正交頻分復用技術技術在LongTermEvolution系統中的應用修改初副本

1、本科畢業(yè)論文(2016屆 ) 題 目： 正交頻分復用技術在Long Term Evolution 系統中的應用 學 院： 信息工程學院 專 業(yè)： 光信息科與技術 學生姓名： 李鑫 學號： 21206081022 指導教師： 龐宛文 職稱（學位）： 合作導師： 職稱（學位）： 完成時間： 201 年 月 日 成 績： 黃山學院教務處制學位論文原創(chuàng)性聲明茲呈交的學位論文，是本人在指導老師指導下獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果，均在文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文而產生的權利和責任。聲明人（簽名）：年 月 日16黃山學院本科畢業(yè)論文正文目 錄目錄摘要4

2、Abstract:51 引言62 LTE系統簡介63 OFDM的特性83.1 OFDM技術83.2 OFDM與以往多址技術的區(qū)別83.3 OFDM的基本原理及應用104 OFDM技術的優(yōu)缺點及發(fā)展124.1 無線信道衰落特征124.2 OFDM技術的優(yōu)點124.3 OFDM技術存在的問題134.4 OFDM技術的發(fā)展13參考文獻15致 謝16正交頻分復用技術在Long Term Evolution系統中的應用信息工程學院 12光信息專業(yè) 李鑫（21206081022）指導老師：龐宛文摘要：長期演進(Long Term Evolution , LTE)系統是1第三代合作伙伴計劃(the 3rd

3、Generation Partnership Project, 3GPP) 商討出的3G向4G過渡的演進技術。目前，LTE信號已經覆蓋全國大部分城市地區(qū)。LTE系統具有很多的優(yōu)點，如安全可靠性、高速的傳輸速率等使其成為新一代的通信系統。由于無線信道具有復雜多變的特點，這就不可避免地會使得信號在傳播的過程中降低信號質量。在LTE這個新一代的通信系統中引進的正交頻分復用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術具有頻譜利用率高、抗多路徑干擾與頻率選擇性衰落能力強等優(yōu)點，使其能夠成為的核心技術并應用到LTE系統。本文大致介紹了LTE系統

4、的構成部分，然后主要闡述和分析了OFDM系統的基本原理、優(yōu)缺點及其發(fā)展等。關鍵詞：LTE； OFDM；通信系統 Application of Orthogonal Frequency Division Multiplexing technology in Long Term Evolution systemAbstract: The 3rd Generation Partnership Project mention Long Term Evolution system is the evolution of 3G technology, to 4G transition at present

5、, advantages of the LTE signal has covered most of the city area of the.LTE system, such as safety and reliability, high transmission rate and make it become the communication system a new generation of the wireless channel. With complex features, making the signal in the dissemination process, will

6、 inevitably reduce the signal quality. Orthogonal frequency division multiplexing technology in LTE (Orthogonal Frequency Division Multiplexing introduction, OFDM) technology has the advantages of high spectrum efficiency, anti multipath interference and frequency selective fading ability so, make i

7、t become the core technology of the LTE system. This paper introduces the structure of LTE system, mainly elaborates and analyzes the basic principle of OFDM system and its advantages and disadvantages. Development and so on.Key words: LTE; OFDM; communication system1 引言隨著移動互聯網和物聯網的的快速發(fā)展，傳統無線通信技術提供的

8、業(yè)務帶寬、傳輸速率顯然不能滿足人們對于提高上傳下載速率的需求。另外，傳統通信技術也不能保障用戶信息的安全性，而LTE系統能夠很好地彌補傳統通信技術的不足。LTE系統是3G向4G一個過渡的階段，不過因為現實的組網和用戶終端能力等條件的限制，在大多數測試的過程中下載速率最大可達到100Mbps，上傳速率最大能夠達到50Mbps。與傳統的無線通信技術在數據傳輸方面比起來，能夠較好地滿足用戶對于速率高、延遲短的需求。而且，LTE系統還能夠支持靈活的頻譜分配來滿足各種復雜頻譜情況的需求以及使手機終端的耗電控制在合理的范圍內。在目前所有的通信系統中頻譜利用效率最高就是在新一代LTE通信系統中引入的OFDM

9、技術。它能夠將數字調制、多載波傳輸等一些技術有機的融合在一起。這就使得OFDM技術在長期演進通信系統中不單單有很高頻譜利用率，還在功率利用率等方面綜合起來與傳統的多址技術相比較有了很大的改善，并能夠很好地為用戶提供良好的服務。OFDM技術是可以支持未來移動通信特別是移動多媒體通信的主要技術之一。2 LTE系統簡介 LTE是由第三代合作伙伴計劃 (The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)組織并統一制定的通用移動通信系統（Universal Mobile Telecommunications System, UMTS）技術標準的長期演進，也就是我們

10、俗稱的“4G”。LTE作為新一代的通信系統，極大地改善了許多用戶的手機上網環(huán)境。不僅如此，LTE還將成為普及大眾的通信系統。為了滿足更多用戶的上網需求，LTE引入了OFDM技術、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術、高階調制、混合自動重傳（HARQ）等較為先進的技術，顯著的提高了用戶信息的安全性、頻譜利用率、數據傳輸速率以及極大的減少了控制面連接建立時間和用戶面數據傳輸的時間。 LTE系統中使用的雙工技術既能夠支持以時間分開的時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）技術又能夠支持以頻率分開的頻分雙工（Frequency Divi

11、sion Duplexing，FDD）技術。這里面所提到的雙工技術，就是指兩臺通訊設備之間，允許有雙向的資料傳輸。另一方面，LTE系統也能夠支持不同頻譜帶寬的分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，因而頻譜分配更加靈活，使得小區(qū)用戶容量和信號的覆蓋范圍也得到了大幅度的增長。為了縮短系統的時間延遲，降低系統維護的成本和網絡結構的布置，LTE系統的網絡結構設計比起傳統的網絡結構管理起來更加省時，更加方便，網絡的節(jié)點和系統的復雜度也被大大的縮減了，一個LTE系統只有三個組成部分。如圖1-1所示，UE（User Equipment）表示用戶；eNB指的是小區(qū)基站；

12、MME是指移動設備管理，主要負責信令處理部分；uu是負責UE與eNB之間的連接；X2是利用光纖連接兩個基站的，相當于兩個基站的橋梁；S1是連接eNB和MME的接口。E-UTRAN主要由eNB構成，是LTE架構中的核心部分，負責無線資源管理、UE連接期間選擇MME、尋呼消息和廣播消息的調度和傳輸、IP數據包壓縮和用戶數據加密等。圖2-1 LTE系統架構3 OFDM的特性3.1 OFDM技術 OFDM（正交頻分復用）技術就是把一個信道分成多個不存在干擾的子信道，調制到每個子信道上的低速子數據流是通過快速的數據流變換而來的。并且在接收端通過相關技術將正交的信號分離開來，從而能夠減少子信道與子信道之間

13、的相互干擾。由于每一個子信道的頻率帶寬都很窄，那么就會使信號的每一次衰落變得非常緩慢，這樣的結果就會使信道均衡就會變得相對容易。3.2 OFDM與以往多址技術的區(qū)別頻分多址的定義是把頻率分成若干個大小不同的頻段，每個用戶通過使用不同的頻率來實現用戶與用戶之間不存在干擾，在接收端利用帶通濾波器提取出不同用戶的用戶的信號信息，用戶與用戶所使用的頻率之間存在有一小段的頻帶用來保護不同頻率信道得到重疊。圖3-1 頻分多址技術原理圖TDMA是GSM系統的典型特性，對時分多址的定義基本上就是：把時間軸分成若干大小不一的幀，然后再把每個幀分成若干個時隙，這樣可以實現時隙或子幀在時間域上的正交，并為每個用戶分

14、配不同的時隙或子幀，最后利用時隙開關，在接受端接受各自的信號。圖3-2 時分多址技術原理圖碼分多址技術是原先在擴頻技術基礎上發(fā)展而來，碼分多址應用到通信系統中就是我們平時用到“3G”網絡，簡單來說就是需要傳送一定帶寬的數據信息，然后再用一個大于信號帶寬的數據流進行調制。這樣的話，原來帶有數據的帶寬就會增大，然后通過進一步的調制發(fā)出。在接收的一端使用和上面所說的大的信號帶寬完全相同的數據流，與接收的帶寬信號一起處理，這樣就能夠把寬帶數據換成原信息數據的窄帶數據，以完成信息通信的要求。圖3-3 碼分多址技術原理圖OFDM就是在FDM的基礎上發(fā)展的一個頻分復用的系統。傳統的頻分多址技術是將寬度較大的

15、頻帶劃分成若干個頻帶較窄的子載波，為了各個子載波之間不存在干擾就在相鄰的子載波之間選擇留取一定的間隔，從而使每個用戶得頻率帶寬都具有正交性。正交頻分復用技術為了保持各個子載波的正交性使子載波重疊排列，這樣就會避免子載波與子載波間的相互干擾。另一方面重疊排列的子載波可以進一步提高頻譜的利用效率。圖3-4 正交頻分復用技術原理圖總體來說，FDMA頻譜利用率低，信令干擾語音業(yè)務；TDMA系統容量有限，切換性能不完善；3.3 OFDM的基本原理及應用OFDM是基于FDM發(fā)展而來，就是將大的頻譜分為若干個小的子載波，采用多載波（稱為子載波）來傳送信息流。因為各個相鄰的子載波可以允許相互重疊，而且利用傅里

16、葉變換又實現了相鄰子載波間的互相正交，從而使子載波能夠重疊又能夠保證子載波之間不存在干擾抑制。所以若干路信號可以在相同的無線鏈路中一起傳送并且不會產生互相干擾，總體的數據傳輸速率就可以有很大幅度的提高。如圖2-1所示表示的是正交頻分復用的頻譜圖。圖3-5 OFDM頻譜示意圖傳統頻分多址的多載波調制和OFDM的調制是存在一定區(qū)別的，傳統頻分多址的多載波與多載波之間是存在一定的間隙，這是就可以避免相鄰多載波之間發(fā)生相互干擾，而OFDM的子載波則是可以重疊在一起的；顯而易見，最大的一個好處就是節(jié)省了帶寬。如下圖是表示傳統FDM的頻譜圖。圖3-6 FDM頻譜示意圖由以上可知，OFDM的頻譜利用效率更高

17、。此外OFDM的子載波也不同于傳統的子載波，OFDM的子載波非常小，這樣是為了頻率不會快速衰落。下圖是二者頻譜圖的比較。圖3-6 FDM和OFDM頻譜圖的比較對于OFDM來說，如何保證各個子載波之間不會出現干擾是最不容易解決的問題，目前利用快速傅里葉變換 (Inverse Fast Fourier Transform，FFT/IFFT) 就是最簡單有效的方法。這樣就可以使OFDM正交的子載波實現調制和解調。下圖表示的是OFDM基帶傳輸系統。圖3-7 OFDM基帶傳輸系統OFDM的每個載波可以根據自身情況能夠選擇合適的調制方法。各個載波選擇不同的調制方式是根據信道狀況的不同，比如BPSK、QPS

18、K等低階調制以及16QAM、64QAM等高階調制方法。頻譜效率和后面的6QAM、64QAM這兩兩種相比前兩個的調制方式是很低的。OFDM技術能夠根據信道條件的好壞來自適應選擇不同的調制方式。比方說當用戶距離小區(qū)基站很近的時候就會比距離小區(qū)基站稍遠距離的信號強，可以選擇調制的方式就由BPSK轉化成16QAM或64QAM，頻譜在整個系統中就會得到很大程度的利用。4 OFDM技術的優(yōu)缺點及發(fā)展4.1 無線信道衰落特征無線信號在傳播的過程中可能會受到各種因素的制約使信號的質量減弱或降低。這些存在發(fā)射機和接收機之間的任何介質包括傳播路徑、阻擋物等自然因素都會影響信號的強度、功率等參數。當接收機在基站覆蓋

19、范圍內的某一位置時，它在該位置附近接收到的信號功率將受到以下幾種效應的影響：（1）陰影效應：由于受到建筑物、樹木及山地等自然條件的阻擋，所以在無線電波傳播的過程中，不可避免的會降低無線信號的質量。（2）遠近效應：在離基站不同距離的設備當以相同的功率發(fā)射信號時，距離基站近的設備接收到的信號就會比而距離基站遠的信號強，弱的話信號就會容易中斷，導致數據傳輸或語音通話失敗。（3）多徑效應：接收機接收到的信號可能來自于無線信號在傳播的的環(huán)境中傳播而來的直射波、反射波、繞射波等多種路徑。這幾種信號到達接收機的時間、相位可能有所不同，當接收端接收了多個分量，信號的幅度在很短時間內會快速發(fā)生變化，產生衰落，稱

20、為多徑衰落。（4）多普勒頻移：移動臺處于高速移動時，會使接收到的信號的頻率發(fā)生偏移。4.2 OFDM技術的優(yōu)點 OFDM技術之所以能夠在新一代的通信系統中受到很大的關注，是因為其本身就具有很多優(yōu)點：（1）頻譜利用率高，各個子載波可以允許部分重疊。這樣就能夠可以避免用戶間的干擾，增加小區(qū)的用戶量。（2）抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強，實驗表明多徑干擾在帶寬增加到5MHz以上變得相當嚴重，OFDM技術將大的帶寬分解成若干個窄帶進行傳輸，每個子載波上可以看做成一個平坦型的衰落信道。（3）頻域調度和自適應：單載波系統，只能根據平均信噪比來選擇相應的調制編碼方式，而多載波系統可以將一整個頻帶分成很多個

21、帶寬很小頻帶然后根據每個子頻帶的條件選擇合適的調制和編碼方式，這樣就能夠更好地適應頻率選擇行衰落，獲得更佳的性能。（4）實現MIMO技術較為簡單，頻率衰落的信道中初始化地址消息和符號間干擾是摻雜在一起不容易分不開的，這就給MIMO接收和信道均衡分開處理無形中增添了難度，然而采用混合處理的接收機復雜度又比較高，很難分開這兩種數據。OFDM使得信道衰落是平坦的，極大地降低了接收機實現的難題使MIMO技術進一步的升級。4.3 OFDM技術存在的問題雖然OFDM技術在LTE系統中有著不可替代的作用，但是依然存在著諸多的技術難題需要克服和解決。（1）峰均比（PAPR）問題，峰均比是一種對波形的測量參數,

22、等于波形的振幅除以均方根所得到的一個比值。降低PAPR的有效方法：下行技術使用性能比較高的功率放大器，上行技術采用單載波頻分多址（SC-FDMA）技術來降低峰均比。(2) OFDM同步問題：同步技術在OFDM技術中是需要能夠保證用戶與用戶、用戶與控制面間正常業(yè)務往來的必要條件；時間、頻率、相位都會影響OFDM的同步，其中對系統影響最大的是頻率同步。為了讓頻率的偏差達到最小化，我們可以采用循環(huán)前綴的方法去實現。首先我們在時間域內剪切掉OFDM符號的后面部分，接著我們把剪切掉的部分放到該符號的前面，這樣就可以達到一個循環(huán)前綴的目的了。4.4 OFDM技術的發(fā)展OFDM并不是新興技術。其實早在40年

23、前OFDM技術就開始發(fā)展并應用于軍用的通信系統里面。早期OFDM系統沒有迅速發(fā)展起來是由于結構復雜，使它在各領域的前期投資成本較大，是它的推廣受到了限制。80年代前后，由于人們利用了離散傅里葉變換使OFDM技術開始走向實用化的階段；同時對多載波調制在高速調制解調器、數字移動通信等領域中的應用研究的較為深入。自從90年代以來，隨著OFDM技術的研究和發(fā)展其應用到多個領域包括通信、航空航天、智能天線、廣播電視等。參考文獻1 馮建和.OFDM技術簡介J.科技信息，2012.2 孫媛.4G通信系統關鍵技術初探J.電信工程技術與標準化，2004.3 陳玲玲.LTE關鍵技術原理及實際應用分析J.企業(yè)技術開發(fā)，2013.4 陳莉.移動通信改革的探討J.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2011.5 李從兵.正交頻分復用系統的同步技術研究C.碩博學位論文，2006.6 王焉.基于信道探索的對流層單載波傳輸技術研究