任務(wù)驅(qū)動教學(xué)設(shè)計方案

模塊五：第四代移動通信系統(tǒng)單元3第四代移動通信關(guān)鍵技術(shù)(OFDM)制定人員： 制定時間：2014年8月授課教師： 所需學(xué)時：2嗜教學(xué)條件’要求配置有投影儀、教師演示終端、黑板等。，學(xué)習(xí)目標(biāo)了解OFDM的基本概念理解OFDM的基本原理了解OFDM的優(yōu)缺點理解OFDM的關(guān)鍵技術(shù)了解OFDM在上下行鏈路中的應(yīng)用重點與難點+重點：OFDM的基本原理；OFDM的優(yōu)缺點;+難點：OFDM的關(guān)鍵技術(shù)々金主要授課內(nèi)容一、無線信道的傳播特性?多徑效應(yīng)會引起頻率選擇性衰落“當(dāng)多路信號的相對時延與一個符號的時間相比不可忽略，那么當(dāng)多路信號迭加時，不同時間的符號就會重迭在一起，造成符號間干擾(InterSymbolInterference，ISI)，此時就認(rèn)為發(fā)生了頻率選擇性衰落。

?除上面講到的幾種衰落之外，由于移動臺的運動，還會使無線信道呈現(xiàn)出時變性，即時間選擇性衰落。?時間選擇性衰落的一種具體表現(xiàn)就是多普勒頻移(Dopplershift)，即單一頻率信號經(jīng)過時變衰落信道之后會呈現(xiàn)為具有一定帶寬和頻率包絡(luò)的信號，稱為信道的頻率彌散性。頻率彌散性會造成信道間干擾(InterChannelInterference，ICI)。?自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區(qū)域的覆蓋，通過合理的設(shè)計就可以消除這種不利影響。?在無線通信系統(tǒng)中，重點要解決時間選擇性衰落和頻率選擇性衰落。采用OFDM技術(shù)可以很好的解決這兩種衰落對無線信道傳輸造成的不利影響。二、OFDM的概述傳統(tǒng)頻分復(fù)用(FDM)多載波調(diào)制技術(shù)正交頻分復(fù)用(OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)傳統(tǒng)頻分復(fù)用(FDM)多載波調(diào)制技術(shù)正交頻分復(fù)用(OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)圖FDM和OFDM帶寬利用率的比較多載波傳輸是相對于單載波傳輸而來的：使用多個載波并行傳輸數(shù)據(jù)?！?.把一串高速數(shù)據(jù)流分解為若干個低速的子數(shù)據(jù)流一一每個子數(shù)據(jù)流將具有低得多的速率；“2.將子數(shù)據(jù)流放置在對應(yīng)的子載波上；”3.將多個子載波合成，一起進行傳輸。三、OFDM的關(guān)鍵技術(shù)1、CP保護間隔保護間隔加入保護間隔避免符號間干擾當(dāng)保護間隔的長度超過信道最大延遲，一個符號的多徑分量不會干擾下一個符號

引入保護間隔后，積分區(qū)間內(nèi)不再具有整數(shù)個子載波，子載波間的正交性被破壞，兩個子載波之間會產(chǎn)生載波間的干擾循環(huán)前綴是此符號后一段樣點值的重復(fù)，加入循環(huán)前綴的目的是不破壞子載波間的正交性;只要每個路徑的時延小于保護間隔，F(xiàn)FT的積分時間長度就可以包含整數(shù)個多徑子載波波形。加入循環(huán)前綴，要犧牲一部分時間資源，降低了各個子載波的符號速率和信道容量，優(yōu)點就是可以有效的抗擊多徑效應(yīng)。下圖為采用IFFT實現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前:■■Transmitter過程：輸入串行數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過串/? I并轉(zhuǎn)換，輸出的并行數(shù)據(jù)就是要調(diào)制到相應(yīng)子載波上的數(shù)據(jù)符號，「可以彈是一組位下圖為采用IFFT實現(xiàn)OFDM調(diào)制并加入循環(huán)前:■■Transmitter過程：輸入串行數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過串/? I并轉(zhuǎn)換，輸出的并行數(shù)據(jù)就是要調(diào)制到相應(yīng)子載波上的數(shù)據(jù)符號，「可以彈是一組位^數(shù)據(jù)^過jFfT就實現(xiàn)(附)insertionh(t)removalOFDM

demod.

(FFT)l_2、OFDM系統(tǒng)的同步要求?載波同步：實現(xiàn)接收信號的相干解調(diào)；“樣值同步：使接收端的取樣時刻與發(fā)送端完全一致；“符號同步：區(qū)分每個OFDM符號塊的邊界，因為每個OFDM符號塊包含N個樣值。?與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對同步精度的要求更高，同步偏差會在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI。3、信道估計?加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個獨立的并行子信道。如果不考慮信道噪聲，N個子信道上的接收信號等于各自子信道上的發(fā)送信號與信道的頻譜特性的乘積。如果通過估計方法預(yù)先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，即可實現(xiàn)接收信號的正確解調(diào)。?常見的信道估計方法有基于導(dǎo)頻信道和基于導(dǎo)頻符號（參考信號）兩種，多載波系統(tǒng)具有時頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)頻符號的輔助信道估計更靈活。

4、降峰均比?在時域上，OFDM信號是N路正交子載波信號的疊加，當(dāng)這N路信號按相同極性同時取最大值時，OFDM信號將產(chǎn)生最大的峰值。該峰值信號的功率與信號的平均功率之比，稱為峰值平均功率比，簡稱峰均比(PAPR)。在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與N有關(guān)，N越大，PAPR的值越大，N=1024時，PAPR可達30dB。大的PAPR值，對發(fā)送端的功率放大器的線性度要求很高,并降低功放效率。如何降低OFDM信號的PAPR值對OFDM系統(tǒng)的性能和成本都有很大影響。限幅作用：信號經(jīng)過非線性部件之前進行限幅，可以使得峰值信號低于所期望的最大電平值。限幅導(dǎo)致的問題：會對系統(tǒng)造成自身干擾；會導(dǎo)致帶外輻射功率值的增加。解決方法：利用其他非矩形窗函數(shù)對OFDM符號進行時域加窗。時間采樣信號四、OFDM時間采樣信號四、OFDM應(yīng)用對OFDM符號進行時域1、OFDMA(正交頻分多址接入)：是傳統(tǒng)的基于CP的OFDM技術(shù)。OFDMA多址接入方式：將傳輸帶寬劃分成相互正交的子載波集，通過將不同的子載波集分配給不同的用戶，可用資源被靈活的在不同移動終端之間共享。這可以看成是一種OFDM+FDMA+TDMA技術(shù)相結(jié)合的多址接入方式。

用戶3的時頻資源頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。用戶3的時頻資源頻譜效率高：子載波重疊、正交、支持非對稱。帶寬擴展性強：帶寬取決于子載波的數(shù)量?？苟鄰剿ヂ洌鹤有诺揽梢钥醋鏊剿ヂ湫诺?、CP的引入。頻域調(diào)度和自適應(yīng)：“集中式/分布式子載波分配：子載波連續(xù)分配給一個用戶，頻域調(diào)度選擇較優(yōu)子信道，獲得多用戶分集增益；（高速移動或SINR較低時）將分配給子信道的子載波分散到整個帶寬，交替排列，獲得頻率分集增益。“頻率選擇性：SINR、調(diào)制編碼方式MSC。實現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡單：水平衰落信道，避免天線間干擾。2、OFDMA和SC-FDMA的比較：SequenceofQP$KdatasymbolstobetransmittedSC-FDMADatasymbolsoccupyNx15kHzfor1/NSC-FDMAsymbolperiodsQPSKmodulatingdatasymbols15kHzFrequencyOFDMADatasymbolsoccupy15kHzforoneOFDMAsymbolperiod-SequenceofQP$KdatasymbolstobetransmittedSC-FDMADatasymbolsoccupyNx15kHzfor1/NSC-FDMAsymbolperiodsQPSKmodulatingdatasymbols15kHzFrequencyOFDMADatasymbolsoccupy15kHzforoneOFDMAsymbolperiod-60kHz-Al Frequency《修勁超后芟主》《修勁超后芟主》教學(xué)組織過程第一部分：課程引入第四代移動通信系統(tǒng)技術(shù)則以O(shè)FDM最受矚目，OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，被看作是第四代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，也是我們今天這次課學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。明確學(xué)習(xí)對第四代移動通信系統(tǒng)模塊的目的和重要性，進而明確本次子任務(wù)的重點難點。第二部分：新課講解由于學(xué)生在前面已經(jīng)學(xué)習(xí)過電磁波的傳播特性，進行課前復(fù)習(xí)與檢測：簡要說明電磁波在自由空間中的傳播損耗的計算公式。什么是陰影衰落？服從什么分布？什么是多徑衰落？服從什么分布？請同學(xué)們隨意的談?wù)劅o線信道要解決哪些傳輸問題？采用什么技術(shù)可以有效的解決兩種衰落造成的影響？內(nèi)容1：什么是OFDM，為什么要采用OFDM？由老師講解OFDM的原理和時頻結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生小組總結(jié)OFDM的優(yōu)點與不足，小組討論后回答。老師對學(xué)生的回答進行點評。內(nèi)容2：OFDM采用了哪些關(guān)鍵技術(shù)？簡要說明這些技術(shù)各自的特點？由于這部分比較難理解，所以直接由老師講解循環(huán)前綴、信道估計、降峰均比、同步技術(shù)。講完之后讓學(xué)生自行總結(jié)各自的特點并隨機提問考察學(xué)生對這部分知識的理解情況。內(nèi)容3：為什么OFDMA不能用于下行鏈路?而下行鏈路選擇SC-FDMA?教師先講解OFDMA,優(yōu)點和需求，提出上述問題讓學(xué)生思考并回答，最后補充講解OFDMA和SC-FDMA的比較分析.三、小結(jié).簡單介紹無線信道的傳播的特