基于对移动通信系统中3g wimax 系统的ofdm技术 论文 (移动通信课程设计).doc

摘 要 WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX的另一个名字是802.16。WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。WiMAX还具有QoS保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。WiMAX的技术起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OFDMA、AAS、MIMO等先进技术，随着技术标准的发展，WiMAX逐步实现宽带业务的移动化，而3G则实现移动业务的宽带化，两种网络的融合程度会越来越高。基于802.16e 的全线WiMAX 产品都已推出，包括射频、基站、室内接入设备等，WiMAX 的商业模式也在逐步成熟中。但是，截至目前，还没有运营商部署移动WiMAX 系统。而IEEE 今年启动对802.16m 标准的研制，不仅可在“漫游”模式或高效率/强信号模式下，将设备的下行传输速度提高到1Gb/s，在“高移动”模式下传输速度达到100Mb/s，而且与WiMAX 兼容，还将与基于OFDM/OFDMA 的4G 标准网络兼容。关键字：WiMax; OFDM/OFDMA;4G；两网融合；Abstract WiMax (Interoperability of Microwave for Access), namely global Microwave Internet Access. WiMAX is another name for 802.16. WiMAX is an emerging broadband wireless access technology, can provide the high speed connection for the Internet, data transmission farthest distance can be up to 50 km. WiMAX has also authored QoS guarantee, the transmission rate is high, the business rich variety, etc. WiMAX technology high starting point, used to represent the future communication technology development direction of OFDM/OFDMA, AAS, and advanced technology, with the multiple-input multiple-output (MIMO) technical standards development, WiMAX gradually realize the mobile broadband business, and the 3 G mobile business is to the broadband network, two kinds of the fusion degree will be more and more high. Based on the 802.16 e WiMAX all lanes of products has launched, including radio frequency and base station, indoor access equipment, WiMAX business model also gradually to mature. But, so far, has not deploy mobile WiMAX system operators. And this year to 802.16 m start IEEE standard research, not only can be in "roaming" mode or high efficiency/strong signal mode, will the downlink transmission equipment speed up to 1 Gb/s, in "high mobile" mode transmission speed to 100 Mb/s, and with WiMAX compatible, and based on the OFDM/OFDMA 4 G network compatibility of the standard.Key word: WiMax; OFDM/OFDMA; "4 G" Two nets fusion. 目 录 1 引言 4 1 .1 WiMAX协议参考模型4 1.2 物理层的分类 4 1.3 物理层的关键技术 4 1.4 OFDM的应用前景 5 2 OFMA的基本原理 5 2.1 多载波调制和FFT 5 2.2 OFDM系统的组成 8 2.3 OFDM时间连续系统模型 9 2.4 OFDM的时间离散系统模型 12 2.5 OFDM信号的频谱特性 13 2.6 OFDM的子载调制 15 3 结 论 16 3.1 OFDM技术的优势 16 3.2 OFDM技术的不足 17 致 谢 18 参 考 文 献 181 引言1 .1 WiMAX协议参考模型IEEE 80216标准定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和对应的多种物理层 。它是按照两层结构体系组织的，定义了一个物理层和一个MAC层，其协议结构如图1所示。MAC层独立于物理层，能支持多种不同的物理层规范，以适应各种应用环境。媒体接入控J(MAC)层位于物理层之上，主要负责控制用户接入到共享的无线媒质以及将数据组成帧格式来传输。MAC层又分成了三个子层：特定服务汇聚子层(cs)、公共部分子层(CPS)和安全子层(Ss)。最底层是物理层，该层的协议主要是用于规范频率带宽、调制模式、纠错技术以及发射机同接收机之间的同步、数据传输速率和时分复用结构等参数的。物理层由传输汇聚子层(TCS)和物理媒质依赖子层(PMD)组成，通常说的物理层主要是指PMD子层。TCS将收到的MAC层数据分段，封装成TCS协议数据单元(PDU)。PMD则具体执行信道编码、调制解调等一系列处理过程。WiMAX(WorldwideInteroperability for MicrowavAccess)物理层的特点可概括为：WiMAX物理层采用正交频分复用技术，频谱利用率较高；支持时分双工(TDD)、频分双工(FDD)，同时也支持半双工频分双工(HFDD)：可支持移动和固定的情况，移动速度最高可达120 kmh；带宽划分灵活，系统的带宽范围为125 20 MHz；使用先进的多天线技术提高系统容量和覆盖范围；采用了混合自动重传(HARQ)、自适应调制编解码(AMC)和功率控制技术；采用了先进的信道编码技术增加通信质量，扩大覆盖范围。1.2 物理层的分类 在IEEE 80216标准中，定义了物理层实现的5种方式，即WMANSC、WMANSCa、WMANOFDM、WMANOFDMA和WirelessHUMAN。1.3 物理层的关键技术为了提高系统性能，支持更高的传输速率，WiMAX采用了许多关键技术，包括正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、混合自动请求重传(HARQ)、自适应调制编码(AMC)、自适应天线系统(AAS)和多输人多输出(MIMO)。在此，我们详细讨论介绍和讨论OFDM。1.4 OFDM的应用前景由于OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成符号干扰(ISI)，OFDM技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。随着因特网的发展，人们对数据业务的需求也不断增大，人们希望移动通信系统能提供更广泛的业务种类，包括话音、视频、多媒体和宽带数据业务等。为了实现真正意义上的宽带无线系统，国际电信联盟已开始着手制定下一代移动通信系统，即4G。随着4G标准的制定，OFDM将作为主流技术写入4G标准中。而OFDM已存在的许多不兼容的标准，会影响其广泛的使用。正如任何新技术一样，OFDM技术的标准化还有漫长的道路要走，但是一旦其相关的技术标准出台并得到广大工业界的支持，其威力不可忽视。2 OFMA的基本原理2.1 多载波调制和FFTOFDM是一种多载波传输技术。设为N个子载波频率，则一般的多载波已调信号在第i个码元间隔内可以表示成: (1)其中，是信号在第个码元间隔内所携带的信息，它决定了的幅度和相位，一般情况下它们是只与码元标号有关的复常数，它们携带了要传输的信息；例如，若第k个子载波采用QPSK调制时，设采用方式的星座，当第i个码元为“00”时，根据码元和星座的映射关系可以知道，。为叙述方便，在只需研究一个多载波信号码元的时候，常常省略码元标号；而当子载波采用普通（没有采用波形形成）的QAM或MPSK调制时，与无关，从而将简写成，根据上下文这样不会产生歧义。按上述约定，（1）式可以写成 （2）我们希望这种多载波传输方式的频谱利用率要高，即子载波间隔要尽可能小；还希望系统实现简单。 要实现上述多载波传输系统，一般需要N个振荡源和相应的带通滤波器组，系统结构复杂，体现不出多载波传输的优势。但是，经过细致的分析可以发现，上述多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform, DFT）实现，由于DFT有著名的快速算法FFT（Fast Fourier Transform），使得多载波传输系统实现起来大为简化，特别是利用FFT实现的OFDM系统，以其结构简单、频谱利用率高而受到广泛重视。 下面分析多载波传输系统可以用DFT实现的条件。为确定子载波间的频率间隔，我们考虑接收端如何对信号解调。我们对接收信号（暂不考虑噪声和失真的影响）以抽样率fs抽样，利用DFT对抽样信号进行解调。利用N点的DFT可以计算出信号的第个频谱分量为 ( 3 )这里，S是第个频谱分量；是抽样信号；是DFT的分辨率。为使DFT正确计算出频谱，信号必须在N点抽样以外周期性重复，当信号只含有该DFT的谐波成份时，条件就能满足。将代入式(2)得 (4 ) （4）,将式（4）代入式（3）得 （5）其中观察上式可以发现，当多载波已调信号的频率时，就有其中C为常数，就是说当各子载波的频率为解调用的DFT分辨率整数倍时，可以用DFT对信号完成解调。从以上分析可知，为保证正确解调，在一个码元间隔内保持为常数是必要的，如果子载波的QAM或MPSK调制采用了波形形成技术，如采用余弦滚降波形，采用DFT解调时还要作专门的处理。 由以上分析，当各子载波的频率为解调用的DFT分辨率整数倍时，可以用DFT对多载波已调抽样信号完成解调。特别地，当子载波的频率间隔为，由式（4）有 ( 6 )上式恰为序列（以后我们将该序列简记为）的IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform），即当子载波频率间隔为时，多载波已调信号的时域抽样序列可以由IDFT计算出来。 由于携带信息的序列恰为多载波已调信号抽样序列的DFT，所以我们说，采用FFT实现的多载波调制系统的调制是在频域上进行的。 由以上分析可知，多载波调制系统的调制可以由IDFT完成，解调可以由DFT完成，由数字信号处理的知识可以知道，IDFT和DFT都可以采用高效的FFT实现。2.2 OFDM系统的组成OFDM系统的组成框图如下图1所示。输入比特序列完成串并变换后，根据采用的调制方式，完成相应的调制映射，形成调制信息序列，对进行IDFT，计算出OFDM已调信号的时域抽样序列，加上循环前缀CP，再作D/A变换，得到OFDM已调信号的时域波形。接收端先对接收信号进行A/D变换，去掉循环前缀CP，得到OFDM已调信号的抽样序列，对该抽样序列作DFT即得到原调制信息序列。 ( 图1 OFDM系统的结构 )循环前缀CP的引入PR 1，使得OFDM传输在一定条件下可以完全消除由于多径传播造成的符号间干扰（ISI）和子信道间干扰（ICI）的影响，大大推进了OFDM技术实用化的进程。图2是循环前缀示意图 ( 图2 CP示意图 )OFDM“符号”（symbol）是一个容易产生歧义的概念。在多数OFDM文献中，OFDM“符号”指的是调制信息序列，而的各分量（即各子载波上的调制信息）也用“符号”（symbol）表示。为避免这种混乱，我们将连同循环前缀称为OFDM“帧符号”，简称“符号”，称的分量为“帧内符号”。OFDM文献中的符号间干扰（ISI）指的是帧符号间的干扰，具体是指除去循环前缀后的帧符号间的干扰，同样符号同步也是指帧符号同步。这样与OFDM文献中的名称基本一致，而又不会引起误解。2.3 OFDM时间连续系统模型 OFDM系统有一些不同的形式，我们先就最流行的采用循环前缀形式的OFDM系统建立相应的数学模型ESBL 1。 最初的OFDM系统不采用数字调制解调技术，因此下面的OFDM模型可以看成是理想的OFDM系统模型，当然，目前一般是采用数字合成技术来实现它。图3是OFDM系统的连续时间基带模型。 ( 图3 OFDM连续系统基带模型 ) 发射机:设OFDM系统共有N个子载波，系统带宽为W Hz，符号长度为，循环前缀CP的长度为 ，即一个OFDM帧符号的传输时间是，考虑到循环前缀的影响，发射机发射的第k个载波波形为 （7） 注意，当 时，有，这就是循环前缀的作用，它使得信号在一定的时间内看上去具有周期性。这样第i个OFDM帧符号的已调波形为 （8） 当传输的是一个无限的OFDM符号序列时，OFDM已调信号波形可以表示为 （9） 信道:我们假设信道冲击响应的支撑小于循环前缀CP，即，则接收机收到的信号为 （10） 这里，是信道的加性Gauss白噪声（复形式）。接收机:OFDM接收机由一个滤波器组构成，其中第k个滤波器与传输载波波形的后面部分相匹配，即 （11） 就是说，循环前缀CP以被删除。由于CP包含了所有前面符号的符号间干扰（ISI），所以接收机滤波器组的抽样输出将不含有ISI。因此，我们在计算第k个匹配滤波器的抽样输出时可以忽略时间标号i，利用式(9),(10),(11)，我们得到设信道的冲击响应在一个OFDM符号间隔内不变，记之为，这样就得到积分区间以及蕴含着。上式的内积分可以写成上式的后面的积分部分是信道冲击响应在频域的抽样，抽样频率为，即在第k个载波频率处为这里是的Fourier变换。采用这些记号，接收机滤波器组的输出可以简化为 （12） 这里。根据滤波器组的正交这里是Kronecker函数。这样式（12）可以简化为 （13） 其中是加性高斯白噪声（AWGN）2.4 OFDM的时间离散系统模型 OFDM时间离散系统模型与时间连续系统模型相似，如图4所示。 ( 图4 OFDM系统的离散时间模型 )OFDM信号通过时变多径信道，设信道衰落比较缓慢，在一个OFDM符号间隔内信道的冲击响应不变，记为，则OFDM接收机收到的信号为其中，“*”表示离散序列的（线性）卷积运算。循环前缀CP使得成为的循环扩展，根据数字信号处理的知识当CP的长度（的支撑即最大非零定义域）长度时，去掉循环前缀后所得为其中，“”表示循环卷积运算。根据DFT的时域卷积定理，经过FFT后的输出为其中是信道的频域响应，通过简单的均衡就可用消除其影响，提取出所传输的数据。应该指出，虽然CP在一定条件下可以完全消除ISI和ICI，但接收信号去掉CP后在作DFT前，仍然存在帧内符号间干扰，即OFDM帧符号与信道作了（循环）卷积，经DFT解卷积后，通过均衡消除了帧内符号间干扰并得到信息序列。我们知道，两个N长序列的时域循环卷积是N长序列，经DFT变换到频域后，对应的是两个N长序列DFT的乘积，这就是著名的DFT的卷积定理。即DFT解卷积解的是循环卷积，由于离散序列经过线性系统后的输出是序列与线性系统的冲击响应的线性卷积，因此不可以直接用DFT解卷积。循环前缀CP的作用就是将线性系统对离散序列的卷积作用变成循环卷积（根据数字信号处理的理论可以知道，只有CP的长度信道冲击响应的长度时才是如此），从而可以利用DFT解卷积。当CP的长度大于信道的最大时延时，一方面CP起到了保护间隔的作用，所以可以完全消除由于信道的多径传播造成的OFDM的符号间干扰；另一方面，从以上分析可以知道，DFT的输出的信号项仅受到（子）信道的固定的衰减，而不存在子信道间的干扰，即CP还起到了保持子载波间的正交性的作用，从而消除了载波间干扰（Intercarrier Interference，ICI）。2.5 OFDM信号的频谱特性 当各子载波用QAM或MPSK进行调制时，如果基带信号采用矩形波，则每个子信道上已调信号的频谱为形状，其主瓣宽度为Hz，其中为OFDM符号长度（不包括CP）。由于在时间内共有OFDM信号的N个抽样，所以OFDM信号的时域抽样周期为。由于相邻子载波之间的频率间隔为，其中为OFDM信号的抽样频率，即，所以， （14） 即这些已调子载波信号频谱函数的主瓣宽度为，间隔为。根据函数的性质，知道它们在频域上正交，这就是正交频分复用（OFDM）名称的由来。我们知道，一般的频分复用传输系统的各子信道之间要有一定的保护频带，以便在接收端可以用带通滤波器分离出各子信道的信号。保护频带降低了整个系统的频谱利用率。OFDM系统的子信道间不但没有保护频带，而且各子信道的信号频谱还相互重叠，如图5所示，这使得OFDM系统的频谱利用率相比普通频分复用系统有很大提高，而各子载波可以采用频谱效率高的QAM和MPSK调制方式，进一步提高了OFDM系统的频谱效率。应该指出，由于循环前缀的影响，OFDM信号的频谱结构将发生一定的变化，但这仅仅使信号的某些频谱成份得到增强，而不会使OFDM信号增加新的频率成份。我们知道，移动信道一般存在多径传播问题，使信道表现出明显的衰落特性。信道的多径衰落在单载波传输系统中往往会产生严重的码间干扰，使得接收机往往需要比较复杂的均衡滤波器，所以设计单载波高速移动通信系统的均衡器是一项富有挑战性的工作。OFDM ( 图5 OFDM信号的频谱 ) ( 图6 OFDM的各子信道近似是平坦衰落 )系统利用N个子载波，将整个信道划分成N个窄子信道，在每个子信道上信道的衰落近似平坦衰落，如图6所示，而且每个子信道上的码速率也比较低，这使得OFDM系统的均衡滤波器的设计比较容易，一般每个子信道只需要一个单抽头的（自适应）均衡器即可，这也是OFDM吸引人的特点之一。OFDM子信道间的间隔对系统的性能有很大影响。子信道间隔越大，由于各种因素造成的子信道间的干扰越小，但同时系统的频谱效率也越低，由于子信道带宽的加大，系统抗击频率选择性衰落的能力也下降；反之，为提高系统的频谱效率而缩小子信道间的间隔，必然使系统的子载波间的干扰加大；系统设计人员需要在它们之间折衷。信道带宽和FFT的点数决定了OFDM子信道间的间隔，确定子信道间隔的一般原则是，满足系统频谱利用率和保证OFDM系统的良好的抗击频率选择性衰落的前提下，尽可能加大子载波间的间隔。2.6 OFDM的子载调制OFDM的子载波调制一般采用QAM或MPSK方式。各子载波不必要采用相同的状态数（进制数），甚至不必要采用相同的调制方式。这使得OFDM支持的传输速率可以在一个较大的范围内变化，并可以根据子信道的干扰情况，在不同的子信道上采用不同状态数的调制，甚至采用不同的调制方式。调制信号星座的形成在IDFT前由相应的调制映射完成。具体地说，就是根据串并变换后的比特序列以及QAM（或MPSK）的星座映射关系，计算出相应的同相分量和正交分量，得到，这就是第i个载波被调制后在一个OFDM符号周期内的频谱（所以我们说OFDM的子载波调制是在频域上进行的），然后将该符号周期内的频域信号变成时域信号，这个过程由IDFT完成。IDFT的输出加上循环前缀后，分实部虚部分别作D/A变换后串行传输实部和虚部的波形。或者计算出信息序列后,将信息序列延长成长度为2N+2，变成共轭对称的形式，如图7所示，根据数字信号处理的理论，这样的序列作IDFT后为实信号，可以直接传输。下面以子载波采用16QAM调制为例，说明16QAM调制映射的实现。一种最简单的16QAM信号星座图如下面图8所示，这种星座图不是最佳的，即这种星座图形式的16QAM对信号功率的利用没有达到最佳，但是这种星座图实现最容易。 ( 图7 将信息序列扩展成共轭对称形式的方法 ) ( 图8 16QAM星座图 )图中的横轴表示同相分量的信息比特，纵轴表示正交分量的信息比特，当然也可以作另外的假设。设第k个子信道上要传输的信息比特为“1101”，从图8可知，；同样若信息比特为“1010”，则，等等。由于OFDM的子载波调制是在频域上根据信号星座图计算出来的，而且完成调制的IDFT也需要大量的运算，因此OFDM系统的发射机必须有强大的计算能力（其实接收机也是如此），这可以由专门的DSP芯片或FPGA芯片完成，随着计算机技术的进步，未来也有可能由通用计算机完成。从这种意义上说，OFDM是通信和计算技术的融合。由于OFDM的发射机和接收机有强大的一般计算能力，所以在OFDM子载波调制中，不必考虑复杂的星座图信号在实现上的复杂性，这样OFDM的子载波调制中可以采用任何先进的信号星座图优化技术，以提高信号的功率利用率。3 结 论3.1 OFDM技术的优势 (1)OFDM在对抗干扰及衰落的优势：把高速数据流通过串并变换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，可有效对抗信号波形间的干扰ISI，适用于多径环道存在频率选择性，而所有子载波都处于深衰落的概率极小，OFDM系统可通过动态比特分配和动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，提高系统性能。因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。 OFDM的以上优势减小了接收机的复杂度，甚至可以不用均衡器，仅采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响，大大节省了系统花费、减小了系统复杂度和功率消耗。 (2)OFDM系统由于子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用相比，OFDM可以最大限度地利用频谱资源。这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要，当子载波数目很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。 (3)各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换(IDFT)和离散傅利叶变换(DFT)实现。对N很大(N>32)的系统，可以通过快速傅立叶变换(FFT)来实现。基于FFT的系统在计算方面更有效，并且随着大规模集成电路技术和DSP的发展，IFFT和EFT都非常容易实现。 (4)OFDM的开放灵活性：无论从无线数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身要求，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM系统可以很容易使用不同数量的子载波来实现上下链路中不同的传输速率。 OFDM较易与其它多种接入方式结合，构成MC-CDMA、跳频OFDM及OFDM-TDMA等。 3.2 OFDM技术的不足 由于OFDM系统内存在多个正交子载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加，因此对子信道的正交性有严格要求。而由于无线信道的时变性，还有发射机载波和本地振荡器的频率偏差，所以OFDM易受频率偏差的影响。 如果多个子信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率会远大于信号的功率，出现较大的峰值与均值功率比(PAR)，这个比值的增大会降低射频放大器的功率效率，使系统性能恶化。 为克服这些缺陷所要解决OFDM系统的同步问题和减“PAR值问题是研究热点。致 谢 通过本次设计，在单片机系统设计方面，充分认识到在实际工程中，除了书本知识的运用，更多的是通过实验得出经验值，想出更多解决实际问题的办法与渠道。对于一个人而言，需要根据实际情况抓住某一方面的重点，有目标性的突破，但又不能急于求成，需要踏踏实实做好一些准备工作。在此，十分感谢谢铁强老师的认真指导，为我提供了强大的理论知识后盾，使我在学习上勇于开拓进取，才能很好的完成此次设计，实在受益匪浅，再表感谢之情！ 参 考 文 献1 李引凡.OFDM技术原理及应用.网络通信.2004（5） 2 基于小波变换/小波包变换的多载波调制技术.郝久玉等.信号处理 2003（2） 3 汪晓岩等.OFDM技术及其在电力线通信的应用.电力系统通信 2001（2） 4 姚成凤，葛万成.OFDM原理及其在现代高速无线数据传输中的新应用.现代电 视技术，2005（1） 5 期俊玲.OFDM技术标准化展望.电信工程技术与标准化，2004.10 6 佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理.人民邮电出版社，2003.6