【《可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术研究的理论基础概述》4600字】

I可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术研究的理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u27996可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术研究的理论基础概述 1215561.1正交频分复用技术（OFDM） 132441.1.1OFDM技术概述 125501.1.2OFDM的正交条件 353651.1.3OFDM的时域与频域分析 3180661.2F-OFDM的基本原理 6267211.3OFDM与F-OFDM的对比分析 8F-OFDM技术是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，是以现有的无线通信系统为背景在OFDM的基础上提出的改进方案，在满足未来5G通信需求的同时又可以很好地实现在空口物理层后向兼容4GLTE系统。本章通过阐述OFDM的结构框架以及系统对信号的收发处理过程，再介绍F-OFDM系统在此基础上做出的改进，对两者之间的联系与区别有一个清楚的认知，给后续的F-OFDM系统的仿真实现提供相关的理论依据。1.1正交频分复用技术（OFDM）作为4G中应用最广泛的空中接口技术方案，OFDM是LTE物理层中最基础的调制复用技术，具有频带效率高对基带传输的适应性高且对多径衰落带来码间串扰有高抗性等优点。本节将通过表达式及时域与频域波形介绍OFDM系统原理。1.1.1OFDM技术概述OFDM作为4GLTE系统中关键的调制技术与传输方案，其核心思想通过频分复用从而提高系统的频谱利用率，与传统的多载波调制技术一样，OFDM亦是采用将系统分成多个子信道，将原本高速串行的基带码元均匀且分散的调制到每个子载波上，形成多个并行的低速数据信号。假设系统由N个子载波构成，则原本的信号的码元速率RB经过OFDM调制后码元速率将变为原来的1N，符号长度变为原来的N倍，子信道带宽为系统带宽的其实OFDM的概念早在20世纪70年代就有学者提出，但由于当时的技术限制，对数字信号的处理成为了一大难题，所以一直未得到到推广，直到近二十年科学技术的大力推进，DSP芯片以及集成电路技术趋近成熟，OFDM才得以在无线通信中发挥它的优势，被广泛应用于无线局域网（WLAN）、数字视频广播标准（DVB）、非对称数字式用户线路（ADSL）等[11]，成为众多无线接入网的核心标准，继CDMA技术之后，与MIMO技术一同作为推动4G系统发展的关键技术[12]。OFDM典型模型框如图2-1所示：图2-1OFDM系统收发机结构框图在发送端，产生的二进制比特流数据信号在传输信道经过循环冗余校验（CyclicRedundancyCheck,CRC）计算、码块分割、CRC配置连接、信道编码和交织等处理流程，信号在物理信道经过信号调制转化成子载波幅度和相位的映射；通过串并转换将单路串行传输信号分成N路并行传输信号；接着信号被传入快速傅里叶逆变换（InverseFastFourierTransform,IFFT）模块，IFFT的目的是把信号从频域变到时域；将得到的信号通过并串转换合并成为一个完整的OFDM符号；然后进行加CP操作，在OFDM的符号之间通过插入CP作为保护间隔，可以有效地降低码间串扰和载波间干扰[3]。OFDM接收机的信号处理流程是发射机的逆过程，接收端将射频信号与基带信号进行混频处理后，首先进行的是去CP操作，然后进行FFT（FastFourierTransform,快速傅里叶变换）处理，FFT是把信号从时域变到频域，FFT点数要与发射机的IFFT点数保持一致，最后对接收信号进行解调和译码处理将子载波的幅度和相位恢复成数字信号。1.1.2OFDM的正交条件通过上节的讨论可知OFDM的本质是多载波调制系统，其基本原理是将系统带宽划分成N个正交的子信道，原先以RB数据传输速率的串行比特流信号映射到各个子载波上，成为N条码元传输速率为1N现就OFDM的表达式进行分析：若设在OFDM系统中有N个并行传输子信道，其子载波可表达为： xkt=Ak式中，Ak为第k路子载波的振幅。由基带信号进行调制；fk为第k路子载波的频率；φk则在这个OFDM系统中的N路子信号之和可以表示为： et=k用复数的形式表示为： et=k为了在接收端接收到这N路叠加信号后能够进行正确的解耦，在第k个符号持续时间TB内，第i个符号应该满足以下条件(i=k∓1) 0TBcos经过运算可知，两个子载波之间要满足正交,子载频需满足： fk=k且要求子载波间隔： ∆f=nTB1.1.3OFDM的时域与频域分析上一节讨论了OFDM子载波正交的条件，现在来观察OFDM频域与时域上的特点。在实际应用中，一个OFDM符号是由多个正交子载波叠加而成的复合数据信号，载波数据可以使用不同的调制方式来进行信号处理，常用的有正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation,QAM）和相移键控调制（PSK）[4]。假设OFDM符号由N个子载波构成，T为符号宽度，di为每个子载波携带信息量，则从t= (2-7)为了减小系统计算量，在OFDM理论研究中也常用基带信号来等效表示： st=i=0设在单个子信道中，子载波频率fk，一个码元信号的持续时间等于TB，信号通过编码调制，映射到子载波上，这个过程在频域上表现为载波数据与矩形脉冲频谱卷积的结果。根据傅里叶变化的频移特性，码元频谱密度在频域上发生了图2-2单个子载波码元频谱波形与时域波形由图可知所以OFDM的频域波形表现为Sa(fTB)图2-3多路子载波频谱波形与时域波形从图中可以看出，系统波形虽在时域上表现为杂乱无章，从频域图上可以看出，在其余子载波处于零点时，刚好是某个子载波的幅度最大值。这说明，尽管各路子载波在频域上发生了重叠，但由于正交特性，实际上在他们并未对彼此产生影响。OFDM的这一特性使其能够采用密集的子载频，并且子信道间不需要添加额外的保护间隔，充分利用频带资源的同时也有效避免了子道间相互干扰的现象，降低了码间串扰。在接收端利用正交特性可以将各路子载波容易且正确地进行分离。同时因为OFDM通常采用AQM和PSK调制，这两种方式只改变子载波的幅度和相位，不会改变子载波的位置和形状，仍然保持子载波的正交性。所以每条子载波都能选择最合适的调制方式来保证系统最佳通信方式。1.2F-OFDM的基本原理OFDM有着诸多的优势，但未来通信发展的速度远远超乎我们想象，OFDM由多个子载波构成却只能进行单一的波形参数配置，并不能够满足多业务场景的发展趋势，OFDM急需更新换代以便更好的服务于5G通信需求。F-OFDM就是其中的一个演进方向。F-OFDM与OFDM一脉相承，同样的把系统的宽带分为若干个子带，经过串并变化与IFFT以及添加CP等过程，数据流信号经历完上述过程后形成的是OFDM信号，此时系统通过在每个子带上添加滤波器，对子带信号进行最关键的滤波处理用以抑制OFDM中存在的带外频谱泄露，并且可以实现子带的隔离减小干扰。同时在每个子带滤波器可以调节波形参数满足不同业务需求。图2-4所示为F-OFDM系统的原理框图。图2-4F-OFDM系统原理框图以下将具体介绍F-OFDM符号的产生及接收端滤波器对信号的滤波过程。对于单个子频带来讲，其信号数据的处理流程如下：子带1数据通过编码及载波映射得到x1，接着，将信号x从以上讨论可以看出，OFDM仅支持一个类型的波形参数，不能够满足5G通信下多场景的业务需求。F-OFDM在向OFDM添加子带滤波器的操作后可以形成任意数量根据实际服务场景需求配置不同的波形参数的子带，并且根据子带参数配置通过数字滤波器进行滤波，这意味着F-OFDM不仅可以支持丰富的应用场景，还充分继承了OFDM的传统优势。1.3OFDM与F-OFDM的对比分析F-OFDM作为一种基于OFDM通过对收发两端添加滤波器以对子带进行滤波的正交频分复用技术，其具有OFDM技术频谱利用率高抗多径衰弱能力强实现简单等优点，同时相较于OFDM其关键性能与技术特征都有一定程度的提升。如在系统的时域资源分配上，OFDM系统的子载波带宽和CP长度均固定，如图2-6所示。很明显OFDM这种单一分配方式并不适合5G通信中多业务场景对技术的要求。如端到端的车联网业务需要频域较宽的子载波带宽来提供极短的TTI，而物联网中的传感器传送数据量较低，但对系统连接数要求高，此时频域需要配置较窄的子载波来保证连接需求[4]。而在F-OFDM系统中可以为各类业务动态选择和分配不同资源参数，可以很好的解决上述问题。图2-6OFDM系统的时频资源分配图2-7F-OFDM系统的时频资源分进行F-OFDM与OFDM系统的功率谱仿真分析，相关参数设置为子载波N=600，IFFT点数为1024，循环前缀长度为72，采用sinc函数型滤波器与截断窗，信噪比为18dB，信道选用高斯信道，得到功率密度谱如图2-8所示。图2-8F-OFDM与OFDM的功率谱密度从图2-8中可以看到，与OFDM相比，F-OFDM有着更低的带外功率，在归一化频率等于|0.5|Hz时，相较于OFDM的-70dBW/Hz，F-OFDM功率降低至-200dBW/Hz，这是因为F-OFDM对每个子带都进行了滤波处理，且滤波器长度大于CP长度，大幅抑制了带外泄露，且受到高斯白噪声的影响更小。OFDM为了保证能够在高带外泄露的情况下正常通信，需要预留系统频谱资源的10%作为保护频带，而F-OFDM系统采用子载波间最小保护带取代了这个保护带，于是可以充分OFDM原来不能使用的零碎的频谱资源，从而又进一步提升了频带利用率；F-OFDM支持异步多址接入，极大地降低了信令开销和功率开销；还有就是为了保持OFDM中子载波的正交性，上行链路中均采用TA机制传输信号，这导致了系统对异步信号支持性能较差，而F-OFDM在通过在子带增加滤波器进行滤波并根据需求配置波形参数可以很好的解决上述存在于OFDM中的问题。两相对比之下不难看出，F-OFDM对频带资源分配能力有较强的灵活性，对频谱资源有更高的利用率，对发射基站有着更低的消耗。OFDM与F-OFDM的性能对比可总结为如下：在频带利用率上，OFDM采用频带资源的10%用作系统保护带，而F-OFDM的保护带带宽可以小到等于单个子载波的带宽，可见频谱资源有限的无线通信环境下，F-ODM更胜一筹。在面对复杂多变的业务场景时，OFDM只能提供单一的帧结构，而F-OFDM的子载波间隔与CP长度有多种配置方案，可以更好地为通信提供技术支持。在信令开销上，OFDM为了保持子载波的正交性，在上行传输时必须采用TA机制使得所有用户数据能够同时达到接收机，这大大增大了系统上行链路中的信令开销，同时导致对异步信号的传输性能较差。而F-OFDM由于滤波器的存在就不会面临上述困扰[3]。综上，F-OFDM能够根据不同业务的时频资源需求提供不同的子载波带宽和CP配置，通过优化滤波器设计，实现将不同子载波之间的保护