OFDM技术原理及其应用

Size: px

Start display at page:

Download "OFDM技术原理及其应用"

谦涨巫
4 years ago
Views:

1 第五章 OFDM 多址接入技术 2008:p 前向和反向链路都需要多址技术来区分用户多址技术允许多个用户共享有限的频谱资源 OFDM 是一种高效的信号复用技术, 与多址技术相结合能允许多个用户共享有限的频谱资源, 获得较高的系统容量与 FDMA 结合产生 OFDMA 多址接入技术与 TDMA 结合产生 OFDM-TDMA 多址技术与 CDMA 结合产生 MC-CDMA 多址技术每种多址技术有各自的特点为了获得更大的自由度和更好的性能, 可将 OFDM 与 FDMA 和 TDMA 相结合, 用时频网格来区分用户将 OFDM 与 FDMA 和 CDMA 相结合, 用不同子载波集合上不同的码子来区分用户将 OFDM 与 TDMA 和 CDMA 相结合, 联合不同时间符号和不同码子来区分用户

2 FDMA TDMA CDMA 5.1 多址技术简介 SDMA: 利用天线阵列的不同波束或用户的不同空间位置来区分用户代码代码信道 N 信道 1 信道 2 信道 3 信道 N 频率时隙信道 3 信道 2 信道 1 频率时间时间

3 码信道 1 信道 2 信道 3 频率信道 N 时间

4 5.2 与 FDMA 结合的多址方式 OFDMA 方法将传输频带划分成正交的互不重叠的一系列子载波集, 分配给不同的用户可动态的把可用带宽资源分配给需要的用户, 容易实现资源的优化利用在理想同步情况下, 无 MAI

5 系统中共有 M*L 个子载波, 分配给 M 个用户首先对每个用户的输入数据流进行信道编码, 然后映射成 L 个基带调制符号, 再将基带符号映射到分配给该用户的 L 个子载波上

6 子载波分配常见的方式有 3 种块分配 : 同一用户的子载波集中分配, 具有较好的抗干扰交织分配 : 同一用户的子载波均匀分布在整个带宽内, 且不同用户的子载波交织在一起, 可更好获得频率分集混合分配 : 本质是一种随机分配, 可更好适应信道变化

7 不同子载波受到不同的衰落, 具有不同的瞬时 SNR

8 根据瞬时 CSIT, 不同子载波上采样不同的调制方式可充分利用信道的传输能力, 提高系统容量称为 AMC- OFDMA 系统

9 FH-OFDMA 方法通过不同的 FH 图案来区分用户在每个时隙, 根据 FH 图案选择每个用户使用的子载波位置, 每个用户占用不同的时频格资源, 互不碰撞

10 各个用户基带调制后的数据经 FH 模块进行子载波映射在频域进行 FH 解映射恢复出各用户发送数据同时具有 FH 系统和 OFDMA 系统的优点 : 可获得频率分集, 避免或减小小区间干扰缺点 : 较难根据信道状态产生简单而有效的 FH 图案

11 IFDMA 技术是一种特殊的单载波系统, 采用了码片复制技术 ( 可通过改变码片复制因子来支持可变速率的业务, 在频选信道中对低速率业务的用户提高频率分集增益 ), 在频域得到梳状频谱, 使多用户在频域达到正交引入 ISI, 在接收端使用均衡器十分必要结合了单载波和多载波系统的优点, 具有低 PAPR 特性, 无 MAI, 在上行系统种受到关注具有如下特征 : 具有低 PAPR 特性, 有效降低了移动台的功耗, 不需要使用昂贵的线性功放, 降低了成本和功耗在时间弥散信道中, 使用简单的频域均衡技术可获得与 OFDM 系统相似的性能将 IFFT 模块移至基站接收端, 简化了移动台发送端的处理

12 在 IFDMA系统中, 将所有数据符号按每 Q个符号 ( i) ( i) ( i) ( i) dq d0, d1,..., d Q-1 分为 1个组构成 1个 IFDMA符号, 以 IFDMA符号为基本处理单元 i 1,..., N 表示第 i个用户符号速率为 R 1 T,1个 IFDMA符号长度为 Q T, 将 T 压缩成 T, 再复制 L次, 得到 IFDMA符号为 : c (i) c 1 L s s s s ( i) ( i) ( i) ( i) ( i) ( i) T Ts d0, d1,..., dq-1,..., d0, d1,..., d Q-1, Tc L L次由于进行了码片复制操作, 用户 i 在频域上得到梳状频谱 u

13 Q=8,L=4 8 个数据符号构成 1 个 IFDMA 符号将 T 压缩成 T, T s c c Ts L 再复制 L次, 得到 IFDMA 符号

14 与 OFDM系统相似, IFDMA系统引入 CP的概念, 用以消除 ISI 每个用户的信息乘以该用户特有的相位偏移序列 : s jl l LQ i ( i) ( i) ( i) 2 l exp, 1,..., 1, ( 1) QL 在频域上对应不同的频率偏移, 使得多用户在频域正交, N L 由于进行了码片的复制操作, 用户 i在频域可得到梳状频谱, 包含 u Q个载波, 每相邻的载波之间有 L 1个 0, 可供其它用户使用

15 每个用户的发射信号经过相互独立的多径信道, 接收 N u 信号为 : y s ( t) h ( t) w( t) i1 ( i) ( i) l 接收端, 去除 CP后, 乘以每个用户对应的偏移序列的 1 共轭, 再对这 L个符号合并 : d y () t e () i MMSE () i ( m) ( i) ( ) n s L1 ( i) ( i) q l* Qq L l0 ( i ) * j l Q q 在时间弥散信道, IFDMA系统引入 ISI, 需要在接收端使用均衡器, 频域均衡是一种简单而有效的方法将合并后的信号经过 FFT变换到频域, 在频域进行信道均衡, 比较常用的频域均衡器为 MMSE均衡器, 其系数 : G ( m) H H m 再将均衡后的信号变回时域进行解调判决等操作

17 典型的用于信道估计的帧结构一帧中包括 6 个长符号块 (LB) 和 2 个短符号块 (SB),SB 长度是 LB 长度的一半 LB 用于数据传输, SB 用于信道估计

18 根据系统信号频谱的构成形状, 可定义 2 种典型的频谱模式 : 集中式 FDMA 和分布式 FDMA, 多个用户在频域上都是正交的 IFDMA 系统可以通过改变码片复制因子 L 的大小灵活实现集中式或分布式 FDMA 模式当 L=1, IFDMA 系统变为传统的频域均衡系统, 即集中式 FDMA 频谱模式当 L>1, 为分布式 FDMA 模式, 由于用户的子载波是离散分布的, 在频率选择性信道中, 可更好获得频率分集由于 IFDMA 系统的数据是在时域信号上进行调制, 系统信号构造的灵活度受到一定限制

19 DFT-SOFDM 技术单载波频分多址 (SC-FDMA) 可以在频域实现, 称之为 DFT-SOFDM 系统该系统的信号是在频域内构造, 具有很好的灵活性各用户占用的子载波可以不一样 PAPR 特性比 IFDMA 差, 但比 FDMA 好在 DFT - SOFDM 系统中, 数据经过调制编码后, 将所有 ( i) ( i) ( i) ( i) 数据分成每 Q个符号 dq d0, d1,..., d Q-1 为 1个组构成 1个 DFT - SOFDM 符号, 以 DFT - SOFDM 符号为基本处理单元 i 1,..., N 表示第 i个用户数据符号速率为 R 1 T, u s s 1个 DFT -SOFDM 符号长度为 QT s T

20 将 d 经过 Q点 DFT变换到频域, 用户 i的频谱占用 Q个子载波, () i q 在频域内将各个用户的频域信号分配在系统总的 N 子载波上, 各用户子载波的分配可以是集中式分布式或混合模式的在各个用户信号映射完成后, 再送入 N( N N ) 点的 IFFT变换器将信号变换到时域如果 Q N, FFT和 IFFT的作用相互抵消, 就是一个没有过采样和成型滤波器的单载波系统 () i 如果 Q N, IFFT模块出来的信号 s t 就是具有 sin c(.) 成型滤波器的单载波系统 DFT - SOFDM系统也需要加入 CP c c 函数脉冲

21 每个用户的发射信号经过相互独立的多径信道, 接收信号为 : () i MMSE N u ( i) ( i) y s t h t w t i1 ( ) ( ) ( ) 在时间弥散信道, DFT SOFDM系统引入 ISI, 在接收端比较常用的频域均衡器为 MMSE均衡器, 其系数 : G ( m) H () i ( m) ( i) ( ) n s H m

22 集中式 : 每个用户占一组连续分布的子载波分布式 : 每个用户占一组等间隔分布的子载波

23 由于 DFT-SFDMA 系统在频域进行用户信号映射, 具有很好的灵活度, 各用户数据可自由分配在系统任意频带上, 且很容易加入虚子载波等便于实现的操作

24 结构 1 和 2 一帧中都包括 3 个短符号块 (SB) 和 6 个长符号块 (LB),SB 长度是 LB 长度的三分之一结构 3 包括 2 个短符号块 (SB) 和 6 个长符号块 (LB),SB 长度是 LB 长度的一半 LB 用于数据传输, SB 用于信道估计为维持一帧长度不变,3 种结构的 CP 长度有细微差别

25 5.3 与 TDMA 结合的多址方式 OFDM 与 TDMA 技术结合, 不同用户在不同时隙内独占系统资源 ( 所有子载波 ) 进行数据传输, 以时分方式实现多址接入

26 双向业务可由 TDD 方式实现, 上下行链路都使用了子帧结构

27 多址方案的有效性可以从灵活性计算复杂度和信令等诸方面进行评价灵活性 : 进行时频分配时, 一方面应考虑频率选择性信道的特性 ; 另一方面也要满足用户不同的或可变的数据速率要求复杂度 : 高度依赖于每个系统所采用的自适应方式 OFDM-TDMA 方案的特点在特定 OFDM 符号内将全部带宽分配给一个用户, 不可避免存在带宽资源浪费频带利用率低灵活性差信令开销很大程度上取决于是否采用滤除具有较低信噪比子载波的技术和 AMC 技术, 采用上述技术可以改善性能, 但也会增加信令开销

28 5.4 与 CDMA 结合的多址方式 OFDM 技术提供了一种简单而有效的方法来解决时间弥散信道引起的 ISI CDMA 技术提供了一种获得频率分集和实现多用户接入的手段 OFDM-CDMA 系统中, 多个用户可共享同一时频资源, 用不同的码子来区分用户与传统 CDMA 系统不同, 这里的码子仅仅是将同一信息扩散到多个时频格资源上, 不存在扩展的概念同一基带信息可通过码子仅仅在频率域 ( 子载波 ) 上扩散, 也可以在频率域和时间域 (OFDM 符号 ) 上扩散

30 时域扩频 (2007-P121,2008-P175) MC/DS-CDMA: 在时域完成数据信号扩频, 数据在不同的 OFDM 符号间进行扩展, 每路数据在时间方向上进行扩展, 复用了其它用户数据后, 在每一 OFDM 符号时间内用 IFFT 变换到时域可以获得时间分集扩频信号限制在 1 个子带, 选用短扩频序列 f 1 f 2 f 3 f 4 频率

31 G MD 4 C 1 C 2 C 3 C 4 时间 C( t) cos( 2f 1 t) C( t) cos( 2f 2 t) 原始数据流时间串并转换 C( t) cos( 2f 3 t) S ( MD t ) b4( i) 时间 C( t) cos( 2f 4 t) N c 4

32 设每帧数据有 N 个数据符号和 N 个导频符号, U为用户数, 若扩频 Nd N p Nc 1 U u S( t) s ( t it ) Nc 1 SF 1 ' j2 ( f ' 1, ( ) k tlt c T t T si t Xk, i Cl e p t ltc, p t k0 l0 0, 其它 u i0 u0 ' u u u g c f f k T, T T T ' k 0 c c c g ki, d 序列长度等于扩频因子 SF, 则该发射信号为 : i 第 u个用户第 i路扩频后的符号表达式为 : X s p 是第 u个用户在第 k个子载波上的第 i路输入数据, C 是第 u个用户使用的扩频码中的第 l个码片在第 u个用户所有的子载波上 u u u 都使用相同的扩频序列 C C0,..., C SF 1, fk是第 k个子载波的频率, T 是保护间隔, T是每个子载波上一个码片的持续时间 g c T u l

33 由于每路数据只分配到单个子信道中发射, 所以, 如果不采用 FEC, 就不能获得频率分集在频选慢衰落信道中, 只要保证扩频序列之间的正交性以及接收完全同步, 就不会引入 MUI

34 时域扩频 ( 续 ) MT-CDMA 采用与载波数成比例的长扩频序列, 使系统可容纳更多的用户每个子载波的频谱不再满足正交所需带宽和 DS-CDMA 几乎相同接收机由若干个 Rake 接收机组成与 MC/DS-CDMA 相比, 频谱分布不均匀, 存在载频干扰, 导致抗干扰性能下降与 DS-CDMA 相比, 使用较长的扩频码可减小自干扰和多址干扰

35 C 1 C 3 C 5 C 7 C 9 C 11 C 13 C 15 G MT 16 频率 C 2 C 4 C 6 C 8 C 10 C 12 C 14 C 16 时间 C( t) f 1 f 2 f 3 f 4 cos( 2f 1 t) C( t) cos( 2f 2 t) 原始数据流时间串并转换 C( t) cos( 2f 3 t) S ( MT t ) b4( i) 时间 C( t) cos( 2f 4 t) N c 4

36 cos( 2f 1 t) 接收信号 cos( 2f 2 t) cos( 2f 3 t) cos( 2f 4 t) Rake 合成 1 Rake 合成 2 Rake 合成 3 Rake 合成 4 并串转换

37 频域扩频 MC-CDMA 每个信息符号在频域上进行拷贝, 由一个特定的扩频码进行扩频, 并调制到一组子载波上, 若扩频码的长度为 Nc, 那么对应的这 Nc 个子载波传输的是相同的信息可以把 MC-CDMA 看成是一种 OFDM 技术, 只是在形成 OFDM 信号前, 先将用户的信息与扩频码矩阵相乘, 使用 IFFT 模块和扩频矩阵模块就可实现发射

38 串 / 并转换成 N=Nc/SF 路, 每路复制 SF 次乘 SF 长的扩频码 f 1 f 2 f 3 f 4 频率

39 对于第 u个用户, 输入数据首先串 / 并变换成 N SF 路, ( u) ( u) ( u) ( u) ai 0, ai 1,..., ai Nc SF 1 ai n 表示为, 是用户 u在第 i个 OFDM 符号中的第 n路数据每路的输出进入对应的复制模块, 复制成 SF路相同的数据, 每 SF路数据与长度为 SF的扩频码相乘完成频域信号扩展扩展后的 N * SF N 路数据在 IFFT模块进行多路数据复用 IFFT变换, 并 / 串转换和加保护间隔 T c 基站端 : 将所有用户的发送信号线性叠加后形成发射信号, 经过成型滤波后, 由 RF单元发射 g c

40 第 u个用户的发送信号的等效低通形式为 : t N SF 1 SF 1 u u u i s s i n0 m0 ' ' c s c ( ) ( ) j2 ( f0 N SF nm f ) tit ' ( ) ( ) ( ) S t a n C m e p t it u u u, 1, 0,..., 1 ' ' ' ( ) ( ) ( ) Ts Nc SF Ts f Ts Tg C C C SF T ' s是每个子载波上的符号周期, f 是最小子载波间隔, p s 1, Tg t T 0, 其它 ' s c s 符号速率的 N SF 倍 c ' s 是矩形脉冲波形 T N SF T 表示每个子载波上的符号速率是原始 T

41 MC-CDMA 也可以看成是一种 DS-CDMA 技术, 这样, 对于一个用户的发送, 可以采用如下方式 : 用户的数据与一个全新的扩频码序列相乘, 这个码序列由原始扩频序列 ( 时域 ) 经过 DFT( 频域 ) 得到, 因此, 码序列不再是 +1 和 -1, 而是一系列的复数值

45 假设接收机的符号和载波都已实现同步, 接收信号经过下变频后, 恢复出基带信号 : Nu ( u) ( u) ( ), ( ) u1 r t s t h t d w t Nc SF 1 SF 1 N u i n0 m0 u1 u ( u) ( u) n, m i ' ' ' ' ( ), ( ), 1 u 是第个用户在对应 nm, h t a n C ( m) e p t it w t T N SF T f T T s s s c s s g h t u k N SF n m c 0 ' ' c s j2 ( f N SF nm f ) tit 的传输函数接收机进行与发射机相反的操作, 包括去保护间隔并 / 串转换 FFT 在 FFT后进行信道估计在进入合并模块前, 第 u个用户每路子载波的接收信号乘以增益因子 G 均衡和用户信息提取 ( 解扩 ) 路子载波上 u 完成信道

46 检测合并技术 : ORC, EGC, MRC和 MMSEC 只有一路数据信息在所有子载波上传输, 合并模块输出 SF 1 ( u) ( u) i m0 的判决变量 : D G ( m) y( m) Nu u ( u) ( u) i ( ) i i ( ) i ( ) u1 第 i个 OFDM 符号期间接收到的信号 : y m h a C m w m 1 N ( u SF ) ( u u ) u ( u ) ( u SF 1 ) j ( j ) ( j ) ( j ) i i i i i m0 m0 j1, ju D G ( m) h a C ( m) h a C ( m) G ( m) 第一项是有用信号项, 第二项是 MUI, 第三项是噪声项合并算法中不考虑 MUI, 并假设合并前已经获得信道信息 w( m) i

47 正交恢复合并 ( ORC) 纠正信道的相位和幅度衰落, 恢复不同扩频序列之间 ( u) ( u) ( u) * ( u) 2 的正交性, 其增益因子 G ( m) C ( m) h ( m) h ( m) 第个用户决变量 SF 1 ( u) ( u) C ( m) h ( m) u 2 ( u) u D a w m ( u) m0 ( u) 理论上可完全消除 MUI, 但当 h ( m) 较小时, 会放大噪声 h ( m) *

48 等增益合并 ( EGC) 对每路载波上的信号进行相位纠正后叠加, 增益因子 : ( u) ( u) ( u) * ( u) G ( m) C ( m) h ( m) h ( m) SF 1 SF 1 ( u) ( u) C ( m) h ( m) u u ( ) ( u) ( ) D a h m w m ( u) m0 m0 h ( m) 对噪声项没有放大, 但对深衰落的子信道, 会降低判决信噪比 *

49 最大比合并 ( MRC) 使信号在输入判决器前具有最大的 SNR, ( u) ( u) ( u) G m C m h m ( ) ( ) ( ) 1 1 ( u SF ) ( u SF ) ( u ) ( u ) * u 2 * ( ) ( ) ( ) D a h m C m h m w m m0 m0 衰落小的子信道的加权大于衰落大的用户数多时, 会加剧不同扩频序列之间非正交所带来的干扰

50 最小均方差合并 ( MMSEC) 有效控制噪声和用户间的干扰, 准则是使合并模块期望输出与实际输出值之间的 MSE最小 ( u) ( u) ( u) * ( u) 2 2 ( u) ( u) ( u) * ( u) 2 G ( m) C ( m) h ( m) K h ( m), K为激活用户数需要信道的信息外, 还要获得噪声功率和激活用户数当 h ( m) 较小时, 由于考虑噪声功率, 可避免噪声过度放大当 h ( m) 较大时, h ( m) h ( m) 大致成正比, 有利于恢复扩频序列之间的正交性, 减小多址干扰

51 T N n c 0 c 0... c 0 发送序列 : A [ a k, a k,..., a k ], a k 表示第 n用户的第 k 个信息位 N 1. 扩频序列矩阵 C. c 0 M c1 M cn 1 M M是码片数, 扩频序列长度和用户数目相等接收信号 Y= HCA + N M 1 N 1 M 1 接收信号在解扩合并前为 : y( k) = h c ( m) a k n 设第 n个用户的加权因子矩阵为 G * * m 0 0, m 2 2 Nhm m n n m m0 n0 m0 n M 1 N 1 M 1 0 m 0, m n n 0, m m m0 n0 m0, Gn diag g n,0, gn,1,..., gn, M 1 合并后输出 : yˆ ( k) = h g c ( m) a k g n 2 根据 MMSE准则, 要找到合适的 G ˆ 0, 使得 E an k an k 0 g h c ( m)

54 多用户检测单用户时 MRC 性能最好, 但存在 MUI 时性能下降 MC-CDMA 是干扰受限系统各子信道衰落不一致会破坏扩频序列之间的正交性要恢复扩频序列之间的正交性, 对信道估计和均衡的要求很高利用扩频系统中 MUI 是可估计可再生特性, 采用 MUD, 如 MLD, 计算接收到的序列与可能传输的序列之间的欧式距离, 从而选择最可能的传输序列迭代检测是一种干扰消除的算法

55 MC-CDMA 使用的载波子信道数等于扩频序列的长度 MC-CDMA 各载波在不同的频段上具有不同的 PN 码结构, 每一个数据信元是在所有载波上传输, 在接收端进行合成, 这样接收机可以充分利用分布在整个频域范围内的信号能量, 有效地提高系统性能而 MC/DS-CDMA 在时域上不能完全聚集信号能量, 性能劣于 MC-CDMA MC-CDMA 各个子信道之间的信号频谱可以相互重叠, 大大地提高了系统的频谱利用率

56 VSF-OFCDM OFCDM 是以 MC-CDMA 和 OFDM 为基础的技术, 其本质和 MC-CDMA 一样, 每个子载波上传输的符号速率较低在 OFDM-CDMA 系统中, 分集增益和多址干扰是一对矛盾 VSF-OFCDM 采用可变扩频因子在时频二维进行信号扩展, 可最大程度获得可能的分集增益和降低干扰当 SF=1,OFCDM 蜕变为 OFDM 当 SF>1,SF 值可以根据无线链路的状况进行调整频选信道一方面使得 OFCDM 系统可获得较好的频率分集增益, 另一方面也会破坏扩频码之间的正交性, 带来 MUI, 这种干扰与实际码分复用信道 Cmax 的数目有关为降低码间干扰的影响, 应选择较小的 SF, 同时 Cmax / SF 过大又会增加码间干扰较大的 SF 可以减少相邻小区间的干扰

57 B sub ( SF 1) 1, Bsub是子载波的带宽 2 max

58 仅在频域扩展

59 仅在频域扩展

60 时频域二维扩展扩频序列把每个码片在时域上分配给相应的 OFCDMA 符号 ( 时域扩展 ); 在频域上分配给相应的子载波 ( 频域扩展 )

61 在蜂窝小区环境中,SFfreq>=1, 而在热点 ( 单小区 ) 区域采用 SFfreq=1

62 在二维扩频中, 应优先进行时域扩频在时间弥散信道中, 信道在时域的变化远慢于在频域的变化, 时域扩频更容易保持不同码分复用信道之间的正交性 ; 同时, 在时域扩频中, 更容易实现 AMC 低 SNR 区域, 频域扩频能获得较大的频率分集效果高速移动时, 降低时域扩频因子

Microsoft PowerPoint - Lecture14

Microsoft PowerPoint - Lecture14 CMOS 射频集成电路设计 2007 年 12 月 21 日唐长文助理研究员 zwtang@fudan.edu.cn http://rfic.fudan.edu.cn/courses.htm 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室调制与解调多路接入技术和标准协议调制和解调多路接入技术标准协议 -2- 基带信号和带通信号基带信号 : 中心频率为零的信号带通信号 : 中心频率不为零的信号