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OFDM传输
正交频分复用(OFDM)是一种多载波传输技术,已被采纳为3gpplong长期演化(LTE)的下行链路传输方案,也可用于其他几个无线技术,例如:
wimax和DVB广播技术。
它的特点是在一个频域内分布着许多带有间隔的子载波△f=1/Tu其中,Tu是每个子载波的调制符号时间。
如图2-1所示,“OFDM子载波间隔”。
OFDM的传输是基于块的。
每个OFDM符号间隔之间,调制符号是并行发送的。
调制符号可以通过调制字母表得到,如QPSK,16QAM或64QAM,对于3GPP组织LTE,子载波间隔是相等的为15kHz。
另一方面,子载波的数目取决于传输带宽,在一个10MHZ的频谱分配下,600个子载波可以有序传输。
当然,带宽减小了,子载波数目也相应减少,带宽增加了,子载波数目也相应增加。
图2-1OFDM子载波间隔
在OFDM传输时,物理资源经常被描述成一个时域—频域的网格坐标图。
在这个坐标图里一列对应一个OFDM子载波,一行对应一个OFDM子载波。
如图2-2所示,“OFDM时频网格”。
尽管子载波的频谱有重叠,但在理想情况下,是对OFDM子载波解调后不引起任何干扰的,这是因为对每一个子载波间隔的特殊选择,让它等于相应的解调符号率。
图2-2
OFDM时频网格
以一定的频率fs=N×
△f进行采样的OFDM信号,是该size-N的逆离散傅立叶变换(IDFT)的调制符号块a0,a1,...aN-1。
因此,OFDM调制可以通过IDFT处理再到数字-模拟的转换来实现。
(见图2-3,“OFDM调制”)。
在实际中,OFDM调制是以快速傅立叶反变换(IFFT)方式实现简单和快速的处理,通过选择IDFTsizeN等于2m(m为整数)。
在接收端,对接收信号以fs=N×
△f的频率采样,高效的FFT处理是用来实现OFDM的解调和检索调制符号块a0,a1,...aN-1。
(参见图2-4,“OFDM解调”)。
图2-3
OFDM调制
图2-4
OFDM解调
正如上面提到的,一个无干扰的OFDM信号可以解调出无任何子载波间干扰的信号。
然而,在一个时间色散信道的情况下(如多径无线信道),子载波之间的正交性丢失,造成符号间干扰(ISI)。
这是因为,解调器相关区间的一条路径将与不同路径的符号边界有重叠。
(见图2-5,“时间的分散性和相应的接收信号”)。
图2-5次分散和相应的接收信号
要解决这个问题,使OFDM信号在无线信道传播时对时间色散完全不敏感,所谓的插入循环前缀通常被使用。
如图2-6所示,“插入循环前缀”。
循环前缀
插入就意味着OFDM符号的最后部分(第N个cp)被复制并且被插入到OFDM块的开始部分。
因此,OFDM符号的长度从TU到TU+TCP,其中TCP=NCPTU是循环前缀的长度。
作为一个结果,OFDM符号率是减少的。
因此,在时间色散信道里,只要时间色散的跨度小于循环前缀的长度,子载波的正交性就能被保持。
图2-6插入循环前缀
循环前缀插入的缺点是,在整个信号带宽没有减少,OFDM符号率减少的情况下,就意味着在吞吐量方面有相应的损失。
OFDM调制组合(IFFT处理),一个(分散的)无线信道,以及解调(FFT处理)可以被看作是一个频域信道。
如图2-7,“频域模型的OFDM传输接收”,其中每个OFDM符号的时间期间,N个不同的调制码元被发送,每一个在相应的子载波上,在对比单一宽带载波系统时,如WCDMAwhere,每个调制符号被传输在整个带宽上。
图2-7频率的OFDM传输接收域模型
在频道k上,调制符号ak被缩放和相位转移,通过复杂的信道系数Hk(频域)。
在接收端,解调后允许发送的信息准确解码。
在接收端需要一个频域的信道抽头估计H0,H1,...,HN-1。
这可以通过在OFDM时频网格内以一定规律的间隔插入已知参考符号来实现,有时也称作导频符号或导频器。
运用参考符号的相关知识,接收机可以估计信道抽头(频域)用于解码的必要。
OFDM信号带宽
一个OFDM信号的带宽等于N×
△f,这就是说:
子载波数乘以子载波间隔数。
另一方面,通过设置这个传输符号从一侧组相邻子载波到零,这个基带被减少到NC×
△f,其中NC是非空子载波数目。
然而,OFDM信号的频谱脱落到基本带宽以外的速度是很慢的,尤其比一个WCDMA信号慢的多。
因此,在实际中,一个OFDM需要10%的保护间隔。
这也就是说,举个例子,在一个5MHZ的频谱分配中,OFDM基本带宽NC×
f大约是4.5MHZ。
做一个假设,例如,为LTE选择一个15KHZ的子载波间隔,那么,在5MHZ内应对应于300个子载波。
DFTOFDM传输
离散的傅里叶变换扩展的正交频分复用(DFTS-OFDM)已被用作LTE上行链路的传输方案。
DFTS-OFDM传输的基本原理在图2-8,“DFT的OFDM信号生成”中说明。
类似于OFDM调制,DFTS-OFDM依赖于基于块的信号生成。
在DFTS-OFDM中,一个M调制符号块来自于一些调制字母表,比如,QPSK或者16QAM,第一次被应用到size-mDTF。
这个DFT输出被应用到一个size-N的逆DFT的连续输入当中。
其中,N>
M且未使用的输入(N-M)设置为零。
和OFDM一样,每个传输块插入一个循环前缀。
图2-8
DFT的OFDM信号的产生
与图2-8,“DFT的OFDM信号生成”相比,基于IFFTOFDM调制的实现,很显然,DFTS-OFDM可以看作是OFDM调制之前的DFT运算。
如果DFT的M的大小等于IDFT的N的大小,那么级联DFT和IDFT的块图2-8“DFT的OFDM信号生成”将完全抵消。
如果M小于N且IDFT的剩余输入被设置为零,则IDFT的输出将是一个低功率变化的信号,类似于一个单载波信号。
此外,不同块大小为m的瞬时带宽发送的信号可以是多种多样的,允许灵活的带宽分配。
与DFTS-OFDM的主要好处想比,多载波传输方案,如OFDM,减少变化的瞬时发射功率,对提高功率放大器效率是可能的。
功率的变化一般根据测得的峰值平均功率比(PRPA)来判断。
定义为在峰值功率一个OFDM符号的平均信号功率的归一化。
对于DFTS-OFDM,PRPA明显降低,相比OFDM,再考虑到移动终端的电源能力,这种传输技术在上行链路的传输中是非常有用的。
DFTS-OFDM信号解调的基本原理如图2-9所示,“DFT的OFDM解调”。
这些操作和图2-9“DFT的OFDM解调”基本上是相反的。
即size-n离散傅里叶变换处理中,和接受信号不对应的频率采样会被移除。
图2-9DFTSOFDM调制
LTEmultipleaccesstechniques
LTEmultipleaccess
OFDMtransmission
OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)isamulticarriertransmission
techniquethathasbeenadoptedasthedownlinktransmissionschemeforthe3GPP
Long-TermEvolution(LTE)andisalsousedforseveralotherradiotechnologies,e.g.
WiMAXandtheDVBbroadcasttechnologies.
Itischaracterizedbyatightfrequency-domainpackingofthesubcarrierswithasubcarrierspacingf=1/Tu,whereTuistheper-subcarriermodulation-symboltime.(SeeFigure2-1,“OFDMsubcarrierspacing”).
OFDMtransmissionisblock-based.DuringeachOFDMsymbolinterval,modulation
symbolsaretransmittedinparallel.Themodulationsymbolscanbefromanymodulationalphabet,suchasQPSK,16QAM,or64QAM.
For3GPPLTE,thebasicsubcarrierspacingequals15kHz.Ontheotherhand,the
numberofsubcarriersdependsonthetransmissionbandwidth,withintheorderof600subcarriersincaseofoperationina10MHzspectrumallocationandcorrespondinglyfewer/moresubcarriersincaseofsmaller/largeroveralltransmissionbandwidths.
Figure2-1OFDMsubcarrierspacing
ThephysicalresourceincaseofOFDMtransmissionisoftenillustratedasa
time-frequencygridwhereacolumncorrespondstooneOFDMsymbol(time)andarowcorrespondstooneOFDMsubcarrier,asillustratedin(seeFigure2-2,“OFDMtime-frequencygrid”).
Intheidealcase,despitethefactthatthespectrumofneighborsubcarriersdooverlap,theOFDMsubcarriersdonotcauseanyinterferencetoeachotherafterdemodulationduetothespecificchoiceofasubcarrierspacingfequaltothemodulationsymbolrate.
Figure2-2OFDMtime-frequencygrid
AnOFDMsignalsampledataratefs=N×
fisthesize-NInverseDiscreteFourier
Transform(IDFT)oftheblockofmodulationsymbolsa0,a1,...aN-1.Thus,OFDM
modulationcanbeimplementedbymeansofIDFTprocessingfollowedby
digital-to-analogconversion(seeFigure2-3,“OFDMmodulation”).Inpractice,theOFDMmodulationcanbeimplementedbymeansofInverseFastFourierTransform(IFFT)easyandfastprocessing,byselectingtheIDFTsizeNequalto2mforsomeintegerm.Atthereceiver,bysamplingthereceivedsignalattheratefs=N×
f,efficientFFTprocessingisusedtoachieveOFDMdemodulationandretrievetheblockofmodulationsymbolsa0,a1,...aN-1(seeFigure2-4,“OFDMdemodulation”).
Figure2-3OFDMmodulation
Figure2-4OFDMdemodulation
Asmentionedabove,anuncorruptedOFDMsignalcanbedemodulatedwithoutany
interferencebetweensubcarriers.However,incaseofatime-dispersivechannel(suchasmultipathradiochannels),theorthogonalitybetweenthesubcarriersislost,causingInterSymbolInterference(ISI).Thereasonforthisisthatthedemodulatorcorrelationintervalforonepathwilloverlapwiththesymbolboundaryofadifferentpath(seeFigure2-5,“Timedispersionandcorrespondingreceivedsignal”)
Figure2-5Timedispersionandcorrespondingreceivedsignal
TodealwiththisproblemandmakeanOFDMsignaltrulyinsensitivetotimedispersionontheradiochannel,so-calledCyclicPrefixinsertionistypicallyusedincaseofOFDMtransmission.Asillustratedin(seeFigure2-6,“CyclicPrefixinsertion”),cyclic-prefixinsertionimpliesthatthelastpartoftheOFDMsymbol(thelastNcpsymbols)iscopiedandinsertedatthebeginningoftheOFDMblock,increasingthusthelengthoftheOFDMsymbolfromTutoTu+Tcp,whereTcp=Ncp,Tuisthelengthofthecyclicprefix.
TheOFDMsymbolrateasisreducedasaconsequence.Thus,subcarrierorthogonalityispreservedincaseofatime-dispersivechannel,aslongasthespanofthetimedispersionisshorterthanthecyclic-prefixlength.
Figure2-6CyclicPrefixinsertion
Thedrawbackofcyclic-prefixinsertionisthatitimpliesacorrespondinglossintermsofthroughputastheOFDMsymbolrateisreducedwithoutacorrespondingreductionintheoverallsignalbandwidth.
ThecombinationofOFDMmodulation(IFFTprocessing),a(time-dispersive)radio
channel,andOFDMdemodulation(FFTprocessing)canthenbeseenasa
frequency-domainchannelasillustratedin(seeFigure2-7,“FrequencydomainmodelofOFDMtransmissionreception”),whereduringeachOFDMsymboltimeperiod,Ndifferentmodulationsymbolsaretransmitted,eachonagivensubcarrieroverthecorrespondingsub-band,incontrasttosinglewidebandcarriersystems,suchasaWCDMAwhereeachmodulationsymbolistransmittedovertheentirebandwidth.
Figure2-7FrequencydomainmodelofOFDMtransmissionreception
Onfrequencychannelk,modulationsymbolakisscaledandphaserotatedbythe
complex(frequency-domain)channelcoefficientHk.Atthereceiverside,toallowfor
properdecodingofthetransmittedinformationafterdemodulation,thereceiverneedsanestimateofthefrequency-domainchanneltapsH0,H1,...,HN-1.Thiscanbedonebyinsertingknownreferencesymbols,sometimesalsoreferredtoaspilotsymbolsorpilots,atregularintervalswithintheOFDMtime/frequencygrid.Usingknowledgeaboutthereferencesymbols,thereceivercanestimatethe(frequency-domain)channeltapsnecessaryforthedecoding.
OFDMsignalbandwidth
ThebasicbandwidthofanOFDMsignalequalsN×
f,i.e.thenumberofsubcarriers
multipliedbythesubcarrierspacing.Ontheotherhand,bysettingthesymbolstobe
transmittedonagroupofsidecontiguoussubcarrierstozero,thebasicbandwidthis
reducedtoNc×
fwhereNcisthenumberofnon-nullsubcarriers.However,thespectrumofanOFDMsignalfallsoffslowlyoutsidethebasicOFDMbandwidthandespeciallymuchslowerthanforaWCDMAsignal.Thus,inpractice,typicallyintheorderof10%guard-bandisneededforanOFDMsignal,implyingthat,asanexample,inaspectrumallocationof5MHz,thebasicOFDMbandwidthNc×
fcouldbeintheorderof4.5MHz.Assuming,forexample,asubcarrierspacingof15kHzasselectedforLTE,thiscorrespondsto300subcarriersin5MHz.
DFTSOFDMtransmission
DiscreteFourierTransformSpreadOFDM(DFTS-OFDM)isatransmissionschemethathasbeenselectedastheuplinktransmissionschemeforLTE.ThebasicprincipleofDFTS-OFDMtransmissionisillustratedin(seeFigure2-8,“DFTSOFDMsignalgeneration”).SimilartoOFDMmodulation,DFTS-OFDMreliesonblock-basedsignalgeneration.IncaseofDFTS-OFDM,ablockofMmodulationsymbolsfromsomemodulationalphabet,e.g.QPSKor16QAM,isfirstappliedtoasize-MDFT.TheoutputoftheDFTisthenappliedtoconsecutiveinputsofasize-NinverseDFTwhereN>
Mandwherethe(N-M)unusedinputsoftheIDFTaresettozero.AlsosimilartoOFDM,acyclicprefixisinsertedforeachtransmittedblock.
Figure2-8DFTSOFDMsignalgeneration
Comparing(seeFigure2-8,“DFTSOFDMsignalgeneration”),withtheIFFT-basedimplementationofOFDMmodulation,itis
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