精品毕业设计40OFDM及载波聚合的设计与实现41.docx
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精品毕业设计40OFDM及载波聚合的设计与实现41
西安邮电学院
毕业设计（论文）
题目：
OFDM及载波聚合的设计与实现
院（系）：
通信与信息工程学院
专业：
通信工程
班级：
通工0714班
学生：
任明明
导师：
姜静职称：
高级工程师
起止时间：
2011年1月3日至2011年6月10日
西安邮电学院
毕业设计（论文）任务书
学生
任明明
指导教师
姜静
职称
高工
院（系）
通信与信息工程学院
专业
通信工程
题目
OFDM及载波聚合的设计与实现
任务与要求
1.调研3G移动通信OFDM的应用现状。
2.学习无线信道的衰落特性，编写瑞利信道。
3.学习OFDM的基本原理，仿真OFDM的性能增益。
4.调研分析100MHz传输带宽时载波聚合的需求分析及必要性。
5.设计100MHz传输带宽时载波聚合的方案。
6.对100MHz传输带宽时载波聚合方案进行仿真验证。
开始日期
2011年1月3日
完成日期
2011年6月10日
院长（签字）
2011
年
1
月
7
日
西安邮电学院
毕业设计（论文）工作计划
2011年1月3日
学生___任明明____指导教师__姜静职称高级工程师
院（系）通信与信息工程学院_专业通信工程
题目OFDM及载波聚合的设计与实现
______________________________________________
工作进程
1月3日至3月1日了解OFDM的算法原理和实际应用,了解4G移动通信系统宽带传输的需求和基本解决方案。
统系统的关键技术及波束形成相关知识。
3月2日至3月22日学习无线信道的传播特性,掌握相干时间，相干
带宽等概念，用MATLAB工具编写瑞利衰落信道。
利衰落信道。
3月23日至4月23日学习OFDM算法，了解OFDM和MIMO结合的性能
优势,并用MATLAB程序仿真OFDM算法的性能。
4月24日至5月10日设计支持100MHz传输带宽下的载波聚合方案，
仿真其性能增益。
3月2日至5月15日撰写论文，完成论文初稿。
5月15日至5月30日完善并修改毕业论文。
6月1日至6月10日准备答辩。
主要参考书目（资料）
1.杨大成，移动传播环境-理论基础、分析方法和建模技术[M].北京:
机械工业出版社.2003.8.
2.周恩，张光，吕召彪.下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术[M].北京:
人民邮电出社.2008.5.
3.王文博，郑侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京:
人民邮电出社.2003.11.
4．CheongYuiWong,etc.MultiuserOFDMwithadaptivesubcarrier,bit,andpowerallocation[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,Oct1999.17（10）:
1747–1758.
一台计算机
每周指导一次，主要解答学生问题，指导研究进度，并检查阅读资料笔记和仿真程序。
本计划为开题之初所定，后续会根据具体情况随时调整，最终一定按毕业设计规定结束日期完成。
西安邮电学院
毕业设计（论文）开题报告
通信与信息工程学院院（系）通信工程专业07级14班
课题名称：
OFDM及载波聚合的设计与实现
指导教师：
姜静
报告日期：
2011年2月28日
1．本课题所涉及的问题及应用现状综述
本课题所涉及的问题：
1.了解OFDM的原理和当前实际应用以及3G移动通信OFDM的应用现状；
2.了解无线信道的衰落特性，掌握相干时间，相干带宽等概念；
3.OFDM和MIMO结合的性能优势，设计支持大带宽传输所需的载波聚合技术,设计基于OFDM的载波聚合方案.。
应用现状综述：
OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术，实际上
OFDM是MCMMulti-CarrierModulation，多载波调制的一种。
在向B3G4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。
2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过被称为LongTermEvolution（LTE）即“3G长期演进”的立项工作。
项目以制定3G演进型系统技术规范作为目标。
3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM，上行SC。
OFDM由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。
而上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比（PAPR）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，一些则认为可以通过滤波，削峰等方法限制峰均比。
B3G4G的目标是在高速移动环境下支持高达100MbS的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达1GbS的下行数据传输速率。
2010年全球首个TD-LTE-A的规模实验网将在上海世博会向媒体开放。
4G是基于OFDM加MIMO的技术组合，但整体结构不一样，基于OFDM和MIMO的有两套标准，一个是IEEE802-16M，一个是LTE-Advanced,而OFDM技术是关键核心技术之一。
2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析
关键问题：
1.对4G移动通信系统宽带传输的需求和基本解决方案。
2.100MHz传输带宽时载波聚合的需求分析和方案设计,如何将若干个连续或者不连续的20MHz带宽聚合为100MHz的大带宽,对其PAPR，传输性能进行仿真，设计PAPR低，性能良好的载波聚合技术。
解决思路：
1.了解目前OFDM应用现状，以便更好的对OFDM技术进行认识利用。
2.学习无线信道的传播特性,掌握相干时间，相干带宽等概念，用MATLAB工具编写瑞利衰
落信道。
3.学习OFDM算法，了解OFDM和MIMO结合的性能优势,并用MATLAB程序仿真OFDM算法的
性能。
4.调研分析100MHz传输带宽时载波聚合的需求分析及必要性。
5.设计100MHz传输带宽时载波聚合的方案。
实现预期目标的可行性：
1.熟悉OFDM的原理，可以掌握OFDM技术的作用，提出建设规划并实现。
2.学习无线信道的衰落特性，掌握相干时间，相干带宽等概念，用MATLAB工具编写瑞利衰
落信道。
3.提升自己独立的自学能力，应用相关知识进行研究学习。
4.培养了独立开展研究的能力，掌握了科研的基础方法，能对OFDM及载波聚合
的设计研究有一个科学的论证。
3．完成本课题的工作方案
1.调研3G移动通信OFDM的应用现状，学习OFDM算法原理。
2.了解4G移动通信系统宽带传输的需求和基本解决方案。
3.学习无线信道的衰落特性，编写瑞利信道，学习OFDM的基本原理，仿真OFDM的性能增益。
4.调研分析100MHz传输带宽时载波聚合的需求分析及必要性。
5.然后用一个月的时间进行设计100MHz传输带宽时载波聚合的方案研究，最终对OFDM及载
波聚合的设计做出合理的分析。
6.撰写论文，完成论文初稿；最后完善并修改毕业论文。
4．指导教师审阅意见
论文对选题的发展背景、研究现状和发展趋势做了基本介绍；研究的基本内容以任务书为依据、研究的主要问题和方向明确；研究方法可行，其研究工作的步骤、进度安排合理，同意开题。
指导教师（签字）：
2011年3月4日
西安邮电学院毕业设计（论文）成绩评定表
学生
任明明
性别
女
学号
专业班级
通工0714班
课题名称
OFDM及载波聚合的设计与实现
课题
类型
软件工程类
难度
一般
毕业设计（论文）时间
2011年 1月 3日～ 6月 10日
指导教师
姜静
（职称高工）
课题任务
完成情况
论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；
其它（含附件）：
指导教师意见
分项得分：
开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分
指导教师审阅成绩：
指导教师（签字）：
2011 年 月 日
评
阅
教
师
意见
分项得分：
选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；
论文撰写（规范）分；外文翻译分
评阅成绩：
评阅教师（签字）：
2011年 月 日
验
收
小
组
意
见
分项得分：
准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分
验收成绩：
验收教师（组长）（签字）：
2011 年 月 日
答
辩
小组
意
见
分项得分：
准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分
答辩成绩：
答辩小组组长（签字）：
2011年月日
成绩计算方法
（填写本系实用比例）
指导教师成绩20（％）评阅成绩30（％）验收成绩30（％）答辩成绩20（％）
学生实得成绩（百分制）
指导教师成绩评阅成绩验收成绩
答辩成绩总评
答
辩
委
员
会
意
见
毕业论文（设计）总评成绩（等级）：
院（系）答辩委员会主任（签字）：
院（系）（签章）
2011年月日
备
注
西安邮电学院毕业论文（设计）成绩评定表（续表）
摘要
目前，随着移动通信对高速宽带的要求日益增强，多媒体、互联网等业务的发展对于数据的无线传输提出了更高的要求。
在提高频谱利用率的同时，我们需要在越来越有限的频率资源中为系统提供更大的频带宽度，以达到高速的数据传输速率。
为了支持大带宽传输，LTE-Advanced系统引入了载波聚合技术来增加单个用户的传输带宽。
本文介绍了载波聚合技术的相关原理，通过载波聚合技术的应用来增加信号的传输带宽，从而大幅度提高LTE-Advanced终端的峰值速率。
进一步阐述载波聚合技术应用背景和现状，总结并比较了目前阶段的主流技术方案，保证在以尽量少地修改LTERelease8协议，并且对LTE终端能够具有良好兼容性的条件下，在基于物理层关键技术OFDM技术的基础上，评估了当前两种连续频谱聚合方案的性能。
仿真证明：
对于有无保护频带对载波聚合的性能影响甚微。
关键词：
OFDM，载波聚合，连续频谱分配
ABSTRACT
Now,themobilecommunicationdevelopmentincreasingdemandforspeed.Inthiscase,toachievetheaim,itisneedednotonlytospectrumefficiencybutalsotoexpandthebandwidthinthelimitedfrequencyresources.
Inordertosupport,LTE-Advancedsystemsintothecarrierpolymertechnologytoincreasethebandwidthofindividualusers.Thispaperdescribestherelevantprinciplesofthecarrierpolymertechnology,polymertechnologythroughthecarriertoincreasethesignalbandwidthtodramaticallyimproveLTE-Advancedterminalpeakrate.Polymercarriertechnologytofurtherelaboratethebackgroundandcurrentstatus,summarizesandcomparesthecurrentphaseofmainstreamtechnology,andensurethataslittleaspossibleinordertomodifytheLTERelease8protocols,andtheendoftheLTEconditionsthatthephysicallayer-basedkeytechnologiesbasedonOFDMtechnology,assessmentofthecurrentprogramofthetwoaggregateperformanceofcontinuousspectrum.Simulationresultsshow:
withorwithoutguardbandfortheperformanceofthecarrierpolymer;Continuousspectrumallocation
引言
OFDM技术抗衰落性能好，且具有频谱利用率高、系统实现简单以及子载波调度灵活等优点。
针对在大传输带宽下使用OFDM技术，就要引入本文介绍的载波聚合技术。
载波聚合技术作为提高LTE-Advanced系统频谱利用率的关键技术之一，重点需要对控制信道的格式和多载波调度的方式进行考虑，研究载波聚合技术的发展是非常重要的。
目前，对于载波聚合技术的实现方案有连续频带聚合、离散频带聚合、对称载波聚合和不对称载波聚合等方式。
相对于离散频带聚合，连续频带聚合实现较为容易，信令开销小，UE需要检测的频点也少，因此本文重点对载波聚合的连续频带聚合进行阐述。
阐述两种连续频带聚合方案后，对于两种方案实现中的性能进行了评估分析，并通过仿真展示了两种方案各自的特点。
第一种方案只有中心频段位于100KHz的整数倍位置，也就意味着只有中心载波段能够接收LTERelease8的用户终端；而第二种方案则是每一个载波段均能够处于100KHz的整数倍上，即每一个载波段均能接收LTERelease8的用户终端。
通过仿真证明有无保护频带对于信息传输的可靠性影响不大。
1 绪论
进入21世纪以来，移动通信技术以前所未有的速度向前发展着。
伴随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和网络技术的迅猛发展，我们可以预计，未来的移动通信技术将会具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利，而其网络结构也将发生根本的变化。
1.1 移动通信的发展
移动通信是指通信双方或至少一方处于运动中的进行信息交换的通信方式，使得用户可以在任何时间和地点、快速而可靠地进行多种信息交换。
它在无线通信开放式传输的基础之上，引入了用户的动态性。
目前，伴随着用户对于业务的需求，移动通信已经不再仅仅满足于当前主要的语音业务，一些如数据，图像等的非语音业务，同样也被纳入了其服务范围。
因此，我们不难从移动通信发展的历程中看出，移动通信的各种特点以及业务需求，给它带来了巨大的挑战。
第一代移动通信（1G）在20世纪70年代末开始进入商用化，它的特征是模拟蜂窝通信，无线系统的接入使用FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）方式来实现。
由于早期的大区制的蜂窝通信系统很快达到饱和，无法满足要求。
因此，小区制蜂窝式的系统设计和频率规划实现了载频复用，达到了扩大覆盖范围和系统容量的要求。
这个阶段，使用的最为广泛的是美国的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem）和欧洲的TACS（TotalAccessCommunicationSystem），另外也有北欧的NMT-450以及日本的HCMTS等。
而第二代移动通信（2G）是在20世纪90年代开始走向商用的，它具备了很多数字通信系统的优点，比如它具有更大的系统容量，具有更高质量的服务等。
这个阶段具有代表性的系统有很多，例如欧洲的GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）和美国的IS-95等。
它采用TDMA（GSM）和CDMA（IS-95）方式对用户进行动态寻址，其主要业务为语音服务，双工模式则为频分双工（FDD）。
因为通信技术的不断发展，2G系统也渐渐的不再能够满足需求。
于是开始出现了一些过渡的中间技术，如通用分组无线业务GPRS，新一代的移动通信系统日趋成为热点。
目前，第三代移动通信（3G）系统刚开始进入商用，使用以CDMA为主流的接入技术。
最近，第三代移动通信合作计划（The3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）启动了3GPPLTE（LongTermEvolution，长期演进）项目，以及LTE-Advanced。
现阶段，LTE的物理层关键技术使用的是OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术，因此研究OFDM技术在下一代移动通信系统演进中的相关问题是非常必要的。
1.2 载波聚合及其研究进展
载波聚合技术是将多个LTE载波扩展成LTE-A系统的传输载波。
LTE系统的UE和LTE-A系统的UE均可以使用“LTE载波单元”来进行通信。
目前，很多公司在广泛的讨论和分析载波聚合技术的可行性方案，比如DoCoMo、Ericsson、Huawei等。
LTE-A系统潜在应用频段包括450MHz～470MHz、698MHz～862MHz、790MHz～862MHz、2.3GHz～2.4GHz、3.4GHz～3.6GHz。
所以，载波聚合技术要求要可以在多个频点上跨频带进行聚合。
因此我们发现，LTE-A系统大量频段集中在3.4GHz以上的较高频段，可能是1个多频段层叠无线接入系统。
而我们知道空中接口技术的框架就是由非连续频谱分布、大带宽和灵活频谱的使用决定的。
除此之外，应用于城域网（WAN，WideAreaNetwork）的标准是IEEE802.16标准，其工作组提出了802.16m标准，它的两个主要目标是：
一，满足IMT-Advanced要求，向国际电信联盟提交4G技术；二，对目前存在的802.16e进行兼容，满足NGMN（下一代移动网络）的要求。
就满足IMT-Advanced需求和兼容性这两个方面来考虑，802.16m不但要提高目前的频谱利用率，同时也要利用载波聚合技术扩大带宽，提高系统的传输速率和吞吐量。
因此，LTE-Advanced与IEEE802.16m标准均要用到载波聚合技术进行扩展系统带宽，本文在此背景下，基于物理层关键技术OFDM，对当前主流的载波聚合技术方案进行阐述。
1.3 本章小结
本文一共分为五章，第一章是绪论，简单介绍了目前位置的移动通信发展过程以及关于载波聚合技术的研究进展。
第二章介绍了关于无线信道的相关内容，包括衰落特性以及衰落类型，重点在于瑞利信道的衰落仿真。
第三章介绍了OFDM系统的相关原理，为后文进一步介绍载波聚合技术基础铺垫。
第四章则系统介绍了载波聚合技术的相关原理和目前关于该技术的主流方案，并对方案进行了性能评估。
第五章则为全文总结。
2 无线信道
2.1 无线信道的衰落特性
无线移动信道是一种时变的衰落信道，它主要存在两种衰落，即大尺度（Large-Scale）衰落与小尺度（Small-Scale）衰落。
而在实际的无线信道中，我们可以将衰落因子如下表示为：
（2-1）
上式（2-1）中，
表示的是信道的衰落因子，而
则表示大尺度衰落，它代表了接收信号的均值在一定时间内随传播距离和环境的变化而出现的缓慢变化，
则表示小尺度衰落，它代表了接收信号在短时间（距离）内的快速变化。
我们知道，引起大尺度衰落的主要原因是由自由空间的路径损耗，于是，我们也可以称大尺度衰落为自由空间的路径衰落。
当自由空间有障碍物时，由于障碍物对电波遮蔽而引起的衰落，我们就称为阴影衰落。
而由于同一传输信号沿两个或多个路径传播是所引起的衰落，我们称其为小尺度衰落，由于它是由微小的时间差到达接收机的信号相互干扰所引起的，因此我们又称小尺度衰落为多径衰落。
2.2 阴影衰落
由于传播的过程中电磁波在会受到树林和耸立的建筑物等障碍物的阻挡，于是在这些障碍物背面电磁场会产生阴影，那么当移动台通过不同障碍物的阴影区时，场强中值的变化则会引起接收信号产生衰落，也就是阴影衰落。
它反映了接收信号平均值在中等范围内的变化趋势，从统计规律上看其特性，它服从对数正态分布，变化率比数据传输率来的慢，因此又可以称为慢衰落。
（2-2）
式（2-2）表示任意的传播距离，平均大尺度路径的损耗，但并未考虑在相同传播距离下，不同位置的周围环境不同产生的影响。
经过测试，任意d值，特定位置的实际路径损耗服从正态分布，即：
（2-3）
在上式中，为均值为零、标准差为的高斯分布随机变量，其单位使用dB，也就是为不同位置的阴影衰落所引起的损耗。
2.3 多径衰落
通常情况下，在移动无线传播环境中始终都存在着直射、反射、散射，衍射，因此接收信号往往并不是从单一路径来的，而是由多条路径信号组合而成。
又由于各个路径上的信号的幅度、相位以及时延都在随时随地的发生着变化，因此由这些不同路径信号叠加来的接收信号的幅度会急剧变化，也就是我们通常所说的衰落，这种衰落我们称为多径衰落。
多径传播往往会对信号的传输会产生极大的影响，比如时延扩展、角度扩展和频率扩展等等。
其中，多径衰落效应的一个最重要的体现是时延扩展，各个路径的信号由于传播路径有所不同，从而具有不同的时间延迟，这样就使得接收信号的能量在时间上被展宽，也就是前面所说的时延扩展。
通常，最大时延扩展指的是第一条路径信号与最后一条路径信号之间的时间差。
相干带宽是另一个与时延扩展有关的重要概念。
如果将相干带宽定义为频率相关函数大于0.9的某特定带宽，那么相干带宽近似为：
（2-4）
上式（2-4）中
表示信道的均方根时延扩展，它是多径信号功率延迟分布的二阶矩的平方根。
在实际中为了简便，我们通常定义信道的相干带宽为最大多径时延的倒数。
如果相干带宽小于发送信号的带宽，那么信号将经历频率选择性衰落，信号中各频率分量遭受不一致的衰落，所以得到的衰落信号的波形会产生失真，相反，如果相干带宽大于信号带宽，信号会经历平坦型衰落，也就是说此时信号中各频率分量所遭受的衰落均是一致的，这是产生的衰落信号的波形不会失真。
2.4 正弦波叠加法仿真瑞利信道模型
移动无线信道中，平坦衰落信号或者独立多径接收信号的包络分布通常用瑞利模型（Rayleigh）来
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