OFDM技术及其在5G通信中的演进

1、Introduction to OFDM Technique and its Evolution in 5G Communication System大连海事大学信息科学技术学院那振宇-12-22漫谈OFDM技术及其在5G通信中演进1/76内容 相关基础知识 OFDM基本原理 主要参数 系统设计 OFDM优缺点 SC-FDMA 5G中OFDM及相关演进2/76基础知识时域和频域 物理意义欧拉公式旋转因子时域角度3/76基础知识时域和频域 表示一个初始相位为o单位旋转向量该向量模为1，旋转角速度为、在实轴上投影为cos t，在虚轴上投影为cos t4/76基础知识时域和频域x-y平面投影 x-t

2、平面投影 y-t平面投影5/76基础知识时域和频域 “幅度-频率”特征和“相位-频率”特征旋转因子频域角度6/76基础知识时域和频域由欧拉公式可得到余弦函数复指数形式时域图形：频域图形：正弦函数时频域分析7/76基础知识时域和频域幅度-频率特征相位-频率特征正弦函数时频域分析8/76基础知识时域和频域时域是真实世界，是惟一实际存在域。因为我们经历都是在时域中发展和验证，已经习惯于事件按时间先后次序地发生。类似进程和音乐，是动态。频域不是真实，而是一个数学结构。时域是惟一客观存在域，而频域是一个遵照特定规则数学范围。类似程序和乐谱，是静态。时域和频域是信号基本性质，这么能够用各种方式来分析信号，

3、每种方式提供了不一样角度。9/76基础知识Fourier级数10/76基础知识Fourier级数周期信号能够由一个直流分量和一系列交流分量合成周期函数傅立叶三角级数展开。由欧拉公式推出周期函数傅立叶复指数展开11/76基础知识Fourier级数傅立叶级数展开就是将f(t)表示成一系列cn加权 单位旋转向量 之和形式，加权系数cn就是傅立叶系数。12/76基础知识Fourier变换周期函数时频特征：时域上是周期性，频域上是离散谱。T13/76基础知识Fourier变换非周期函数时频特征：时域上是非周期，频域上是连续谱。这就是单载波调制符号时域波形和对应频谱图。10 x(t)tT1-T114/76

4、基础知识离散Fourier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。由 推导：P 3015/76基础知识离散Fourier变换(DFT)逆变换：离散傅立叶变换就是将信号x(t)N个样点组成序列x(n)表示成一系列加权 之和形式，加权系数X(k)就是离散傅立叶变换。16/76基础知识离散傅立叶变换(DFT)100个采样点，k取0,1,2,3时， 情况17/76基础知识正交(Orthogonality)正交（ Orthogonal）：线性代数概念，是直观概念中垂直推广。三角函数正交性： 在周期区间上是两两相互正交，即18/76基础知识正交以 cos 2t

5、乘 cos 2t 为例，相乘再在周期内积分，相当于求下列图黄色部分面积，面积大于0。19/76基础知识正交以 cos 2t 乘 cos 3t 为例，相乘再在周期内积分，相当于求下列图黄色部分面积，面积为0。20/76基础知识正交IQ调制与解调：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。21/76基础知识正交复数运算实现IQ调制解调解调22/76基础知识正交在一个OFDM符号内包含多个子载波全部子载波都含有相同幅值和相位从图中能够看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，且各个相邻子载波之间相差1个周期。23/76基础知识频分复用频

6、分复用(Frequency Division Multiplexing)：将用于传输信道总带宽划分成若干个子带，每个子带传输一路信号。24/76多径效应基础知识多径效应与ISImax25/76基础知识多径效应与ISI If the path lengths of the longest and shortest rays are different, then symbols travelling on those paths will reach the receiver at different times. In particular, the receiver can start to

7、 receive one symbol on a short direct path, while it is still receiving the previous symbol on a longer reflected path. Thus, the two symbols overlap at the receiver (See Figure below), causing inter-symbol interference (ISI). Suppose symbol rate is 400 ksps, then the symbol length is 2.5s. Taking a

8、 typical case of base station coverage, a typical delay spread between the longest and shortest paths is 1 s. As a result, 40% of a symbol is overlapped with adjacent symbols.26/76符号间串扰（ISI）基础知识多径效应与ISI27/76基础知识单路变多路：减小ISI We have divided the original data stream into four sub-carriers (i.e. SP) wit

9、h frequencies f1 to f4. The data rate on each sub-carrier is now 100 ksps, so the symbol length has increased to 10 s. If the delay spread remains at 1 s, then the symbols only overlap by 10%. Thus, ISI is reduced to of the value before. LTE can use a very large number of sub-carriers, up to a maxim

10、um of 1200 in Release 8. 28/76OFDM基本原理OFDM发射机 简化、不过能说明主要原理OFDM发射机原理框图以下所表示：Processing steps in a simplified analogue OFDM transmitterQPSK、QAMParallel Serial15 kHz spacing used in LTE RF transmission符号周期：66.7s29/76OFDM基本原理OFDM发射机 Further improvement of above OFDM transmitter: (1) Digitization; (2) Mo

11、re sub-carriers. Four questions to be answered (mark as RED)Processing steps of digital OFDM transmitterParallel SerialQPSKWhy negative frequency?DigitizationRF transmissionWhy deem as frequency domain?Why deem as time domain?P 1530/76Negative frequencyThe distinction between negative and positive f

12、requencies is that the former is eventually transmitted below RF carrier frequency, while the latter is above it. For example, at a RF carrier frequency of 800MHz, 60kHz sub-carrier ends up at 799.940 MHz, while 15kHz sub-carrier ends up at 800.015 MHz. Review on in-phase and quadrature components:

13、To distinguish different sub-carriers (but with the same module). DigitizationMore generally, the minimum number of samples per symbol is equal to the number of sub-carriers. 每符号采样点数 = 子载波数目OFDM基本原理OFDM发射机P 5331/76Frequency domainAt the stage of SP conversion, the data represent the amplitude and ph

14、ase of each sub-carrier. Thus, it can be deem as a function of frequency, i.e. frequency domain.Time domainAfter the addition stage, the data represent the in-phase and quadrature components of the transmitted signal, as a function of time. Addition operation (PS) has simply converted the data from

15、a function of frequency to a function of time, i.e. time domain.OFDM基本原理OFDM发射机32/76IFFTPSOFDM基本原理OFDM发射机 IFFT substitutes N multipliers. 33/76OFDM基本原理OFDM发射机34/76单载波OFDM： Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用frequency传统多载波frequencyOFDMfrequencyOFDM基本原理OFDM发射机35/76OFDM基本原理OFDMA收发系统 趋于完善、

16、多用户基本OFDMA收发信通信原理框图以下所表示：Three key points to be noted (mark as RED)Initial block diagram of an OFDM transceiverWhy independent MO/DEM?How to map sub-carriers?How many is number of sub-carriers?36/76Independent MO/DEMIt depends on channel quality (CQ) of the selected sub-carriers. If CQ is good, high

17、-order modulation is used. However, if CQ is bad, low-order modulation is adopted. Sub-carrier mappingContinuous & Distributed mappingIt depends on both CQ and users requirements.Number of sub-carrierIt depends on service type of users.Service with high data rate requires more sub-carriers and vice

18、versa. For example, a voice application might only use a few sub-streams, while a high-definition video application might use many more.OFDM基本原理OFDM发射机37/76OFDM基本原理OFDM发射机 较为完善OFDMA收发信通信原理框图以下所表示：(Distinctions marked as RED)Channel estimation and equalizationCP insertion and removal经过插入参考符号(10%)38/7

19、6主要参数子载波间隔采样周期FFT点数符号周期循环前缀39/76主要参数子载波间隔多普勒效应40/76 设手机发出信号频率为 fT，基站收到信号频率为 fR，相对运动速度为V，C为电磁波在自由空间传输速度（光速）， fdoppler即为多普勒频移 例：高铁速度：360km/h，在3GHz频率时，接收信号可能最大最小频率主要参数子载波间隔41/76考虑原因：频谱效率和抗频偏能力子载波间隔越小，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，相位噪声影响相对较低多普勒频移影响大于相位噪声主要参数子载波间隔42/76低速场景：多普勒频移不显著，子载波间隔能

20、够较小高速场景：多普勒频移是主要问题，子载波间隔要较大经典地，2GHz频段，350km/h带来648Hz多普勒频移，对高阶调制（如64QAM）造成显著影响。中国移动（130MHz频谱）：1880-1900MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz。中国联通（40MHz频谱）： 2300-2320 MHz、2555-2575 MHz。 中国电信（40MHz频谱）： 2370-2390 MHz、2635-2655 MHz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，E-UTRA系统和UTRA系统含有相同码片速率，所以确定单播系统中采取15kH

21、z子载波间隔。而其它系统：独立载波MBMS（多媒体广播多播业务）应用场景为低速移动，应用更小子载波间隔，提升频谱效率，采取7.5kHz子载波WiMax子载波间隔为10.98kHzUMB（超移动宽带）系统子载波间隔为9.6kHz主要参数子载波间隔43/76主要参数循环前缀（CP）The basic idea of getting rid of ISI is to insert guard interval.If the guard interval is longer than delay spread, receiver is not subject to ISI. In GI, no sig

22、nal is transmitted. With some extra processing overhead. For LTE, slightly complex technique named Cyclic Prefix (CP) was used to combat ISI. CP is a sort of GI, but CP copies the data in the tail of the symbol and fulfills GI. (See Fig. below)44/76主要参数循环前缀（CP）Why not GI but CP? How does CP work? 第一

23、个路径信号另一路径延迟信号GI可抑制ISI，不过破坏了子载波间正交性，带来子载波间干扰（ICI）。CP同时抑制ISI和ICI。TCPTsymT45/76How does CP work? (Contd) Each symbol contains an integer number of cycles of the sine wave, so the amplitude and phase at the start of each symbol equal the amplitude and phase at the end. Because of this, the transmitted s

24、ignal changes smoothly as we move from each cyclic prefix to the symbol following. In a multipath environment, multiple signals add together, giving a sine wave with the same frequency. The received signal still be smooth from CP to the symbol that follows. There are a few glitches only at the start

25、 of CP and the end of the symbol. Receiver processes the received signal within a receive window whose length equals the symbol duration. If the window is correctly placed, then the received signal is exactly recovered and subject only to an amplitude change and a phase shift. But the receiver can c

26、ompensate them using channel estimation and equalization. 主要参数循环前缀（CP）46/76主要参数OFDM信号时频图47/76主要参数循环前缀CP长度考虑原因：频谱效率/符号间干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：能够防止符号间干扰和子载波间干扰普通，T 5 TCP。主要参数循环前缀（CP）48/76主要参数循环前缀（CP）经典地，LTE中：1.4 km时延扩展5 km时延扩展10 km时延扩展49/76分别用 fs = 40Hz和 fs=20Hz 采样频率对 f = 5Hz 正弦波进行采样。依据采

27、样点，都能无失真地恢复出原信号。主要参数采样频率50/76用 fs = 10Hz 采样频率对 f = 5Hz 正弦波进行采样，刚好能恢复出原始信号。用 fs = 8Hz 采样频率对 f = 5Hz正弦波进行采样，不能恢复出原始信号，信号发生失真。主要参数采样频率51/76Nyquist采样定理：要从抽样信号中无失真恢复出原始信号，采样频率应大于2倍信号最高频率。即：LTE最大带宽为20MHz（正负频率各占10MHz），其最高频率为10MHz。其采样频率要求：主要参数采样频率52/76LTE中，20MHz带宽分为1200个间隔为15KHz子载波。便于工程实现，DFT点数必须为2指数次幂。所以，2

28、0MHz带宽下，OFDMFFT点数取2048(相当于子载波数扩展到2048个，只是多出子载波不用而已)。得到每个OFDM符号有2048个样点，所以，20MHz带宽下采样频率为：采样周期为主要参数采样频率P 3153/76采样周期：FFT点数：子载波间隔：符号周期：循环前缀： ，max为最大多径时延扩展系统设计当前，LTE参数为：54/76设计目标系统：可容忍时延扩展为200ns，在小于18MHz带宽上传送25Mbps比特流。依据无线信道时延扩展确定CP长度：普通情况下，循环前缀长度是无线信道时延扩展24倍。即：TCP = 2004 = 0.8s。依据保护间隔确定OFDM符号长度 T：普通情况下

29、，OFDM符号长度取TCP58倍。即： T= 0.86 = 4.8s。依据OFDM符号长度和保护间隔确定子载波间隔： f = 1/Tsym = 1/(4.8 -0.8)10-6 = 250kHz。系统设计55/76依据预期到达比特速率和符号长度计算一个OFDM符号需传输比特数：n=RbT=25Mbps4.8s=120bit。依据一个OFDM符号需要传输比特数和给定带宽确定调制编码方式和子载波数：3/4码率、QPSK调制时，每个子载波能传输1.5个信息比特，传120个比特需80个子载波，占用带宽为80250=20MHz，超出了限定带宽18M。1/2码率、16QAM调制时，每个子载波能传输2个信息

30、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。系统设计56/76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57/76优点频谱利用率高各子载波能够部分重合，理论上能够靠近Nyquist极限。实现小区内各用户之间正交性，防止用户间干扰，取得很高小区容量。58/76优点带宽扩展性好OFDM系统信号带宽取决于使用子载波数量，几百kHz几百MHz都较轻易实现，FFT尺寸带来系统复杂度增加相对并不显著。非常有利于实现未来宽带移动通信所需更大带宽，也更便于使用2G系统退出市场后留下小片频谱。OFDM系统对大带宽有效支持成为其相

31、对于传统单载波技术决定性优势。59/76优点抗多径衰落多径干扰在系统带宽增加到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能够用单抽头（one-tap）频域均衡（FDE）纠正信道失真，大大降低了接收机均衡器复杂度。单载波信号多径均衡复杂度伴随带宽增大而急剧增加，极难支持较大带宽。对于更大带宽20M以上，OFDM优势愈加显著。60/76优点抗频率选择性衰落MCS：modulation and coding scheme61/76优点易于实现MIMOMIMO技术关键是有效防止天线间干扰（IAI），以区分多个并行数据流。在平坦衰落信道能够实现简单M

32、IMO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，极难将MIMO接收和信道均衡分开处理Diagram of MIMO-OFDM communication system62/76缺点时间和频率同时小区间干扰高PAPR63/76缺点对频偏敏感64/76缺点小区间干扰OFDM系统即使确保了小区内用户正交性，干扰可忽略，不过对小区之间干扰进行充分设计。采取同频组网时，需要考虑小区间干扰，尤其是处于小区交叠区域边缘用户干扰严重。为了防止小区间干扰采取小区间干扰协调，基本原理就是小区中心用户能够使用全部频带资源，小区边缘用户使用部分频带资源，经过给不一样小区边缘用户分配不一样频带

33、资源消除小区间干扰分数频率复用。65/76缺点峰均比高(d)PoutPino(e)Psat66/76SC-FDMA下行多址技术：OFDMA上行多址技术主要考虑原因：终端处理能力有限，尤其发射功率受限。OFDM技术因为高PAPR问题不利于在上行实现。单载波（SC）传输技术PAPR较低很多通信系统（包含LTE）采取在频域实现多址方式：单载波频分多址（SC-FDMA）67/76SC-FDMASC-FDMAOFDMASC-FDMA vs. OFDMA (Distinctions marked as RED)2048precoding68/76How does SC-FDMA work?SC-FDMAd

34、esired centre frequency and IFFT converts them back to the time domain. We can understand how SC-FDMA works by looking at three key transmission steps: The forward FFT, the resource element mapper and the IFFT. The input to the forward FFT is a sequence of symbols in the time domain. The forward FFT

35、 converts these symbols to the frequency domain, the resource element mapper shifts them to the Looking at these steps as a whole, we can see that the transmitted signal should be much the same as the original modulated waveform. 69/76OFDM Evolution in 5G Comm. SystemSlow attenuation of side lobe of sub-carrier in OFDM symbolStringent requirement on both