下一代无线网路关键技术研究OFDM原理和应用 王航.docx

下一代无线网路关键技术研究OFDM原理和应用 王航.docx

《下一代无线网路关键技术研究OFDM原理和应用 王航.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《下一代无线网路关键技术研究OFDM原理和应用 王航.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

下一代无线网路关键技术研究OFDM原理和应用王航

信息工程大学

毕业设计（论文）报告

（地方学生）

课题名称下一代无线网络关键技术研究

——OFDM原理和应用

学生姓名王航

所在院、系（队）九系四队

专业通信工程

学号***********申请学位级别工学学士

指导教师单位二系三教

指导教师姓名仵国锋

技术职务讲师

二〇〇九年五月

课题名称

下一代无线网络关键技术研究

其他指导老师姓名、单位

课题主要任务与要求：

了解OFDM技术的发展过程及其基本概念；

理解OFDM的工作原理，分析影响OFDM系统性能的因素；

对OFDM系统所涉及的关键技术进行理论研究；

简要分析OFDM技术在实际系统中的应用。

提交学士论文一份

备注

系（或教研室）审批意见：

签（章）年月日

学院训练部审批意见：

签（章）年月日

信息工程大学

毕业设计（论文）任务书

（地方学生）

课题名称下一代无线网络关键技术研究

——OFDM原理和应用

学生姓名王航

所在院、系（队）九系四队

专业通信工程

学号***********申请学位级别工学学士

指导教师单位二系三教

指导教师姓名仵国锋

技术职务讲师

二〇〇九年五月

指导教师评语：

签（章）年月日

答辩小组意见：

负责人签（章）年月日

学院答辩委员会意见：

负责人签（章）年月日

学院训练部审核意见：

盖章年月日

摘要

正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波数字调制技术，虽然OFDM的概念已经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体业务的发展，它才被人们认识到是一种实现高速双向无线数据通信的良好方法。

随着DSP芯片技术的发展，傅里叶变换/反变换、高速modem采用的64/128/256QAM技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用，预计第三代以后的移动通信的主流技术将是OFDM技术。

正交频分复用技术的应用已有近40年的历史，第一个OFDM技术的实际应用是军用的无线高频通信链路。

经过多年的发展，该技术已在广播式的音频和视频等许多领域得到广泛的应用。

本文介绍了正交频分复用（OFDM）技术的原理及其在无线通信领域内的应用，全文共分五章。

第一章简要介绍了移动通信的发展，无线信道的特性及OFDM的发展。

第二章介绍OFDM技术的基本原理和特性。

第三章叙述了OFDM系统中的几个关键问题，包括OFDM系统的同步，峰均比问题和信道估计。

第四章简要介绍了OFDM系统的实际应用，其中包括OFDM在DAB和ADSL中的应用。

最后第五章通过对未来移动通信系统（4G）与3G相比较，从而介绍了4G通信系统的优点、关键技术以及发展现状。

关键字：

正交频分复用，多载波调制，数字信号处理，第四代移动通信技术

Abstract

Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing（OFDM）isadigitalmulti-carriermodulationtechnique.AlthoughtheconceptofOFDMhasalreadyexistedforaverylongtime,butuntilrecentlywiththedevelopmentofmultimediaservices,itwasrecognitizedasahigh-speedtwo-waywirelessdatacommunicationmethodofthegood.WiththedevelopmentofDSPchiptechnology,Fouriertransform/inversetransform,high-speedmodemtechnology64/128/256QAMused,thegridencodingtechnology,soft-decisiontechniques,channeladaptivetechnology,toinserttheguardinterval,reducingthebalancecomputationaregraduallyintroduced,moreandmorepeoplebegantofocusonthedevelopmentofOFDMtechnologyinthefieldofmobilecommunicationsapplications,itisexpectedthatthemainstreamtechnologyinbeyondthirdgenerationmobilecommunicationsystemwillbetheOFDMtechnology.

Orthogonalfrequencydivisionmultiplexingapplicationsfornearly40yearsofhistory,thefirstpracticalapplicationofOFDMtechnologyisthemilitaryhigh-frequencywirelesscommunicationlink.Afteryearsofdevelopment,thetechnologyinthebroadcastfieldofaudioandvideoandsoonhavebeenwidelyused.

Thisarticalmainlytalkedabouttheprincipleoforthogonalfrequencydivisionmultiplexinganditsapplicationinthefieldofwirelesscommunicationsapplications,itisdividedintofiveparts.ChapterIbrieflydescribesthedevelopmentofmobilecommunications,wirelesschannelcharacteristicsandthedevelopmentofOFDM.ChapterIIdescribesthebasicprinciplesofOFDMtechnologyandfeatures.ChapterIIIdescribesseveralkeyissuesoftheOFDMsystem,includingthesynchronizationofOFDMsystem,PAPRandchannelestimation.ChapterIVbrieflyintroducedthepracticalapplicationofOFDMsystems,includingOFDMinDABandADSLapplications.Atlast,ChapterVdescribesthecomparionofthefuturemobilecommunicationsystems（4G）andthe3G,thenintroducedthebenefitsof4Gcommunicationssystems,it'skeytechnologiesaswellasit'sdevelopmentcondition.

KeyWords:

OFDM,multi-carriermodulation,DSP,4G

第一章移动通信系统概述

1.1移动通信发展历史

自20世纪80年代我国引入模拟式（TACS）移动通信网以来，短短20多年的发展，截至2008年底，我国已拥有4亿以上的移动通信用户，成为全球头号移动用户大国。

我国的第一代移动通信TACS系统目前已完成其历史任务而被淘汰；第二代移动通信GSM系统是全球第一，规模最大、用户最多，CDMA系统目前也是数一数二的，并即将成为全球第一；第三代移动通信系统，我国目前还处于投入运营的初期阶段。

移动通信，确切地说蜂窝式移动通信，就正式商业运营而言，至今也不过只有29多年的历史，就其发展历程看，大约每十年就更新一代。

目前正处于第二代（2G）和第三代（3G）的交接期。

第一代（1G）以模拟式蜂窝网为主要特征，是20世纪70年代末80年代初开始商用化的。

其中最具代表性的是北美的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem）、欧洲的TACS（TotalAccessCommunicationSystem）两大系统，另外还有北欧的NMT及日本的HCMTS系统等。

第一代（1G）从技术特色上看，它以解决两个动态性中最基本的用户这一重动特性为核心并适当考虑到第二重信道动态性。

主要实现措施是采用频分多址FDMA方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现频率再用方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。

在信道动态特性匹配上，适当采用了性能更优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。

第二代（2G）以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统，它于20世纪90年代初正式走向商用。

其中最具代表性的有欧洲的时分多址（TDMA）GSM、北美的码分多址（CDMA）的IS—95两大系统，另外还有日本的PDC系统等。

第二代（2G）从技术特色上看，它是以数字化为基础，较全面考虑信道与用户的二重动态特性及相应的匹配措施。

主要实现措施有：

采用TDMA（GSM）、CDMA（IS—95）方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网结构和频率（相位）规划实现频率（相位）再用方式，从而扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。

第三代（3G）以多媒体业务为主要特征，它于本世纪初刚刚投入商业化运营。

其中最具代表性的有北美的CDMA2000、欧洲与日本的WCDMA及我国提出的TD—SCDMA三大系统，另外还有欧洲的DECT及北美的UMC—136。

第三代（3G）从技术上看，它是在2G系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务的动态性，即在3G系统中，用户业务既可以是单一的语音、数据、图像，也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随机的，这个第三重动态性的引入使系统大大复杂化。

所以第三代是在第二代数字化基础上的、以业务多媒体化为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户二重动态特性匹配特性，并适当考虑到业务的动态性能，尽量采用相应措施予以实现的技术。

目前，人们以把目光越来越多地投向三代以后（Beyond3G）的移动通信系统中，使其可以容纳庞大的用户数、改善现有通信质量品质不良，以及达到高速数据传输的要求。

若以技术层面来看，第三代移动通信系统主要以CDMA为核心技术，三代以后的移动通信系统则以正交频分复用（OFDM）最受瞩目特别是有不少专家学者针对OFDM技术在移动通信技术上的应用，提出相关的理论基础，例如无线本地环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，都将在未来采用OFDM技术。

1.2无线信道的传播特性

通信系统中最基本的部分是信道，它是承载信息的物理媒介，在无线系统中，这个信道就是无线电波在自由空间的传播。

无线信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地环境条件的客观存在，其信道参数是时变的。

移动通信中的各种新技术都是针对无线信道的动态时变特性，为解决无线信道中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。

因此分析无线信道的特点是解决无线通信关键技术的前提，是产生移动通信中各类新技术的源泉。

无线信道主要有三个特点：

1，传播的开放性

一切无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的。

它不同于固定的有线信道是基于全封闭式的传输线来实现信息传输的。

2，接收环境的复杂性

是指接收点地理环境的复杂性与多样性。

一般可将接收点地理环境划分为下列三类典型区域：

高楼林立的城市繁华区，以一般性建筑物为主体的近郊区，以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。

3，通信用户的随机移动性

移动通信主要包括下列三种类型：

静准态的室内用户通信、慢速步行用户通信和高速车载用户通信。

总之，传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性这三个特征共同构成了无线通信信道的主要特点。

若从无线信道中的电磁传播来看，可分为直射波、反射波、绕射波以及穿透建筑物后的散射波。

由于散射波相对于直射波、反射波、绕射波都比较弱，所以从电磁波传播上看：

直射、反射、绕射是主要的，但有时穿透的直射波与散射波的影响也是要进一步考虑的。

在无线信道的3个主要特点及传播的3种主要类型作用下，接收点的信号将产生如下特点：

具有三类不同层次的损耗

（1）传播损耗：

一般称为衰耗，是指电波在空间传播所产生的损耗。

它反映出传播在宏观大范围（千米量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。

路径损耗在固定的有线通信中也存在，不过它计算的是在导线媒介中传输的衰耗，一般比这里的空间传播衰耗值要小一些。

（2）慢衰落损耗：

它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生阴影效应而产生的损耗，反映了中等范围内（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。

这类损耗一般为无线传播所特有，且一般从统计规律上看遵从对数正态分布，其变化率比传送信息率慢，故又称为慢衰落。

（3）快衰落损耗：

它是反映微观小范围（数十波长以下量级）接收电平平均值的起伏变化趋势。

其电平幅度分布一般遵从瑞利分布、莱斯分布和纳卡伽米分布，其变化速率比慢衰落快，故又称为快衰落。

四种主要效应

（1）阴影效应：

由于大型建筑物和其他物体的遮挡，在电磁传播的接收区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。

光波的波长较短，阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端（如手机）与专用仪表可以测试出来。

（2）远近效应：

由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。

通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者即离基站较远的用户产生掉话（通信中断）现象，通常称这一现象为远近效应。

（3）多径效应：

由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。

所接收到的信号是上述各路信号的矢量和，也就是说，各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。

这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。

（4）多普勒效应：

它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散所引起的，其扩散程度与用户的移动速度呈正比。

这一现象只产生在高速（>70km/h）车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。

1.3单载波和多载波通信系统

单载波通信系统

目前世界范围内存在有多种数字无线通信系统，其中主要包括GSM系统、IS-136TDMA系统以及IS-95CDMA系统。

这些系统都是基于电路交换模式、以及支持话音业务为主的第二代移动通信系统，它们均采用单载波方案，如图1.1所示，其中g（t）是匹配滤波器。

单载波系统在数据传输速率不太高的情况下，多径效应对信号符号间造成的干扰不是特别严重，可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正常工作。

图1.1单载波系统的基本结构

但是对于高速数据而言，单载波的TDMA系统和窄带CDMA系统都存在很大的缺陷由于无线信道存在时延扩展，而且高速信息流的符号宽度又相对较短，所以符号之间会存在较严重的符号间干扰（ISI）。

对于单载波TDMA系统来说，这就对均衡器提出了非常高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号要足够多，训练时间要足够长，且需要引入复杂的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性和收敛速度。

而对于窄带CDMA系统而言，其主要问题在于扩频处理增益与高速数据流之间的矛盾。

即在相同信道带宽的情况下，对高速数据流所使用的扩频处理增益就不能太高，这样就大大限制了CDMA系统噪声平均的优点。

此外，从另一个角度来看，当信号的带宽超过和接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散将会造成频率选择性衰落，使得同一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性从而造成信号的严重失真。

在这样的背景下就提出了多载波传输系统。

多载波通信系统

e-jw0t

多载波系统中，首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数据流（每个数据流将具有低得多的比特速率），用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。

其基本结构如图1.2所示。

在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个传输链路失效；而在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道受到深衰落或干扰的影响。

因此，多载波系统具有较高的传输能力以及抗衰落和干扰的能力。

图1.2多载波系统的基本结构

在多载波传输技术中，对每一路载波频率（子载波）的选取有多种不同的方法，子载波的不同选取将最终决定已调信号的频谱宽度和形状。

目前，子载波的选取有以下三种设计方案。

第一种方案是传统的频分复用。

其是将整个频带划分为N个不重叠的子带，每个子带传输一路子载波信号；在接收端用滤波器组进行分离。

这种方案的优点是实现简单、直接；缺点是其频谱利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。

第二种方案是采用偏置QAM技术，使得已调信号的频谱部分重叠，其复合谱是平坦的。

载波频谱重叠的交点是在信号功率比峰值功率低3dB处；子载波之间的正交性通过交错同相和正交子带的数据得到（即将不同子载波数据流偏移半个码元）。

第三种方案即采用“正交频分复用（OFDM）”，各子载波的频谱有1/2的重叠，但子载波保持互相正交；在接收端通过相关解调技术可以实现各子路分离。

这种方案的优点是其可以避免使用滤波器组，同时可提高频谱效率近1倍。

1.4OFDM系统发展历史

正交频分复用（OFDM）技术并不是如今发展起来的新技术，它的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统中。

当时由于OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。

20世纪70年代，人们提出了采用离散傅里叶变换（DFT）来实现多载波调制，从而大大简化了其系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化；20世纪80年代，人们研究了如何将OFDM技术应用于高速MODEM；进入20世纪90年代以来，OFDM技术的研究已深入到无线宽带数据传输中，主要的应用包括：

非对称的数字用户环路（ADSL）、数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视（HDTV）、无线局域网（WLAN）等。

目前，由于OFDM系统具有许多优点，比如其可更好的对抗频率选择性衰落或窄带干扰等，受到越来越多的关注。

人们希望通过OFDM来解决高速信息流在无线信道中的传输问题，从而可以提供带宽要求更高的多媒体业务和更快的网络浏览速度等。

此外，OFDM还易于结合空时编码、分集、干扰（包括ISI和ICI）抑制以及智能天线等技术最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。

如果再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配、动态比特分配算法等技术，可以使其性能进一步得到优化。

1.5小节

本章为绪论部分，首先介绍了移动通信的发展历史，接下来介绍了无线信道的特点及其对通信系统的影响，然后开始由引入了多载波通信系统，介绍了其基本思想，并与单载波系统相区别，主要分析了多载波系统的优点。

最后引出了OFDM的概念，并简单介绍了OFDM的发展历史，为其他章节做出铺垫。

第二章正交频分复用系统的基本原理

正交频分复用的基本原理就是把高速的数据流经过串并转换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。

由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响。

并且还可以在OFDM符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰（ISI）。

而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰（ICI）。

2.1OFDM系统的调制与解调

OFDM是一种无线环境下的多载波传输技术。

其基本原理就是在频域内将给定的信道划分成许多正交子信道，将高速的数据流通过串并转换，分配到传输速率相对较低的各个子信道中，在每一个子信道上使用一个正交子载波分别进行调制，并且各子载波并行传输。

在接收端由于子载波的正交性，使用相关检测就可以实现各子信道的分离。

图2.1所示为OFDM系统的基本模型框图。

图2.1OFDM系统基本模型框图

由图2.1可见，一个OFDM符号实际上是N个经过调制的子载波信号之和，其中N表示子信道的个数。

若用T表示OFDM符号的宽度，di（i=0，1，…，N-1）表示分配给每个子信道的数据符号，fi（i=0，1，…，N-1）表示第i个子载波的载波频率，则采用复等效基带信号表示的OFDM输出信道为：

（2-1）

式中，rect（t）=1，|t|<=π/2。

式（2-1）中的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，实际中可分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，然后合成OFDM符号。

OFDM信号由N个子载波组成，子载波的间隔为Δf，且Δf=1/T，在t∈[0,T]内，第k（k=0,1,2,…，N-1）个子载波可以表示为：

（2-2）

所有的子载波在[0，T]内都是相互正交的，即它们满足下式：

（2-3）

由上述可见，子载波的载波频率可以表示为：

fi=i/T，（i=0，1，…，N-1）；式（2-1）可写为：

（2-4）

在接收端，如果希望对第k个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，即：

（2-5）

由式（2-5）可见，对第k个子载波进行解调可以恢复出期望的信号dk。

而对于其他载波来说，由于在积分间隔内，频率偏差（i-k）/T可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为0。

2-2OFDM系统的DFT实现

在实际应用中，OFDM信号的调制和解调都是采用数字信号处理的方法来实现，此时要对信号进行抽样，形成离散时间信号。

由于OFDM信号的带宽为B=N•Δf=N/T,信号必须以Δt=1/B=1/（N•Δf）=T/N的时间间隔进行采样。

为了叙述方便，可以忽略式（2-1）中的矩形函数，对信号s（t）以T/N的速率进行采样，即令t=k•T/N（k=0，1，…，N-1），可以得到：

（2-6）

从该式可以看出，OFDM信号的离散样值sk等效为对di进行IDFT运算。

同样在接收端，为了恢复出原始的数据信号di，可以对sk进行逆变换，即实施DFT运算得到：