桂林理工大学 OFDM设计论文.docx
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桂林理工大学OFDM设计论文
学号：
3080418905
题目类型：
设计
（设计、论文、报告）
桂林理工大学
GUILINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
本科毕业设计（论文）
题目：
OFDM正交频分复用技术及MATLAB仿真
学院：
信息科学与工程学院
专业（方向）：
电子信息工程
班级：
电信08-3班
学生：
陈明财
指导教师：
金红
2012年5月22日
桂林理工大学
毕业设计（论文）独创性声明
本人声明所呈交的设计（论文）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，设计（论文）中不包含其他人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得桂林理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对设计（论文）的研究成果做出贡献的个人和集体，均已作了明确的标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
设计（论文）作者签名：
日期：
年月日
桂林理工大学
设计（论文）使用授权声明
本设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅或借阅。
本人授权桂林理工大学可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计（论文）。
设计（论文）作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
摘要
在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个分离的子信道，也就是所谓的载波，为了避免信道之间的干扰，在信道间一般有一定宽度的保护间隔，接收端通过滤波器使各个子信道分离之后再接收所需要的信息。
这样就以牺牲频带利用率为代价，而且当子信道数量很多的时候，大量分离各个子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情，而OFDM的高频带利用率刚好可以解决上述困难。
本文以系统平均用户感受质量QoE（QualityofExperience）为目标，提出使用QoE效用函数的子载波分配算法。
该算法可根据用户需求与实际信道容量对子载波进行分配，在MATLAB中将QoE引入效用函数构建中，并以系统平均QoE最大化为目的对子载波进行功率分配，在功率分配过程中用傅里叶算法和导数迭代的方法逼近最优的功率分配结果。
仿真结果表明，使用该算法在获得较高质量的载波以及系统平均QoE的同时，根据系统功率资源供求情况，平衡考虑了系统、容量以及用户公平性。
关键词：
QoE;OFDM;MATLAB;子载波分配;效用函数
Orthogonalfrequencymultiplexingusingformatlab
Student:
CHENMing-caiTeacher:
JIN-hong
Abstract:
Intraditionalmulti-carriercommunicationsystem,theentiresystembandisdividedintoanumberofseparatesubchannels,thatis,theso-calledcarrier,generallyhaveacertainwidthoftheguardintervalinordertoavoidinterferencebetweenthechannelinthechannelbetweenthereceiverfiltersothateachsubchannelseparationandthenreceivetheinformationtheyneed.Sothattheexpenseofbandwidthefficiency,thecostofthetimewhenthesubchannelnumber,alotofseparationofeachsub-channelsignalfiltersettingshasbecomealmostimpossible,andhighbandwidthefficiencyofOFDM-justcansolvetheabovedifficult.AveragesystemuserqualityofexperienceQoE（QualityofExperience）asthegoal,theproposedsubcarrierallocationalgorithmtousetheQoEutilityfunction.Thealgorithmcanbebasedonuserneedsandtheactualchannelcapacitysubcarrierallocation,theintroductionofautilityfunctiontobuildinMATLABwillbeQoE,andforthepurposeofsubcarrierpowerallocationtomaximizethesystemaverageQoEintheprocessofpowerdistributionusingFuFourieralgorithmsandderivativeiterationmethodofapproachingtheoptimalpowerallocationresults.ThesimulationresultsshowthatuseofthealgorithmtoobtainahighqualitycarrierandaverageQoEwhile,accordingtosystempowerresourcessupplyanddemandsituation,thebalancedconsiderationofsystemcapacityanduserfairness.
Keywords:
QoE;OFDM;MATLAB;Subcarrierallocation;utilityfunction
目次
1引言
1.1移动通信的发展状况
第三代移动通信系统（ITU-R的正式名称为IMT-2000），其前身为FPLMTS（未来公共陆地移动通信系统）。
ITU-RTG8/1在FPLMTS领域经过多年的努力。
到1996年底确定了第三代移动通信系统的基本框架，包括业务需求、工作频带、网络过度要求、无线传输技术的评估方法等诸多方面。
1996年底FPLMTS更名为IMT-2000，其用意在于希望2000年左右最高传输速率可达2Mbit/s、工作于2GHz频段的第三代移动通信系统可以提供商用服务，并确定了无线传输技术（RTT）候选方案的最终提交时间—1998年6月30日。
截止到1998年6月30日，提交ITU的地面第三代移动通信系统无线传输技术（RTT）共有10种，见表1.1。
其中FDD方式8种，TDD方式5种。
表1-110种IMT-2000地面无线传输技术提案
序号
提交技术
双工方式
应用环境
提交者
1
W-CDMA
FDD、TDD
所有环境
日本：
ARIB
2
ETSI-UMTS-UTRA
FDD、TDD
所有环境
欧洲：
ETSI
3
WIMSW-CDMA
FDD
所有环境
美国：
TIA
4
W-CDMA/NA
FDD
所有环境
美国：
T1P1
5
GlobalCDMA
FDD
所有环境
韩国：
TTA
6
TD-SCDMA
TDD
所有环境
中国:
CATT
7
cdma2000
FDD、TDD
所有环境
美国：
TIA
8
GlobalCDMA
FDD
所有环境
韩国：
TTA
9
UWG-136
FDD
所有环境
美国：
TIA
10
日本：
ARIB
TDD
室内、室外到室内
欧洲：
ETSIDECT
从参考文献[2]知道：
10种提案按其技术特征可以分为以下几类：
1）W-CDMA（1-5）
欧洲：
ETSIUTRAFDD、日本：
ARIBWCDMA、韩国TTACDMA、美国T1WCDMA/和TIATR46的WIMSW-CDMA这5种提案可以归为一类。
这类提案的多址方式均采用W-CDMA，同步方式、码片速率、帧结构等方面也基本一致。
其中美国T1提交的W-CDMA/NA和美国TIATR46提交的WIMSW-CDMA后来以融合为一个标准，称为WP-CDMA宽带分组码分多址技术[1]。
2）cdma2000（7-8）
美国TIA的cdma2000和韩国TIA的CDMA1可以归为一类，均是基于IS-95技术发展来的。
3）UWG-136（9）
UWC-136是在北美IS-136TDMA是北美第二代系统的主要技术之一，其用户规模与IS-95相当IS-136的运营者继续采用UWG-136也在情理之中[2]。
4）我国的TD-SCDMA（6）与欧洲URTATDD
（2）（即TD-SCDMA）
二者技术比较相似，相互间融合的可能性最大。
但在帧结构、码片速率差别很大，技术融合也不是一件很简单的事情。
5）EPT-DECT（10）即欧洲数字无绳系统DECT。
从候选提案的技术特点来看，CDMA技术占据了绝大多数，宽带CDMA技术无疑是第三代移动通信系统标准，RTT提案完成以后，不同候选技术尤其是CDMA中的直扩方式间的融合成了一个最大的难题。
以全球移动通信运营者为主形成的运营者融合组织（OHG）通过多次国际会议和技术讨论，对采用CDMA技术的RTT提出了的方向：
在技术规范的标准化方面，为了加快第三代移动通信系统的标准化进程，推动第三代移动通信系统及早投入商用，原本由ITU完成的标准化工作也由地区性的标准化组织——第三代移动通信伙伴计划3GPP及3GPP2取而代之，ITU-R建议的绝大部分将直接引用这两大标准化组织的规范。
谈到WCDMA和EV-DO同时，TD-SCDMA作为一个重要的3G技术在今年内取得巨大的进展，回顾一下TD-SCDMA产品产业化和研究开发的过程，它从2002年到2004年，我国信息产业部组织的3G实验，当时TD-SCDMA实现设备从无到有，在后来三部委支持的研究开发和产业化中，建立了产业链，从只有单一的厂家变成一个真正由多厂家构成较为完整的产业链，在后续的应用技术实验中，又在芯片和终端的薄弱环节加强，进入今年国内网络应用实验，这次实验对TD-SCDMA全面的验证和全面完善。
在这次规模网络应用技术试验中，采用2+3的方式，北京和上海两个实验网在原有基础上适当扩容，主要目的是为了对TD-SCDMA设备和基本性能、功能进行验证。
只有在这个网上得到验证之后，再进入大规模的规模网实验中。
TD-SCDMA的产品下一步演进和长期的发展也是大家非常关注的内容，TD-SCDMA在现在的基础上会进一步从产品技术层面进一步发展，包括支持HSDPA，HSUPA等数据能力更强的技术，同时未来也会向长期的演进方向发展，TD-SCDMA还要支持双模多模终端，以及多频点等等。
TD-SCDMA所有的产品路线和技术路线是非常清晰的，而且所有的工作都在稳步的推进。
1.2OFDM技术的现状及发展趋势
OFDM技术实际上是多载波调制的一种。
主要思想是：
把信道分成若干正交子信道，把高速数据信号转换成并行的低速子数据流，将其调制在每个子信道上进行传输。
正交信号可通过接收端采用稳定的相关技术来分开，这样可以减少每个子信道间的相互干扰ICI[1]。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。
而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
从参考文献[15]得知：
OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，中文译为正交频分复用技术。
这种技术是HPA联盟（HomeplugPowerlineAlliance）工业规范的基础，它将载波的不同频率中的大量信号合并成单一信号，从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
传统的多载波通信系统中，整个系统频带会被划分为若干个互相分离的子信道，也就是所谓的载波。
为避免信道之间的干扰，在信道之间通常有一定宽度的保护间隔，接收端通过滤波器把各个子信道分离之后接收所需信息。
这样虽然可以避免不同信道的互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。
而且当子信道数量很大的时候，大量分离各子信道信号的滤波器的设置就成了几乎不可能的事情。
OFDM已经广泛应用于数字移动通信的各个领域，技术正在逐步迈向成熟。
随着其在单频网、与其他技术结合等方面的新问题的提出，关于OFDM的理论研究也正进入一个崭新的阶段。
未来的研究方向：
1）OFDM用于数字单频网：
现代通信使得频率资源越来越珍贵，利用OFDM的优点，在移动广播领域，所有发射台采用同一个频率在同一时间、同一国家（区域）发送同一个节目，就可以大大节约频率资源。
2）OFDM用于蜂窝网：
OFDM技术用于第四代移动通信，关于蜂窝网络的问题还待解决。
例如，蜂窝小区间的干扰、子载波分配、多用户接入、Doppler频偏等问题。
3）峰值功率和均值功率的比值控制问题：
如果峰均比过高，对功放非线性提出更高的要求，这就增加了系统成本和实现难度。
若超过了功放的线性放大范围，就引起非线性失真，最后将导致OFDM整体性能下降，同时带外能量泄漏对其他无线通信系统造成干扰，此点从参考文献[4]可知。
OFDM是一种多载波传输技术，N个子载波把整个信道分割成N个子信道，N个子信道并行传输信息。
现代社会对通信的依赖和要求越来越高，设计和开发效率更高的通信系统就成了通信工程界不断追求的目标。
通信系统的效率，说到底就是频谱利用率和功率利用率。
特别是在无线通信的情况下，对这两个指标的要求往往更高，尤其是频谱利用率。
由于空间可用频谱资源是有限的，而无线应用却越来越多，使得无线频谱的使用受到各国政府的严格管理并统一规划[3]。
于是，各种各样的具有较高频谱效率的电子信息工程不断被开发出来，OFDM是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。
从参考文献[6]得知：
LTE（LongTermEvolution,长期演进）项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。
LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。
在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。
改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。
1.3OFDM技术的优缺点
OFDM系统有许多非常引人注目的优点。
第一，OFDM具有非常高的频谱利用率。
普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔，以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。
OFDM系统各子信道间不但没有保护间隔，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠，各子载波在时域上是正交的，OFDM系统的各个子信道信号的分离（解调）是靠这种正交性来完成的。
当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时，调制过程可以用IFFT完成，解调过程可以用FFT完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。
第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强[7]。
OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单，往往只需一个抽头的均衡器即可。
从参考文献[8]可知：
与单载波系统比，OFDM也有一些困难问题需要解决。
这些问题主要是：
第一，同步问题。
理论分析和实践都表明，OFDM系统对同步系统的精度要求更高，大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统法正常工作。
第二，OFDM信号的峰值平均功率比往往很大，使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大器的效率。
OFDM在未来通信系统中的应用，特别是在未来移动多媒体通信中的应用，将取决于上述问题的解决程度。
OFDM存在很多技术优点见如下，在3G、4G中被运用，作为通信方面其有很多优势：
1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。
OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术[5]。
2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；
3）该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信；
4）OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。
高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响，此点从参考文献[9]中得知。
5）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。
在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。
对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错[11]。
6）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。
当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。
7）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力[13]。
OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。
通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。
8）OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。
虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些缺陷：
1）对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个非常致命的缺点，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[12]。
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技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。
频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。
因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。
2）峰均比过大
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。
与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的功率峰值与均值比，简称峰均值比。
对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。
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。
而峰均比过大，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就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。
3）所需线性范围宽
从参考文献[14]得知：
由于OFDM系统峰值平均功率比（PAPR）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。
负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。
负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度高于30km每小时时，自适应调制技术就不是很适合了。
2OFDM技术基础
2.1OFDM技术的基本原理
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。
无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。
这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。
由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
OFDM技术属于多载波调制（Multi－CarrierModulation，MCM）技术。
有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。
MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：
OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。
从参考文献[10]得知：
OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。
在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。
另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。
OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。
在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的OFDM系统中，只会有一小部分载波受影响。
此外，纠错码的使用还可以帮助其恢复一些载波上的信息。
通过合理地挑选子载波位置，可以使OFDM的频谱波形保持平坦，同时保证了各载波之间的正交。
OFDM尽管还是一种频分复用（FDM），但已完全不同于过去的FDM。
OFDM的接收机实际上是通过FFT实现的一组解调器。
它将不同载波搬移至零频，然后在一个码元周期内积分，其他载波信号由于与所积分的信号正交，因此不会对信息的提取产生影响。
OFDM的数据传输速率也与子载波的数量有关。
从参考文献[16]得知：
OFDM每个载波所使用
升级会员 