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1、LTE系统关键技术,目录,OFDM基本原理,OFDM技术实现,OFDM技术概述,LTE系统中OFDM技术,LTE系统OFDM技术,LTE系统多天线技术,OFDM 技术发展概述,OFDM 已经应用： 数字用户环（xDSL） 数字音频广播（DAB）和数字视频广播（DVB-T) 蜂窝无线网（IDEN，窄带 OFDM） 无线局域网（IEEE802.11a 和 ETSI/BRAN HiperLAN/2) 宽带固定无线接入 (IEEE802.16a) OFDM 将要应用： 无线局域网 WLAN 和 无线个人通信网 WPAN 宽带移动通信（LTE 和 4G） 电力线通信,OFDM技术应用,WHY DO OF
2、DM？,发射信号,移动通信不得不处理多径干扰和多普勒效应：OFDM 优势明显。,ISI产生原理示意图,OFDM抗多径干扰原理,矩形脉冲,正交频分多路 复用信号的频谱,相应频谱,HOW OFDM？,OFDM实现方式,OFDM 数据传输,产生频率差异，以提高抗衰落的能力。,Frequency,Time,OFDM子载波时域图,OFDM子载波频域图,OFDM技术优越性,OFDM各个子载波之间是彼此重叠、相互正交，大大提高频谱利用率 OFDM实现并行传输，每个码元的传输周期增长，大大增强抗多径干扰（码间干扰），通过增加CP，克服码间干扰 OFDM系统中，通过编码、频率分集、信道加权、动态子载波分配等技术
3、来抵抗频率选择性衰落 信道估计与均衡实现简单 快速傅立叶变换有效实现大量子载波，窄带子载波实现低码间干扰和编码技术结合有效减少信道衰减造成的连续误码 易于与其他先进技术（如MIMO等）相结合,OFDM技术优越性,可变带宽的OFDMA 能够平衡抗多径能力与多普勒的影响 可变带宽的OFDMA通过使用相同的符号宽度和子载波间隔能够简化系统设计 可扩展的结构，支持的可变带宽从1.25到20MHz 灵活的子信道分配，伪随机子信道可增加分集，连续排列子信道可增加多用户选择性 多用户接入保证正交，可减少干扰增加容量 精确的带宽分配,频偏敏感,相位敏感,OFDM 技术缺点,高峰均比,目录,OFDM基本原理,O
4、FDM技术实现,OFDM技术概述,LTE系统中OFDM技术,LTE系统OFDM技术,LTE系统多天线技术,FDMA技术概述 OFDM基本原理 OFDM信道估计 OFDM同步技术,传统 FDMA技术,多载波（MC）传输技术,MC时频资源表,时间,频率,多载波调制（MCM） 单载波调制（SCM）,目录,OFDM基本原理,OFDM技术实现,OFDM技术概述,LTE系统中OFDM技术,LTE系统OFDM技术,LTE系统多天线技术,FDMA技术概述 OFDM基本原理 OFDM信道估计 OFDM同步技术,OFDM基本原理（1）,系统的通信能力受制于信道的传播特性，对于高速数据业务，符号的周期接近甚至小于时
5、延扩展，将引入严重的码间干扰，导致系统性能急剧下降 高数据速率单载波系统的均衡器设计非常复杂，代价高昂 OFDM ，系统既可以维持发送符号周期远远大于多径时延，又能够支持高速的数据业务，并且不需要复杂的信道均衡,OFDM基本原理（2）,OFDM的基本思想是将高速的数据流分解为多路并行的低速数据流，在多个载波上同时进行传输。对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成的时延扩展相对变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，码间干扰几乎就可以忽略,OFDM基本原理（3）,与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性。,
6、OFDM时域信号示例,子载波数目N = 4，承载的数据为(1,1,1,1)时，四个载波独立的波形和迭加后的信号,虽然各个子载波的幅度范围恒定，但迭加之后的OFDM符号的幅度范围却变化很大，即OFDM系统具有高峰均比（PAPR）特点,OFDM基本原理（4）,IDFT/DFT计算量：,IFFT/FFT计算量 (基2算法)：,OFDM基本原理（5）,OFDM信号产生,OFDM信号频谱,保护间隔循环前缀,OFDM主要参数,OFDM符号的频谱结构,OFDM系统满足Nyquist无码间干扰准则。但此时的符号成型不象通常的系统，不是在时域进行脉冲成型，而是在频域实现的。因此时频对偶关系，通常系统中的码间干扰
7、(ISI)变成了OFDM系统中的子载波间干扰(ICI）为了消除ICI，要求OFDM系统在频域采样点无失真。,OFDM符号的产生,OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波上同时传输的数据符号，构成一个OFDM符号,OFDM符号通带形式： OFDM符号基带形式：,OFDM符号的产生,由于子载波的正交特性，可以采用一路子载波信号进行解调，从而提取出这一路的数据。例如对第 路子载波进行解调可以得到：,OFDM符号的产生,Time,Frequency,RF 信道带宽,频率子带,时间段,在 RF 信道中组织时间 & 频率划分,在“时间 vs
8、频率”单元上展开子载波,Frequency,OFDM的主要参数,采样频率Fs FFT点数NFFT 子载波间隔f 有用符号时间Ts 循环前缀时间Tg OFDM符号时间Ts 可用子载波数目Nc 载波的调制方式 前向纠错编码的选择,关键参数： f , Tcp以及Nc 采样频率以及FFT点数与实现相关,参数的选择原则,ISI与ICI,在时间色散信道条件下，一条径的解调相关时间间隔将与其他径的符号边界重叠（导致ISI）；同时，在一个积分周期中，将不仅包括主径所对应的复指数的整数周期，也包括其他径所对应的复指数的分数周期，从而影响子载波间的正交性（导致ICI）,保护时间,为了消除码间干扰，需要在OFDM的
9、每个符号中插入保护时间，只要保护时间大于多径时延扩展，则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。保护时间内可以完全不发送信号。但此时由于多径效应的影响，子载波可能不能保持相互正交，从而引入了子载波间干扰 保护时间内发送全零信号由于多径效应造成的子载波间干扰(ICI),两径信道传输示例,图中的保护时间大于多径时延，因此第二条径的相位跳变点正好位于保护时间内，因此接收机收到的是满足正交特性的多载波信号，不会造成性能损失。如果保护时间小于多径时延，则相位跳变点位于积分时间内，则多载波信号不再保持正交性，从而会引入子载波干扰。,OFDM 插入保护间隔，以避免“符号间”干扰,发射机 A,信号,反射,直接路径
10、,1 微秒 = 300 米,接收点,符号周期 1ms,来自回波的几微秒干扰。 OFDM 具有天生的抗干扰性。一般系统 需要时域均衡器， 符号周期短 。,OFDM保护间隔- 抗多径 Multipath,保护间隔,OFDM保护间隔 - SFN,保护间隔,信号,反射,直接路径,安全区域,1 微秒 = 300 米,接收点,符号周期,发射机 A,发射机 B,循环前缀和后缀,为了减小ICI，OFDM符号可以在保护时间内发送循环扩展信号，称为循环前缀(cyclic prefix, CP)。循环前缀是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的。这样可以保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期
11、。因此只要多径延时小于保护时间，就不会造成载波间干扰。,CP的来源-DFT的周期性,OFDM符号循环前缀,循环前缀,CP的使用会导致：功率损失和带宽损失,目录,OFDM基本原理,OFDM技术实现,OFDM技术概述,LTE系统中OFDM技术,LTE系统OFDM技术,LTE系统多天线技术,FDMA技术概述 OFDM基本原理 OFDM信道估计 OFDM同步技术,OFDM中的信道估计（1）,OFDM系统的接收既可以采用相干检测也可以采用非相干检测。采用相干检测就需要利用信道信息，因此在接收端首先要进行信道估计 采用训练序列的信道估计方法可以分为基于导频信道和基于导频符号两种 多载波系统具有时频二维结构
12、，采用导频符号辅助信道估计更灵活 导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计,OFDM中的信道估计（2）,在多载波系统中，导频符号可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入TDM, FDM和Scattered方式 只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道相干时间和相干带宽足够小，就可以采用二维内插滤波的方法来估计信道传输函数,OFDM 插入 “同步导频” 帮助接收机锁定在信号上,信道估计算法,线性插值算法,高阶线性插值算法,目录,OFDM基本原理,OFDM技术实现,OFDM技术概述,LTE系统中OFDM技术
13、,LTE系统OFDM技术,LTE系统多天线技术,FDMA技术概述 OFDM基本原理 OFDM信道估计 OFDM同步技术,OFDM中的同步（1）,找出符号边界和最优定时，以使载波间干扰(ICI)及符号间干扰(ISI)最小,由于定时偏移(Timing Offset)和载波频率偏移（CFO: Carrier Frequency Offset）都会严重影响OFDM性能的检测性能，频率同步和时间同步对OFDM系统来说是必需的,FFT处理窗位置与OFDM符号的相对关系 一个OFDM符号由保护间隔和有效数据采样构成，保护间隔在前，有效数据在后。如果FFT处理窗延迟放置，则FFT积分处理包含了当前符号的样值与
14、下一个符号的样值。而如果FFT处理窗超前放置，则FFT积分处理包含了当前符号的数据部分和保护时间部分。后者不会引入码间干扰，而前者却可能严重影响系统性能。,OFDM中的同步（1）,OFDM中的同步（2）,时域同步确定OFDM系统符号边界，并且提取出最佳的采样时钟，从而减小载波干扰(ICI)和码间干扰(ISI)造成的影响。 时间同步误差将导致FFT处理窗包含连续的两个OFDM符号，从而引入了OFDM符号间干扰(ISI) 即使FFT处理窗位置略有偏移，也会导致OFDM信号频域的偏移，从而造成信噪比损失，BER性能下降,OFDM中的同步（3）,OFDM系统的时间同步需要估计以下几个方面的内容： （1
15、）块的起始位置 （2）采样频率同步 （3）帧的起始时刻,OFDM系统的时频同步处理分为捕获和跟踪两个阶段： 在捕获阶段，系统使用比较复杂的同步算法，对较长时段的同步信息进行处理，获得初步的系统同步。 在跟踪阶段，可以采用比较简单的同步算法，对于小尺度的变化进行校正。 OFDM同步算法分类 OFDM数据帧和符号的粗同步算法 OFDM符号的精细同步算法 OFDM频域捕获算法 OFDM频域跟踪算法,OFDM同步算法介绍,采用循环前缀实现OFDM的同步,接收信号的前端信号与经过 时延，与后端信号进行 时间的相关运算，可以表示：,OFDM符号边界的估计,在匹配滤波器输出的相关峰值处，可以同时进行符号同步和频偏校正。注意上述的匹配滤波器操作是在接收信号进行FFT变换之前进行的。因此这一同步技术与DS-CDMA接收机中的同步非常类似。,采用训练序列进行OFDM同步,OFDM中的同步（4）,频域
