一系列交流分量周期信号可以由一个直流分量和一系列交流分量合成合成 周期函数的傅立叶三角级数展开。周期函数的傅立叶三角级数展开。 由欧拉公式推出周期函数的傅立叶复指数展开由欧拉公式推出周期

3、函数的傅立叶复指数展开ntjnnectf0)()sincos(2)(10ntbntaatfnnn2201TTtjkkdtf(t)eTc背景知识傅立叶变换 傅立叶级数展开就是将傅立叶级数展开就是将f(t)表示成一系列表示成一系列Cn加权加权的的 旋转向量之和的形式，加权系数旋转向量之和的形式，加权系数Cn就是就是傅立叶系数。傅立叶系数。tnje背景知识傅立叶变换 周期函数的时频特性：时域上是周期性的，频域上是离散谱。12T0 00408背景知识傅立叶变换 非周期函数的时频特性：时域上是非周期的，频域上是连续谱。 这就是单载波调制符号的时域波形和对应的频谱图。( )x tt1T1T10背景知识离散

4、傅立叶变换(DFT) 离散傅立叶变换是为了方便在计算机及数字信号处理器中进行傅立叶分析引入的。 由 推导：1,.,1 ,0,)(1)(102NkenxNkXNnknNj102101202)(1)(11)(NnknNjsNnnTNTjkssTftjkenTxNenTxNTdtx(t)eTkXss2201TTtjkkdtf(t)eTc背景知识离散傅立叶变换(DFT) 逆变换： 离散傅立叶变换就是将信号x(t)的N个样点组成的序列x(n)表示成一系列加权的 之和的形式，加权系数X(k)就是离散傅立叶变换。knN2je1,.,2, 1 ,0,eX(k)x(n)2j10NnknNNk背景知识离散傅立叶变

5、换(DFT) 100个采样点，k取0，1，2，3时， 的情况knN2je背景知识正交 正交（正交（ Orthogonal）：）：线性代数的概念，是直观概念中垂直的推广。物理中，运动的独立性，也可以用正交来解释。 三角函数的正交性： 在周期区间上是两两相互正交的。,0sin nxdx nxdxmx sinsin,0coscos nmnmnxdxmx.0cossin nxdxmx),2,1,( nm其其中中 nxdxcos,sin,cos,2sin,2cos,sin,cos, 1nxnxxxxx背景知识正交 以 乘 为例，相乘再在周期内积分，相当于求下图黄色部分的面积，面积大于0。t2cost2c

6、os背景知识正交 以 乘 为例，相乘再在周期内积分，相当于求下图黄色部分的面积，面积为0。t2cost3cos背景知识正交 IQ调制与接调： 解调时，I路乘上cos再积分得到a。 同理，Q路乘上-sin再积分得到b。背景知识正交 复数运算实现IQ调制解调 解调背景知识正交 在一个OFDM符号内包含多个子载波。所有的子载波都具有相同的幅值和相位，从图中可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差1个周期。背景知识频分复用 频分复用(Frequency Division Multiplexing)：将用于传输信道的总带宽划分成若干个子带，每个子带传输

7、一路信号。基本原理单载波lOFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用frequency传统多载波frequencyOFDMfrequency基本原理基本原理基本原理主要参数 采样周期： FFT点数： 子载波间隔： 符号周期： 循环前缀：主要参数子载波间隔 多普勒效应主要参数子载波间隔 设手机发出信号频率为fT，基站收到的信号频率为fR，相对运动速度为，为电磁波在自由空间的传播速度(光速)；fdoppler即为多普勒频移 例360km/h车速，3GHz频率的多普勒频移：1RTTdopplerVffffC39836010/ 360

8、03101000310Hz主要参数子载波间隔 考虑因素：频谱效率和抗频偏能力频谱效率和抗频偏能力 子载波间隔越小，调度精度越高，系统频谱效率越高 子载波间隔越小，对多普勒频移和相位噪声过于敏感 当子载波间隔在10KHz以上，相位噪声的影响相对较低 多普勒频移影响大于相位噪声（以此为主）主要参数子载波间隔 2GHz频段，350km/h带来648Hz的多普勒频移，对高阶调制（64QAM）造成显著影响。 低速场景，多普勒频移不显著，子载波间隔可以较小 高速场景，多普勒频移是主要问题，子载波间隔要较大 仿真显示，子载波间隔大于11KHz，多普勒频移不会造成严重性能下降 当15KHz时，EUTRA系统和

9、UTRA系统具有相同的码片速率，因此确定单播系统中采用15KHz的子载波间隔 独立载波MBMS应用场景为低速移动，应用更小的子载波间隔，以降低CP开销，提高频谱效率，采用7.5KHz子载波 Wimax的子载波间隔为10.98KHz，UMB的子载波间隔为9.6KHz主要参数循环前缀 多径效应主要参数循环前缀 符号间串扰（ISI）主要参数循环前缀 符号间加保护间隔主要参数循环前缀 保护间隔可抑制符号间串扰，但是破坏了子载波间的正交性，带来子载波间干扰（ICI）。主要参数循环前缀 采用循环前缀可以抑制ISI和ICI主要参数循环前缀CP长度的考虑因素：频谱效率频谱效率/符号间干扰和子载波间干扰符号间干

10、扰和子载波间干扰越短越好：越长，CP开销越大，系统频谱效率越低越长越好：可以避免符号间干扰和子载波间干扰主要参数循环前缀主要参数采样频率 分别用 和 的采样频率对 的余弦波进行采样，根据采样点都能无失真的恢复出原信号。Hzfs40Hzfs20Hzf5主要参数采样频率 用 的采样频率对 的余弦波进行采样，刚好能恢复出原始信号。 用 的采样频率对 的余弦波进行采样，不能恢复出原始信号，信号发生失真。Hzfs10Hzf5Hzfs8Hzf5主要参数采样频率 奈奎斯特采样定理：要从抽样信号中无失真的恢复出原始信号，采样频率应大于2倍的信号最高频率。即： LTE最大带宽为20MHz(正负频率各占10MHz

11、)，其最高频率为10MHz。其采样频率要求：max2ffsz20MHfs主要参数采样频率 20MHz带宽分为1200个间隔为15KHz的子载波。 便于工程技术实现，离散傅立叶变换的点数需为2的指数次幂，因此，20MHz带宽下，OFDM的FFT点数取2048(相当于子载波数扩展到2048个，只是多出的子载波不用而已)。 得到每个OFDM符号有2048个样点，因此，20MHz带宽下的采样频率为： 采样间隔为2048Hz15K20480 ffs秒)204815(11sKfTs主要参数参数设计 采样周期： FFT点数： 子载波间隔： 符号周期： 循环前缀： ， 为多径时延扩展秒)204815(1)(1

12、10sKNffTFFTs2048FFTNKHzff150s0u20481TfT42ugmaxTTtmaxt主要参数参数设计 设计目标：可容忍的时延扩展为200ns，在小于18MHz带宽上传送25Mbps的比特流。 1 根据无线信道的时延扩展确定保护间隔Tg：一般情况下，循环前缀的长度是无线信道时延扩展的24倍。Tg=2004=0.8us。 2 根据保护间隔确定OFDM符号长度Ts：一般情况下，OFDM符号长度取保护间隔的58倍。Ts=0.86=4.8us。 3 根据OFDM符号长度和保护间隔确定子载波间隔： f =1/T=1/(4.8-0.8)=250kHz。主要参数参数设计 4 根据预期达到

13、的比特速率和符号长度计算一个OFDM符号需传输的比特数：n=RbTs=254.8=120bit。 5 根据一个OFDM符号需要传输的比特数和给定带宽确定调制编码方式和子载波数： 编码率、QPSK调制时，1个RE需传输1.5个比特，传120个比特需80个子载波，占用带宽为80250=20MHz，超过了限定带宽18M。 1/2编码率、16QAM调制时，1个RE需传输2个比特，传120个比特需60个子载波，占用带宽为60250=15MHz，满足限定带宽18M要求。优点 频谱效率高 带宽扩展性强 抗多径衰落 频域调度和自适应 实现MIMO技术较为简单优点频谱利用率高 各子载波可以部分重叠，理论上可以接

14、近Nyquist极限。 实现小区内各用户之间的正交性，避免用户间干扰，取得很高的小区容量。 相对单载波系统（WCDMA），多载波技术是更直接实现正交传输的方法优点带宽扩展性好 OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，几百kHz几百MHz都较容易实现，FFT尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。 非常有利于实现未来宽带移动通信所需的更大带宽，也更便于使用2G系统退出市场后留下的小片频谱。 单载波CDMA只能依赖提高码片速率或多载波CDMA的方式支持更大带宽，都可能造成接收机复杂度大幅上升。 OFDM系统对大带宽的有效支持成为其相对单载波技术的决定性优势。优点抗多径衰落 多径干扰在系统带宽增

15、加到5MHz以上变得相当严重。 OFDM将宽带转化为窄带传输，每个子载波上可看作平坦衰落信道。 插入CP可以用单抽头频域均衡（FDE）纠正信道失真，大大降低了接收机均衡器的复杂度 单载波信号的多径均衡复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽。对于更大带宽20M以上，OFDM优势更加明显优点频谱调度与自适应性好 集中式、分布式子载波分配方式l集中式子载波分配方式：时域调度、频域调度l分布式子载波分配方式：终端高速移动或低信干噪比，无法有效频域调度优点抗频率选择性衰落优点易于实现MIMO MIMO技术关键是有效避免天线间的干扰（IAI），以区分多个并行数据流。 在平坦衰落信道可以实现简单

16、的MIMO接收。 频率选择性衰落信道中，IAI和符号间干扰（ISI）混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡分开处理缺点 PAPR问题 时间和频率同步 多小区多址和干扰抑制缺点峰均比高时域波形tpower峰均比示意图缺点对频偏敏感缺点多小区多址和干扰抑制 OFDM系统虽然保证了小区内用户的正交性，但无法实现自然的小区间多址（CDMA则很容易实现）。如果不采取额外设计，将面临严重的小区间干扰（某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面的考虑而可能为多小区组网带来困难）。可能的解决方案包括加扰、小区间频域协调、干扰消除、跳频等。SC-FDMA 下行多址技术：OFDMA 上行多址技术 主要考虑因素：终端处理

17、能力有限，尤其发射功率受限。OFDM技术由于高的PAPR问题不利于在上行实现。 单载波（SC）传输技术PAPR较低 LTE采用在频域实现的多址方式：单载波频分多址（SC-FDMA）SC-FDMASC-FDMASC-FDMASC-FDMA上行上行RB资源只有集中式的分配方式资源只有集中式的分配方式SC-FDMA OFDMSub-carriers TTI：1ms Frequency Time Time frequency resource for User 1 Time frequency resource for User 2 Time frequency resource for User 3 System Bandwidth Sub-band：12Sub-carriers SC-FDMA SC-FDMA帧结构无线帧无线帧OFDM符号符号天线端口天线端口基本时间基本时间单位单位时隙时隙-slot子帧子帧物理资源物理资源帧结构n FDD帧结构 - 帧结构类型1，适用于FDD与HD FDDn 一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子