LTE OFDM & SC-FDMA技术简介.pptx

秘密,Proprietary Confidential,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Theme1,Theme2,Theme3,Theme4,中文标题,字体:黑体,字号：30-32pt,色彩：蓝色,中文副标题,字体：华文细黑,字号：20-22pt,色彩：黑色,子目录(2-5级),字体：华文细黑,字号：18pt,色彩：黑色,秘密,Proprietary Confidential,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,中文标题,字体:黑体,字号：30-32pt,色彩：蓝色,中文副标题,字体：华文细黑,字号：20-22pt,色彩：白色,秘密,Proprietary Confidential,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,7/22/2014,#,LET OFDM,技术简介,提纲,背景介绍,OFDM,技术的优缺点,OFDM,正交子载波的特点,OFDM,的,DFT,实现原理,OFDM,保护间隔,/,循环前缀,OFDMA,简介,SC-FDMA,简介,背景介绍,3GPP,规定,LTE,系统的物理层传输方案，下行采用,OFDMA,（,OFDM+FDMA,）,方式，传输速率,100Mbps,；,上行采用,SC-FDMA,（,DFT-SOFDMA,或,IFDMA,）,方式，传输速率,50Mbps,。,正交频分复用,OFDM,（,orthogonal frequency-division multiplexing,）,由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。而在上行技术的选择上，由于,OFDM,的峰均,功率,比（,PAPR,）,过高,使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间。经过讨论最后上行采用了具有低,PAPR,特性,的,单载波频分多址,SC-FDMA,（,single-carrier frequency-division multiple access,）技术,。,OFDM,是一种特殊的多载波传输方案，可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。,OFDM,具备高速数据传输的能力，加上能有效对抗频率选择性衰减，,已经,获得,广泛的,重视与,应,用。,OFDM,主要思想是：发射端通过串并变换，将一个串行高速数据流转换成多个,并行的低速子数据流,；每个子数据流采用传统的调制方案进行,低符号率调制,，如,PSK,（相移键控）或,QAM,（正交幅度调制），将比特流变成符号流；调制后的各子数据流被映射到不同的,正交子载波,（,orthogonal sub-carrier,）上。在接收端执行相反的过程即可获得原始的串行数据。,OFDM,技术的优点,（,1,）低速并行传输：高速串行数据流经串,/,并转换后，分割成若干低速并行数据流；每路并行数据流采用独立载波调制并叠加发送。各子载波间通过,正交特性,来避免干扰，频谱利用率大大提高。,（,2,）抗衰落与均衡：由于,OFDM,对信道频带的分割作用，每个子载波占据相对窄的信道带宽，因而可以把它看作是,平坦衰落,的信道。这样,OFDM,技术就具有系统大带宽的抗衰落特性和子载波小带宽的均衡简单的特性。,（,3,）抗多径时延引起的符号间干扰,（,Inter Symbol Interference,，,ISI,）,：在,OFDM,技术中可以引入,循环前缀（,Cyclic Prefix,，,CP,）,，只要,CP,的时间间隔长于信道时延扩展，就可以完全消除,ISI,。,（,4,）多用户调度：,OFDM,系统可以利用信道的频率选择性进行多用户调度，用户可以选择最好的频域资源进行数据传输，从而获得频域调度的多用户分集增益。,（,5,）基于,DFT,的实现：可以采用离散傅里叶变换（,DFT,）进行,OFDM,信号的调制和解调，从而解决了,OFDM,的技术实现问题。实际应用中，往往采用更为快捷的,快速傅立叶变换,FFT,及其逆变换,IFFT,来,计算,DFT,，,实现,OFDM,的调制和解调。,OFDM,技术的缺点,OFDM,技术,的,峰均,功率,比（,Peak to Average Power Ratio,，,PAPR,）过大,：,OFDM,信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。同传统的恒包络的调制方法相比，,OFDM,调制存在一个很高的峰值因子。因为,OFDM,信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。,对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。,而,PAPR,过大，将会增加,A/D,和,D/A,的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。同时在发射端，放大器的最大输出功率限制了信号的峰值，这会在,OFDM,频段内和相邻频段之间产生干扰。,OFDM,技术对载波频偏和相位噪声十分敏感,：,整个,OFDM,系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起,载波间干扰（,Inter-Carrier Interference,，,ICI,）,，,同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成,ICI,。而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比,SNR,，而不会引起互相之间的干扰。,OFDM,技术所需线性范围宽,：,由于,OFDM,系统,PAPR,较大，对非线性放大更为敏感，故,OFDM,调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。,OFDM,正交子载波的特点,OFDM,与传统,FDM,的区别在于，传统频分复用技术需要在载波间保留一定的保护间隔来减少不同载波间的频谱重叠，避免各载波之间的相互干扰。而,OFDM,技术的不同载波间的频谱是重叠在一起的，,各子载波间通过正交特性来避免干扰，有效的减少了载波间的保护间隔，提高了频谱利用率,。,各子载波的幅度与相位相同，然而当子载波承载了不同的数据信息后，其幅度与相位是会发生变化的,每个子载波在一个,OFDM,符号时间,T,内都包含,整数倍,个周期，并且各相邻子载波频率之间相差,f=1/T,，即,f,carrier,=f,0,+n,f,各子载波的频谱形状相同，均是时间长度为,T,的矩形波的频谱，即,sinc,函数,（,sinc(x)=sinx/x,）,，主瓣宽度为,2/T,。并且每个子载波的频谱峰值恰好对应其余所有子载波的零点，即在此频点上各子载波间没有干扰,符号长度为,T,的子载波，在频域上是一个,sinc,函数，,n/T,处过零，带宽为,2/T,。要满足正交，则子载波在频域上的峰值要对应于其它子载波零值，那么子载波的间隔要满足,n/T,，最小,n=1,故为,1/T,。如果一个子载波占,15kHz,带宽，则其对应的,OFDM,符号长度为,1/15kHz=66.7s,。,13,Time domain,子载波,1,子载波,2,子载波,3,子载波,4,时域,频域,时域,频域,OFDM,信号频谱图,OFDM,的,DFT,实现原理,OFDM,应用离散傅里叶变换（,DFT,）和其逆变换（,IDFT,），解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题，从而解决了多载波传输系统发送和传送的难题。,直接计算,DFT,的计算量与变换区间长度,N,的平方成正比，当,N,较大时计算量太大。在实际应用中，采用快速傅里叶变换,FFT,计算离散傅里叶变换,DFT,，可以大大减少运算次数，提高运算速度。,数字信号信号处理要求信号在时域和频域都是离散的，只有周期序列满足要求。,离散傅里叶级数（,DFS,）：时域上为离散周期信号，频域上也是离散周期的,离散傅里叶变换（,DFT,）：时域上为,有限长,的离散周期信号，频域上也是有限长的,离散周期信号,用,DFT,分析时域连续非周期信号的几个主要步骤,对时域连续信号进行离散化,采样,对离散序列进行截断处理,加窗,对频域信号进行离散化,OFDM,系统满足奈奎斯特采样定律。但此时的符号成型与通常的系统不同，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,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，即对,OFDM,符号,进行过采样以避免频谱混叠现象,。,我们可以认为,数据的编码映射是在频域进行,，离散谱,D(k),经过,IDFT,转化为时域离散序列,d(n),发送出去,。,在接收端通过,DFT,恢复出频域信号。,DFT,和,IDFT,可通过快速傅里叶变换,FFT,及其逆变换,IFFT,进行快速计算。,上世纪,80,年代大规模集成电路和,DSP,技术的发展使,FFT,技术的实现不再是瓶颈。,保护间隔,/,循环前缀,为了最大限度地消除符号间干扰（,ISI,），还可以在每个,OFDM,符号之间插入保护间隔（,Guard Interval,，,GI,），而且该保护间隔的长度一般要大于无线信道的最大多径时延，这样前一个符号的多径分量只会落在下一个符号的保护间隔内而不会对数据部分造成干扰，从而可以完全消除,ISI,。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。,然而在这种情况下，由于多径传播的影响，同一符号的保护间隔落入符号积分周期内，导致,FFT,积分时间内的波形不是整数个，破坏了子载波之间的正交性，从而引发子载波间的,载波,间干扰（,ICI,）。为了消除,ICI,，一种有效的方法是,将原来宽度为,T,的,OFDM,符号进行周期扩展，用扩展信号来填充保护间隔,。将保护间隔内（持续时间用,Tg,表示）的信号称为循环前缀（,Cyclic Prefix,，,CP,）。,循环前缀中的信号与,OFDM,符号尾部宽度为,Tg,的部分相同。,在实际系统中，,OFDM,符号在送入信道之前，首先要加入循环前缀，然后送入信道进行传送。在接收端，首先将接收符号开始的宽度为,Tg,的部分丢弃，然后将剩余的宽度为,T,的部分进行傅立叶变换，然后进行解调。在,OFDM,符号内加入循环前缀可以保证在一个,FFT,周期内，,OFDM,符号的时延副本所包含的波形周期个数也是整数，因此此时的时延对于每一个子载波来说只是相当于进行相位的旋转，这个旋转不会在解调过程中产生,ICI,。,上图中，,保护间隔的时间跨度超过了,多径,时延，且在,FFT,积分时间内,的各子载波是满周期的，因此各子载波之间正交。由于多径时延，,第二条径,的尾部落在了,FFT,窗外，使得各子载波之间不再正交，从而产生,ICI,。然而由于,CP,的加入，落在,FFT,积分时间窗外的信号在,FFT,窗口的前端重现，从而保证了各子载波的周期性。,OFDMA,简介,将,OFDM,和,FDMA,技术结合形成的正交频分多址接入技术,OFDMA,（,Orthogonal Frequency-Division Multiple Access,）是最常见的,OFDM,多址技术，其又分为子信道,OFDMA,和跳频,OFDMA,。,在,子信道,OFDMA,系统中，,将整个,OFDM,系统的带宽分成若干子信道，每个子信道包括若干子载波，分配给一个用户（也可以一个用户占用多个子信道）。,OFDM,子载波可以按两种方式组合成子信道：,集中式（,Localized,）和分布式（,Distributed,）,。,在跳频,OFDMA,系统中，分配给一个用户的子载波资源快速变化，每个时隙，此用户在所有子载波中抽取若干子载波使用，同一时隙中，各用户选用不同的子载波组。,SC-FDMA,简介,大多数公司采用频域生成,SC-FDMA,信号的方法：其,基本原理,与,OFDMA,类似，只是在子载波映射模块前增加了一个,DFT,模块，把调制数据符号转化到频域，即将单个子载波上的信息扩展到所属的全部子载波上，,每个子载波都包含全部符号的信息,。所以这种,SC-FDMA,也被称作是,DFT,扩展,OFDMA,（,DFT-spread OFDMA,，,DFT-SOFDMA,）,。,用户数,Q=1,，子载波数,M=4,，,DFT,输入点数,N=4,，两个符号周期,时域上调制,结束,后，,OFDMA,中的,N,个符号,是,同时并行,传输,的（每个子载波负责一个符号的传输，所以符号的周期延长了,N,倍）。而,SC-FDMA,中的,N,个符号,虽然,是一起调制的，但是,它,们是一个接一个,串行传输,的，,跟,普通,FDMA,一样,，每个符号占据全部子载波的带宽,。,对于,OFDMA,，每个已调符号映射到不同的子载波上，然后叠加在一起发送，发送的时域信号就,会有,很多信号的叠加,，导致,PAPR,高。,而对于,SC-FDMA,，每个符号经过,DFT,扩展到各个子载波上，也就是说每个符号在各个子载波上都有信息承载，将这些子载波一起看作一个宽带载波，所以称为单载波,。,经过了,DFT,和,IDFT,变换后，,SC-FDMA,传输,的符号就是输入的符号,（,符号周期变短了,），所以,具有低,PAPR,的特性,。,如果全部子载波占据,N15kHz,带宽，则其对应的,SC-FDMA,符号长度为,(1/N15kHz)N=66.7s,，同,OFDM,符号长度一样。,