OFDM移动通信的信道与衰落.docx
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OFDM移动通信的信道与衰落
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重庆邮电大学移通学院
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毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
___OFDM移动通信的信道与衰落_________________________
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系别:
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年月
重庆邮电大学移通学院教务处制
重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目_OFDM移动通信的信道与衰落
学生姓名系别专业班级
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求
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度
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划
主
要
参
考
文
献
指导教师签字:
年月日
教研室主任签字:
年月日
备注:
此任务书于第一学期第十六周前由各系发放给指导教师,指导教师填写完整后于下学期第一周内交回各系,由各系进行统计并组织学生于第二周进行选题,确定选题后,交至辅导员于第三周发放给学生。
毕业设计于第四周开始进行。
摘要
OFDM技术凭借极强的对抗频率选择性衰落能力和极高的频谱利用效率成为4G移动通信系统的核心技术。
它的基本思想是把调制在单载波上的高速串行数据流,分成多路低速的数据流,调制到多个正交载波上并行传输,这样在传输时,虽然整个信道是频率选择性衰落,但是各个子信道却是平坦衰落,有效对抗了多径效应,同时由于各个子载波是正交的,极大提高了频谱效率。
本论文以OFDM系统为基础,介绍了OFDM系统的基本原理,以及使用OFDM技术的优势所在,并且展望了今后的无线移动技术的发展前景。
在简单介绍OFDM原理的同时,着重阐述了OFDM系统在不同信道环境和不同实现方式下的误码性能。
主要包括了OFDM系统在加性白高斯信道,在加性白高斯信道和多径干扰两种不同信道环境下系统的误码性能,其中后者还研究了系统在有保护间隔与无保护间隔的误码性能比较。
本文研究的主要内容是把OFDM技术应用到无线通信系统中,利用OFDM技
术在对抗多径时延和频率选择性衰落上的优势,进行衰落信道条件下无线信号的
传输。
第一章概述,介绍移动通信的现状和发展,描述了OFDM技术的基本思想,
给出了本文的基本内容。
第二章OFDM的基本原理。
第三章无线电传播的特性
第四章无线信道衰落
关键词
正交频分复用(OFDM),AWGN,,多径干扰,保护间隔。
无线通信,同步估计,信道估计,FPGA
Abstract
ThemulticarriertransmissionknownasOFDMisgoingtobecomethemostimportanttechniqueof4mgenerationsystemforitsrobustnesstomultipathselectivefadingandhighbandwidthefficiency.Itsbasicideaist.odivideagivenchannelintomanyparallelsubchannelsorsubcarriers,SOthatmultiplesymbolsareinparrllel.Thoughthewholechannelappearsasfrequency—selectivefadingchannel,thesubchannelsappearasorthogona,platfading
channels.
ThispaperpresentsyouthebasicpricipleofOFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)andwhereitexcelsbasedonOFDMsystem,followingwiththeprospectiveofwirelessmobilecommunication.AfterabriefintroductiontoOFDMprinciple,itmainlyfocusesontheeffectofOFDMsystemunderdifferentchannelsandwithdifferentsystemrealizationsontheBinaryErrorRate(BER).Itmainlyincludestwokindsofchannels:
theAWGNchannelandtheAWGNchannelwithRayleighfading.
ThemaincontentofthispaperistousetheOFDMtechnologyinthewirelesscommunicationsystena.Takingadvantageofitsrobustnesstomultipathselectivefading,wecanprocessthesignaltransmitioninfadingchannel.Chapter1Introduction.Inthischapter,Wefirstintroducethepresentsituationanddevelopmentofthemobilecommunication.wegiveasimulmionofthearithmeticsandsystem.ThebasicprincipleofthesecondchapterOFDM.Chapter3radiotransmissioncharacteristicsThefourthchapterwirelesschanneldecline
Keyword
Multipathinterference,Protectioninterval,WirelessCommunication,synchronizationEstimation,ChannelEstimation.FPGA
目录
前言.............................................................1
第1章移动通信的原理.............................................2
1.1移动通信的发展历程..................................2
1.1.1第一代模拟移动通信系统.............................2
1.1.2第二代移动通信系统...................................3
1.1.3.第三代移动通信系统....................................3
1.1.4第四代移动通信..................................4
1.2OFDM的发展现状...................................5
第2章OFDM系统的基本介绍.............................8
.2.1OFDM的基本原理.................8
.2.2自由空间的无线电传播9
2.2.1无线移动通信信道10
.
第三章无线电传播特性..............................12
.3.1移动无线电传播环境.........................13
.3.2接收地理环境的复杂性与多样性.................13
.3.3走向波........................................13
3.3.1反向波........................................14
3.3.2绕射波........................................14
3.3.3透射波..........................................15
3.3.4散射波...................................16
第四章无线信道衰落
4.1瑞利分布.........................................17
4.2莱斯分布.....................................18
4.3对数正太分布...................................19
4.4慢衰落.........................................20
4.5快衰落..........................................20
4.6快衰落的定量特性..............................20
4.7快衰落损耗论...........................23
4.8快衰落和多径传播论...........................24
结论........................................................26
致谢.........................................................27
参考文献.........................................................28
一、英文原文...................................................29
二、英文翻译...................................................30
前言
随着社会的进步和技术发展,人们对难住手段的消费水平和需求日益提高。
传统的电话方式已逐渐无法满足这个分秒必争的社会形态,所以如何使电话具有可移动性,特别是大范围的可移动性(漫游性)具有非常重要的意义。
学习和研究与此有关的移动通信技术已经成为通信领域里的重要内容。
通信技术和通信产业是20世纪80年代以来世界上发展最快的领域之一,通信技术的快速发展和应用促进了人们学习相关知识的需求。
议题课程目前几乎已成为所有通信、电子信息类和计算机等专业的必修课程。
既着眼于OFDM移动通信的基本原理,基本理论,基本知道的分析,同时又兼顾介绍通信信道。
本文共4章。
第一章OFDM移动通信的基本原理。
简要介绍通信的概念、特点。
第二章OFDM的基本介绍。
介绍了OFDM的基本原理,及应用。
第三章介绍了无线电波传播特性,以及地理环境的复杂性与多样性等。
第四章介绍了无线信道衰落,我们知道了无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。
发射机与接收机间的传播路径非常复杂,从简单的视距传播,到遭遇各种复杂的地物。
无线信道不像有线信道那样固定并可预见,而是具有权度的随机性,特别难以分析电磁波传播的机理是多种多样的。
第1章移动通信原理
1.1移动通信的发展历程
1.1.1第一代模拟移动通信系统
第一代移动电话网的建设由于受到技术发展的制约,电话的接续工作是同人工操作来完成的。
移动用户主要是和有线网用户相连接,所使用的终端体积庞大、笨重而且昂贵,网张的区也公限于单个基站的覆盖范围。
由于第一代系统的可用频率少,没有使用蜂窝技术,因而系统容量有限,服务质量也随用户数量的增加而受到影响,有时甚至无法通信。
上个世纪60年代,随着半导体技术的迅猛发展,无线通信技术开始从人工接续发展为自动接续系统,系统的成本也开始降低,容量有所增加。
但所增加的容量与同期用户的需求相比仍然是远远不能满足要求。
这个阶段所开放的公众无线电话依然是一种价格昂贵的奢侈品,不能被大多人所使用。
20世纪70年代末到80年代,集成电路技术、微型计算机和微处理器的发展,以及由美国贝尔实验室推出的蜂窝系统的概念和理论的应用,美国、日本等国家纷纷研制出陆地移动电话系统。
具有代表性的胡美国的AMPS,英国的TACS(全接人通信系统)北欧(丹麦、挪威、瑞典、芬兰)的NMT系统,日本的NAMTS系统等均先后投入商用。
这个时期系统的主要技术是模拟调频、频分多址,以拟移动通信系统,或为第一代移动通信系统。
1.1.2
90年代起,随着数字技术的发展,通信、信息领域中的很多方面都面临向数字化、综合化、宽带化方向发展的问题。
第二代移动通信系统是以数字传输、时分多址(CDMA)为主体技术,制定了更加完善的呼叫处理和网络管理功能,克服了第一代移动通信系统的不足之处,可与窄带综合业务数字网(N-ISDN)相兼容,所以比起第一代移动通信系统有着无可比拟的优越性。
因而第二代移动通信系统很快就取代了第一代通信系统而一跃成为移动通信的主流。
国际上已进入了商用的数字蜂窝系统有欧洲的GSM(全球移动通信系统)、美国的D-AMPS(IS-54,目前使用的IS-136、日本的PKC(个人数字蜂窝系统)及美国的CDMA(IS-95)等。
第二代数字移动通信系除了传送语音外,还可传送数据业务,如传真和分组的数据业务等。
TDMA蜂窝系统较FDMA蜂窝系统有许多优势,如:
频谱效率提高,系统容量增大,保密性好,标准化程度提高等等。
但是在美国,已批准的TDMA标准并没有完全满足于美国CTLA(蜂窝通信工业协会)对下一代数字蜂窝技术所设想民的要求,这些要求包括:
1.分引入新的服务特点2.比模拟系统容量大大增加。
3保密性提高。
4.更加适于未来长期发展。
5开放式蜂窝系统结构,为厂家之间的竞争提供了基础。
6通信质量提高,使得用户更加依赖和乐于使用移动通信系统。
7易于向未来发展和过渡,并能与现有系统兼容。
7能尽早以双模式方式和合理的成本提供使用。
1.1.3第三代移动通信系统
第三代移动和个人通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据的传输外,还能传送高达2Mbit/s的高质量的活动图像,真正实现“任何人(Whoever)在任何地点(Wherever)、任何时间(whenever)可以同任何对方(Whomever)进行任何形式(Whatever)的通信”这样一个目标。
以美国Qualcomm公司为首的倡导者提出了在蜂窝移动通信系统中采用CDMA技术的系统实现方案。
他们通过理论分析和不断的现场实验,证明CDMA具有许多TDMA技术所没有的独特的属性;并认为CDMA是移动通信环境下获得大容量和高质量的一种灵活有利的技术,它既能解决近期模拟系统容量不足的问题,也是一种通往个人通信的长远解决办法。
进入90年代中后期,世界各移动通信设备制造商和运营商已从对第三代移动通信系统的概念认同阶段进入到具体的设计、规划和实施阶段。
在开发第三代移动通信系统的进程中形成了北美、欧洲和日本三大区域性集团。
第三代移动通信网将是一个特别庞大的、全球统一的移动通信网络,系统容量可以满足全球人口总数的应用需要,其覆盖范围理论上可以达到地球上任何一个有人类活动的三维空间。
在无线网路中,为了大幅度提高频谱利用率,降低终端的功耗和成本,需采用酸辣范围小于1KM的微小区和覆盖范围只有5到30m的微微小区结构,以满足城市用户密集环境和室内终端密度很高的场合要求。
交实现以“个人通信号码”取代今天的“电话机号码,”使目前的移动通信向俱通信发展,从而满足任何人在任何时间和任何地点,使用任一固定或移动终端,通过个人号码能和任何人建立全时空的信息交换的愿望。
国际电信联盟(IIU-T)综合各国标准化组织提出的建议,从1998年开始制定和正在不断完善第三代移动通信标准IMT-2000。
要絷各国标准化组织向国际电联提交的各自的无线传输技术候选方案,总共提出了16种候选技术,包括10种地面技术和6种卫星技术。
1.1.4第四代移动通信
虽然第三代移动通信系统的最高数据速率己经达到了2Mbps,但仍然不能满
足多媒体通信的要求,并且由于各标准之间不兼容,不能实现网间的互通,所以
第四代移动通信系统的研究提上了议事日程。
第四代移动通信系统的研究起源于
本世纪初,它具有以下技术特点:
(1)建立在新的频段上,分组数据的传输速率在50Mbps以上,能够承载大量的多媒体信息,具有非对称的上传下传链路;
(2)实现真正全球统一的,基于全新网络体制的通信系统,能够使得各类媒
体、通信主机及网络之间进行“无缝"连接;
(3)采用多天线等技术使得通信质量,抗干扰性能得到很大的提升,真正满足人们对移动性、稳定性的要求,实现无障碍通信;
(4)将数字通信、数字音频、数字视频和因特网接入融合在一起。
第四代移动通信系统要求有更高的数据传输速率、更好的传输质量且同时能很好地克服多径衰落、消除高速数据传输时严重的符号间干扰并大大提高频谱利
用率,正交频分复用OFDM技术作为一种强有力的数字调制方式,以其突出的优点成为4G移动通信系统的核心技术。
1.2OFDM的发展现状
OFDM是一种特殊的多载波频分复用(FDM)技术。
在传统的多载波频分复用
系统中,各个子信道采用不同的载波并行传送数据,子载波之间间隔足够远,采
用隔离带来防止频谱重叠,故频谱效率很低。
在均衡器未被采用以前,人们就是用这种多载波方式在时间色散信道中进行高速通信的。
1966年,R.W.Chang分析了在多载波通信系统中如何使经过滤波和带限的子载波保持正交【1,2】。
随后不久B。
R.Saltzberg给出了一篇性能分析的文章【3J,他指出在设计一个有效的并行传输系统时,应该把注意力更多地集中在减少相邻信道的串扰上,而不是使各个独立的信道工作得更好,因为此时信道串扰是造成信号失真的主要1971S.B.Weinstein和P.M.Ebert提出用傅立叶变换(DFT)进行基带OFDM调制和解调14J。
通过DFT进行OFDM基带调制和解调避免了生成多个子载波和多个窄带带通滤波器,使系统的模拟前端由多个变为一个,同时由于DFT可以用FFT来快速实现,这进一步降低了系统实现的复杂度。
为对抗符号间干扰和载波闻干扰,他们提出在符号间插入一段空白时隙作为保护间隔。
他们的系统虽然没有能在色散信道中获得很好的子载波正交性,但对OFDM仍是一个很大贡献。
另一个重要贡献来自A.Peled和A,Rmz,他4Ij--人提出了采用循环前缀来解决色散信道中子载波间的正交性问题15J。
当信道响应长度小于循环扩展时,循环前缀的存在使信号与信道响应的线性卷积变成循环卷积,从而使色散OFDM信号可以通过频域单点均衡进行去相关。
当然,循环扩展的引入会导致少量的信噪比损失。
由于无线信道的多径传播会使宽带OFDM信号产生频率选择性衰落,导致各个子信道上的信噪比不同,因此实际的OFDM系统都是与交织、纠错编码结合在一起,形成编码的正交频分复用(COFDM)。
交织和编码能够使OFDM系统获得良好的频率和时间二维分集。
OFDM技术的优点主要有:
(1)OFDM调制方式适用于多径和衰落信道中的高速数据传输。
当信道因为多径的影响出现频率选择性衰落时,只有落在频率凹陷处的载波及其携带的信息受到影响,其它子载波未受损害;。
(2)在OFDM调制方式中,通过插入保护间隔,可以很好地克服符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)
(3)由于OFDM各子载波相互正交,允许各子载波有1/2重叠,因此可以大大提高频谱利用率:
(4)由于深度衰落而丢失的一些子载波可通过编码、交织等措施来很好的恢复,提高系统抗误码性能,且通过各子载波的联合编码,具有很强的抗
衰落能力;
(5)OFDM技术抗脉冲及窄带干扰的能力很强,因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道;·
(6)与单载波系统相比,对采样定时偏移不敏感。
OFDM技术的缺点主要有:
(1)由于要求各子载波正交,所以对频率偏移和相位噪声很敏感;
(2)由于各子载波相互独立,峰值功率与均值功率比相对较大,且随子载波数目的增加而增加。
高峰均比信号通过功放时,为了避免信号的非线性失真和带外频谱再生,功放需要具有较大的线性范围,导致射频放大器的功率效率降低。
国外对OFDM技术的研究已有近50年的历史。
最初无线OFDM传输系统是用在军用无线高频通信链路中,随着数字信号处理(DSP)$1超大规模集成电路
(VLSI)技术的发展,OFDM技术获得了长足的进步并广泛应用于社会生活的各个方面。
其应用主要有:
(1)广泛应用于音频和视频传输中,如欧洲数字音频广播18J(DAB)、数字视频广播【91(DVB)以及日本的综合业务数字广播(ISDB)等;
(2)非对称数字用户链路(ADSL);
(3)无线局域网标准IEEE802.1la、欧洲电信标准协会(ETSI)推出的局域网标准Hyperlan2等;
(4)无线城域网标准IEEE802.16a;
(5)已具雏形的4G蜂窝系统。
第二章OFDM系统的基本介绍
OFDM的英文全称为OrthogonalFre-quencyDivisionMultiplexing,中文含义为正交频分复用技术。
这种技术是HPA联盟(HomePlugPowerlineAlliance)工业规范的基础,它采用一种不连续的多音调技术,将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号,从而完成信号传送。
由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
其实,OFDM并不是如今发展起来的新技术,OFDM技术的应用已有近40年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统。
但是,一个OFDM系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。
直到上世纪70年代,人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。
80年代,人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。
进入90年代以来,OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。
目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统,主要的应用包括:
非对称的数字用户环路(ADSL)、ETSI标准的数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等。
2.1OFDM的基本原理
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。
无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。
这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的
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