OFDM技术及其在5G中的演进ppt课件

IntroductiontoOFDMTechniqueanditsEvolutionin5GCommunicationSystem,大连海事大学信息科学技术学院那振宇2015-12-22,漫谈OFDM技术及其在5G通信中的演进,1,内容,相关基础知识OFDM基本原理主要参数系统设计OFDM优缺点SC-FDMA5G中的OFDM及相关演进,2,基础知识时域和频域,的物理意义欧拉公式,旋转因子的时域角度,3,基础知识时域和频域,表示一个初始相位为o的单位旋转向量该向量的模为1，旋转角速度为、在实轴上的投影为cost，在虚轴上的投影为cost,4,基础知识时域和频域,x-y平面投影x-t平面投影y-t平面投影,5,基础知识时域和频域,的“幅度-频率”特性和“相位-频率”特性,旋转因子的频域角度,6,基础知识时域和频域,由欧拉公式可得到余弦函数的复指数形式时域图形：频域图形：,正弦函数时频域分析,7,基础知识时域和频域,幅度-频率特性相位-频率特性,正弦函数时频域分析,8,基础知识时域和频域,时域是真实世界，是惟一实际存在的域。因为我们的经历都是在时域中发展和验证的，已经习惯于事件按时间的先后顺序地发生。类似进程和音乐，是动态的。频域不是真实的，而是一个数学构造。时域是惟一客观存在的域，而频域是一个遵循特定规则的数学范畴。类似程序和乐谱，是静态的。时域和频域是信号的基本性质，这样可以用多种方式来分析信号，每种方式提供了不同的角度。,9,基础知识Fourier级数,10,基础知识Fourier级数,周期信号可以由一个直流分量和一系列交流分量合成周期函数的傅立叶三角级数展开。由欧拉公式推出周期函数的傅立叶复指数展开,11,基础知识Fourier级数,傅立叶级数展开就是将f(t)表示成一系列cn加权的单位旋转向量之和的形式，加权系数cn就是傅立叶系数。,12,基础知识Fourier变换,周期函数的时频特性：时域上是周期性的，频域上是离散谱。,13,基础知识Fourier变换,非周期函数的时频特性：时域上是非周期的，频域上是连续谱。这就是单载波调制符号的时域波形和对应的频谱图。,14,基础知识离散Fourier变换(DFT),离散傅立叶变换是为了方便在计算机及数字信号处理器中进行傅立叶分析引入的。由推导：,P30,15,基础知识离散Fourier变换(DFT),逆变换：离散傅立叶变换就是将信号x(t)的N个样点组成的序列x(n)表示成一系列加权的之和的形式，加权系数X(k)就是离散傅立叶变换。,16,基础知识离散傅立叶变换(DFT),100个采样点，k取0,1,2,3时，的情况,17,基础知识正交(Orthogonality),正交（Orthogonal）：线性代数的概念，是直观概念中垂直的推广。三角函数的正交性：在周期区间上是两两相互正交的，即,18,基础知识正交,以cos2t乘cos2t为例，相乘再在周期内积分，相当于求下图黄色部分的面积，面积大于0。,19,基础知识正交,以cos2t乘cos3t为例，相乘再在周期内积分，相当于求下图黄色部分的面积，面积为0。,20,基础知识正交,IQ调制与解调：解调时，I路乘上cos()再积分得到a。同理，Q路乘上-sin()再积分得到b。,21,基础知识正交,复数运算实现IQ调制解调解调,22,基础知识正交,在一个OFDM符号内包含多个子载波所有子载波都具有相同的幅值和相位从图中可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，且各个相邻的子载波之间相差1个周期。,23,基础知识频分复用,频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing)：将用于传输信道的总带宽划分成若干个子带，每个子带传输一路信号。,24,多径效应,基础知识多径效应与ISI,max,25,基础知识多径效应与ISI,Ifthepathlengthsofthelongestandshortestraysaredifferent,thensymbolstravellingonthosepathswillreachthereceiveratdifferenttimes.Inparticular,thereceivercanstarttoreceiveonesymbolonashortdirectpath,whileitisstillreceivingtheprevioussymbolonalongerreflectedpath.Thus,thetwosymbolsoverlapatthereceiver(SeeFigurebelow),causinginter-symbolinterference(ISI).Supposesymbolrateis400ksps,thenthesymbollengthis2.5s.Takingatypicalcaseofbasestationcoverage,atypicaldelayspreadbetweenthelongestandshortestpathsis1s.Asaresult,40%ofasymbolisoverlappedwithadjacentsymbols.,26,符号间串扰（ISI）,基础知识多径效应与ISI,27,基础知识单路变多路：减小ISI,Wehavedividedtheoriginaldatastreamintofoursub-carriers(i.e.SP)withfrequenciesf1tof4.Thedatarateoneachsub-carrierisnow100ksps,sothesymbollengthhasincreasedto10s.Ifthedelayspreadremainsat1s,thenthesymbolsonlyoverlapby10%.Thus,ISIisreducedtoofthevaluebefore.LTEcanuseaverylargenumberofsub-carriers,uptoamaximumof1200inRelease8.,28,OFDM基本原理OFDM发射机,简化的、但是能说明重要原理的OFDM发射机原理框图如下所示：,ProcessingstepsinasimplifiedanalogueOFDMtransmitter,QPSK、QAM,ParallelSerial,15kHzspacingusedinLTE,RFtransmission,符号周期：66.7s,29,OFDM基本原理OFDM发射机,FurtherimprovementofaboveOFDMtransmitter:(1)Digitization;(2)Moresub-carriers.Fourquestionstobeanswered(markasRED),ProcessingstepsofdigitalOFDMtransmitter,ParallelSerial,QPSK,Whynegativefrequency?,Digitization,RFtransmission,Whydeemasfrequencydomain?,Whydeemastimedomain?,P15,30,NegativefrequencyThedistinctionbetweennegativeandpositivefrequenciesisthattheformeriseventuallytransmittedbelowRFcarrierfrequency,whilethelatterisaboveit.Forexample,ataRFcarrierfrequencyof800MHz,60kHzsub-carrierendsupat799.940MHz,while15kHzsub-carrierendsupat800.015MHz.Reviewonin-phaseandquadraturecomponents:Todistinguishdifferentsub-carriers(butwiththesamemodule).DigitizationMoregenerally,theminimumnumberofsamplespersymbolisequaltothenumberofsub-carriers.每符号采样点数=子载波数目,OFDM基本原理OFDM发射机,P53,31,FrequencydomainAtthestageofSPconversion,thedatarepresenttheamplitudeandphaseofeachsub-carrier.Thus,itcanbedeemasafunctionoffrequency,i.e.frequencydomain.TimedomainAftertheadditionstage,thedatarepresentthein-phaseandquadraturecomponentsofthetransmittedsignal,asafunctionoftime.Additionoperation(PS)hassimplyconvertedthedatafromafunctionoffrequencytoafunctionoftime,i.e.timedomain.,OFDM基本原理OFDM发射机,32,OFDM基本原理OFDM发射机,IFFTsubstitutesNmultipliers.,33,OFDM基本原理OFDM发射机,34,单载波,OFDM：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交频分复用,frequency,OFDM基本原理OFDM发射机,35,OFDM基本原理OFDMA收发系统,趋于完善的、多用户的基本的OFDMA收发信通信原理框图如下所示：Threekeypointstobenoted(markasRED),InitialblockdiagramofanOFDMtransceiver,WhyindependentMO/DEM?,Howtomapsub-carriers?,Howmanyisnumberofsub-carriers?,36,IndependentMO/DEMItdependsonchannelquality(CQ)oftheselectedsub-carriers.IfCQisgood,high-ordermodulationisused.However,ifCQisbad,low-ordermodulationisadopted.Sub-carriermappingContinuous&DistributedmappingItdependsonbothCQandusersrequirements.Numberofsub-carrierItdependsonservicetypeofusers.Servicewithhighdataraterequiresmoresub-carriersandviceversa.Forexample,avoiceapplicationmightonlyuseafewsub-streams,whileahigh-definitionvideoapplicationmightusemanymore.,OFDM基本原理OFDM发射机,37,OFDM基本原理OFDM发射机,较为完善的OFDMA收发信通信原理框图如下所示：(DistinctionsmarkedasRED),ChannelestimationandequalizationCPinsertionandremoval,通过插入参考符号(10%),38,主要参数,子载波间隔采样周期FFT点数符号周期循环前缀,39,主要参数子载波间隔,多普勒效应,40,设手机发出信号频率为fT，基站收到的信号频率为fR，相对运动速度为V，C为电磁波在自由空间的传播速度（光速），fdoppler即为多普勒频移例：高铁速度：360km/h，在3GHz频率时，接收信号可能的最大最小频率,主要参数子载波间隔,41,考虑因素：频谱效率和抗频偏能力子载波间隔越小，系统频谱效率越高子载波间隔越小，对多普勒频移和相位噪声过于敏感当子载波间隔在10kHz以上，相位噪声的影响相对较低多普勒频移影响大于相位噪声,主要参数子载波间隔,42,低速场景：多普勒频移不显著，子载波间隔可以较小高速场景：多普勒频移是主要问题，子载波间隔要较大典型地，2GHz频段，350km/h带来648Hz的多普勒频移，对高阶调制（如64QAM）造成显著影响。中国移动（130MHz频谱）：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz。中国联通（40MHz频谱）：2300-2320MHz、2555-2575MHz。中国电信（40MHz频谱）：2370-2390MHz、2635-2655MHz仿真显示：子载波间隔大于11kHz，多普勒频移不会造成严重性能下降当15kHz时，E-UTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率，因此确定单播系统中采用15kHz的子载波间隔。而其他系统：独立载波MBMS（多媒体广播多播业务）应用场景为低速移动，应用更小的子载波间隔，提高频谱效率，采用7.5kHz子载波WiMax的子载波间隔为10.98kHzUMB（超移动宽带）系统的子载波间隔为9.6kHz,主要参数子载波间隔,43,主要参数循环前缀（CP）,ThebasicideaofgettingridofISIistoinsertguardinterval.Iftheguardintervalislongerthandelayspread,receiverisnotsubjecttoISI.InGI,nosignalistransmitted.Withsomeextraprocessingoverhead.ForLTE,slightlycomplextechniquenamedCyclicPrefix(CP)wasusedtocombatISI.CPisasortofGI,butCPcopiesthedatainthetailofthesymbolandfulfillsGI.(SeeFig.below),44,主要参数循环前缀（CP）,WhynotGIbutCP?,HowdoesCPwork?,第一个路径的信号,另一路径延迟信号,GI可抑制ISI，但是破坏了子载波间的正交性，带来子载波间干扰（ICI）。CP同时抑制ISI和ICI。,TCP,Tsym,T,45,HowdoesCPwork?(Contd)Eachsymbolcontainsanintegernumberofcyclesofthesinewave,sotheamplitudeandphaseatthestartofeachsymbolequaltheamplitudeandphaseattheend.Becauseofthis,thetransmittedsignalchangessmoothlyaswemovefromeachcyclicprefixtothesymbolfollowing.Inamultipathenvironment,multiplesignalsaddtogether,givingasinewavewiththesamefrequency.ThereceivedsignalstillbesmoothfromCPtothesymbolthatfollows.ThereareafewglitchesonlyatthestartofCPandtheendofthesymbol.Receiverprocessesthereceivedsignalwithinareceivewindowwhoselengthequalsthesymbolduration.Ifthewindowiscorrectlyplaced,thenthereceivedsignalisexactlyrecoveredandsubjectonlytoanamplitudechangeandaphaseshift.Butthereceivercancompensatethemusingchannelestimationandequalization.,主要参数循环前缀（CP）,46,主要参数OFDM信号时频图,47,主要参数循环前缀,CP长度的考虑因素：频谱效率/符号间干扰和子载波间干扰越短越好：越长，CP开销越大、系统频谱效率越低越长越好：可以避免符号间干扰和子载波间干扰一般，T5TCP。,主要参数循环前缀（CP）,48,主要参数循环前缀（CP）,典型地，LTE中：,1.4km时延扩展,5km时延扩展,10km时延扩展,49,分别用fs=40Hz和fs=20Hz的采样频率对f=5Hz的正弦波进行采样。根据采样点，都能无失真地恢复出原信号。,主要参数采样频率,50,用fs=10Hz的采样频率对f=5Hz的正弦波进行采样，刚好能恢复出原始信号。用fs=8Hz的采样频率对f=5Hz的正弦波进行采样，不能恢复出原始信号，信号发生失真。,主要参数采样频率,51,Nyquist采样定理：要从抽样信号中无失真的恢复出原始信号，采样频率应不小于2倍的信号最高频率。即：LTE最大带宽为20MHz（正负频率各占10MHz），其最高频率为10MHz。其采样频率要求：,主要参数采样频率,52,LTE中，20MHz带宽分为1200个间隔为15KHz的子载波。便于工程实现，DFT的点数必须为2的指数次幂。因此，20MHz带宽下，OFDM的FFT点数取2048(相当于子载波数扩展到2048个，只是多出的子载波不用而已)。得到每个OFDM符号有2048个样点，因此，20MHz带宽下的采样频率为：采样周期为,主要参数采样频率,P31,53,采样周期：FFT点数：子载波间隔：符号周期：循环前缀：，max为最大多径时延扩展,系统设计,目前，LTE参数为：,54,设计目标系统：可容忍的时延扩展为200ns，在小于18MHz带宽上传送25Mbps的比特流。根据无线信道的时延扩展确定CP长度：一般情况下，循环前缀的长度是无线信道时延扩展的24倍。即：TCP=2004=0.8s。根据保护间隔确定OFDM符号长度T：一般情况下，OFDM符号长度取TCP的58倍。即：T=0.86=4.8s。根据OFDM符号长度和保护间隔确定子载波间隔：f=1/Tsym=1/(4.8-0.8)10-6=250kHz。,系统设计,55,根据预期达到的比特速率和符号长度计算一个OFDM符号需传输的比特数：n=RbT=25Mbps4.8s=120bit。根据一个OFDM符号需要传输的比特数和给定带宽确定调制编码方式和子载波数：3/4码率、QPSK调制时，每个子载波能传输1.5个信息比特，传120个比特需80个子载波，占用带宽为80250=20MHz，超过了限定带宽18M。1/2码率、16QAM调制时，每个子载波能传输2个信息比特，传120个比特需60个子载波，占用带宽为60250=15MHz，满足限定带宽18M要求。,系统设计,56,优点,频谱效率高带宽扩展性强抗多径衰落频域调度和自适应实现MIMO技术较为简单,57,优点频谱利用率高,各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。实现小区内各用户之间的正交性，避免用户间干扰，取得很高的小区容量。,58,优点带宽扩展性好,OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，几百kHz几百MHz都较容易实现，FFT尺寸带来的系统复杂度增加相对并不明显。非常有利于实现未来宽带移动通信所需的更大带宽，也更便于使用2G系统退出市场后留下的小片频谱。OFDM系统对大带宽的有效支持成为其相对于传统单载波技术的决定性优势。,59,优点抗多径衰落,多径干扰在系统带宽增加到5MHz以上变得相当严重。OFDM将宽带转化为窄带传输，每个子载波上可看作平坦衰落信道。插入CP可以用单抽头（one-tap）频域均衡（FDE）纠正信道失真，大大降低了接收机均衡器的复杂度。单载波信号的多径均衡复杂度随着带宽的增大而急剧增加，很难支持较大的带宽。对于更大带宽20M以上，OFDM优势更加明显。,60,优点抗频率选择性衰落,MCS：modulationandcodingscheme,61,优点易于实现MIMO,MIMO技术关键是有效避免天线间的干扰（IAI），以区分多个并行数据流。在平坦衰落信道可以实现简单的MIMO接收。频率选择性衰落信道中，IAI和符号间干扰（ISI）混合在一起，很难将MIMO接收和信道均衡分开处理,DiagramofMIMO-OFDMcommunicationsystem,62,缺点,时间和频率同步小区间干扰高PAPR,63,缺点对频偏敏感,64,缺点小区间干扰,OFDM系统虽然保证了小区内用户的正交性，干扰可忽略，但是对小区之间的干扰进行充分设计。采用同频组网时，需要考虑小区间干扰，特别是处于小区交叠区域的边缘用户干扰严重。为了避免小区间干扰采用小区间干扰协调，基本原理就是小区中心用户可以使用全部频带资源，小区边缘用户使用部分频带资源，通过给不同的小区的边缘用户分配不同频带资源消除小区间干扰分数频率复用。,65,缺点峰均比高,(d),Psat,66,SC-FDMA,下行多址技术：OFDMA上行多址技术主要考虑因素：终端处理能力有限，尤其发射功率受限。OFDM技术由于高的PAPR问题不利于在上行实现。单载波（SC）传输技术PAPR较低很多通信系统（包括LTE）采用在频域实现的多址方式：单载波频分多址（SC-FDMA）,67,SC-FDMA,SC-FDMA,OFDMA,SC-FDMAvs.OFDMA(DistinctionsmarkedasRED),2048,precoding,68,HowdoesSC-FDMAwork?,SC-FDMA,desiredcentrefrequencyandIFFTconvertsthembacktothetimedomain.,WecanunderstandhowSC-FDMAworksbylookingatthreekeytransmissionsteps:TheforwardFFT,theresourceelementmapperandtheIFFT.TheinputtotheforwardFFTisasequenceofsymbolsinthetimedomain.TheforwardFFTconvertsthesesymbolstothefrequencydomain,theresourceelementmappershiftsthemtothe,Lookingatthesestepsasawhole,wecanseethatthetransmittedsignalshouldbemuchthesameastheoriginalmodulatedwaveform.,69,OFDMEvolutionin5GComm.System,Slowattenuat