LTE关键技术之OFDM分析外文翻译.docx
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LTE关键技术之OFDM分析外文翻译
201x届本科毕业设计(外文翻译)
学
院:
专
业:
姓
名:
学
号:
指导教师:
完成时间:
二0—四年三月
LTE的多址接入技术
LTE的多址接入
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。
Af=1/Tu
*
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一频域的网格坐标图。
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。
以一定的频率fs=Nx△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ao,ai,...aN-i。
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,“OFD碉制”)。
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IDFTsize
N等于2m(m为整数)。
在接收端,对接收信号以fs=NX△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ao,ai,...aN-i。
(参见图2-4,
OFDM解调”
Frequencylo 图2-3OFDM调制 Timtofrequencydomainconversion 图2-4OFDM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。 pCyclicprefixpermitstofacilitatedemodulation ThecyclicprefixtransformtheclassicalchannelconvolutionintoacyclicconvolutionwhichpermitseasydemodulationafterFFT 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。 RadioChannelresponse h(t) 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Ho,Hl,…,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Nxg,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 NcX△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NcXf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2-8DFT的OFDM信号的产生 与图2-8,“DFT勺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2-8DFT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2-9DFT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。 TimeIofrequiency domainconfersIon 图2-9DFTSOFDM调希9 LTEmultipleaccesstechniques LTEmultipleaccess OFDMtransmission OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)isamulticarriertransmissiontechniquethathasbeenadoptedasthedownlinktransmissionschemeforthe3GPPLong-TermEvolution(LTE)andisalsousedforseveralotherradiotechnologies,e.g.WiMAXandtheDVBbroadcasttechnologies. Itischaracterizedbyatightfrequency-domainpackingofthesubcarrierswithasubcarrierspacingf=1/Tu,whereTuistheper-subcarriermodulation-symboltime.(SeeFigure2-1,“OFDMsubcarrierspacing” OFDMtransmissionisblock-based.DuringeachOFDMsymbolinterval,modulationsymbolsaretransmittedinparallel.Themodulationsymbolscanbefromanymodulationalphabet,suchasQPSK,16QAM,or64QAM. For3GPPLTE,thebasicsubcarrierspacingequals15kHz.Ontheotherhand,the numberofsubcarriersdependsonthetransmissionbandwidth,withintheorderof 600subcarriersincaseofoperationina10MHzspectrumallocationandcorrespondinglyfew^r/moresubcarriersincaseofsmaller/largeroveralltransmissionbandwidths.rIII[IIiIII Figure2-1OFDM subcarrierspacing sub匚忌「「ierspacing=\fissionisoftenillustratedasastooneOFDMsymbol(time)anda 'ncy=3\f 丁,pitethe.factthatlhespectrumofneighborsubcarriersdooverlap,theOFDMsubcarrie+sdonotcauseanyinterfereneetoeachotherafterdemodulationduetothespecific'choiceofasubcarrierspacingfequaltothemodulationsymbol -■■ rate.] Thephysicatime-frequerrowcorrestime-frequerIntheidealcase, reso in cygri\vhpondstojn caseofOFDM iere.acolumncaiieOFDMsubca i血stated.in.(seFigure2-2,“卩罔册 I11IHiW ion Figure2-2OFDMtime-frequencygrid Af=1/Tu ** Frequen匚y-Af TimetofrequonKydGcnafnconver-&ioii OFDMmodulationcanbeimplementedbymeansofInverseFastFourierTransform(IFFT)easyandfastprocessing,byselectingtheIDFTsizNequalto2mforsomeintegerm.Atthereceiver,bysamplingthereceivedsignalattherates=Nxf,efficientFFTprocessingisusedtoachieveOFDMdemodulationandretrievetheblockofmodulationsymbolsao,ai,...aN-i(seeFigure2-4,“OFDMdemodulation.”) Figure2-3OFDMmodulation 皿呻呻怖伽Figure2-4OFDMdemodulation Asmentionedabove,anuncorruptedOFDMsignalcanbedemodulatedwithoutanyinterfereneebetweensubcarriers.However,incaseofatime-dispersivechannel(suchasmultipathradiochannels),theorthogonalitybetweenthesubcarriersislost,causing InterSymbolInterference(ISI).Thereasonforthisisthatthedemodulatorcorrelationintervalforonepathwilloverlapwiththesymbolboundaryofadifferentpath(seeFigure2-5,“Timedispersionandcorrespondingreceivedsignal” Figure2-5Timedispersionandcorrespondingreceivedsignal Cyclicprefixpermitstofacilitatedemodulation k i 1VMI Todealwit roblemandmakeanOFDMsignaltrulyinsensitiveto 种门el,so-calledCyclicPrefixinsertionistypicallyusedin transmissin.Asillustratedin(seeFigure2-6;yclicPrefix : ”)clic-prefiX/nsertionimpliesthatthelastpartoftheOFDMsymbol(thelastNcpsymbols)iscopiedandinsertedatthebeginningoftheOFDMblock,increasingthusthelengthoftheOFDMsymbolfromTutoTu+Tcp,whereTcp=NcplTJisthelengthofthecyclicprefix.^心忖/(ij\ TheOFDMsymbolrateasisreducedasaconsequence.Thus,subcarrierorthogonalityispreservedincaseofati-dispersivechan'' thetimedispersionisshorterthanthecyclic-prefixlength. Figure2-6CyclicPrefixinsertion i1Jilfili」 EXiMfci longasthespano.一 '4Mrililiiiil ■mb eNode-B Radi< )匚nannelrespon別h(t) f I Thedrawbackofcyclic-prefixinsertionisthatitimpliesacorrespondinglossintermsofthroughputastheOFDMsymbolrateisreducedwithoutacorrespondingreductionintheoverallsignalbandwidth.' ThecombinationofOFDMmodulation(IFFTprocessing),a(time-dispersive)radiochannel,andOFDMdemodulation‘(FFTprocessing)canthenbeseenasafrequency-domainchannelasillustratedin(se^igure2-7,“Frequencydomainmodel o»OFDMttraflsmsERnrecffl他七3W”rMuM靶chOFDMsymb°ltimeperiod,Ndifferentmodulationsymbolsaretransmitted,eachonagivensubcarrieroverthecorrespondingsub-band,incontrasttosinglewidebandcarriersystems,suchasaWCDMAwhereeachmodulationsymbolistransmittedovertheentirebandwidth. UsefulOFWsymbol Figure2-7FrequencydomainmodelofOFDMtransmissionreception Onfrequencychannelk,modulationsymbolaisscaledandphaserotatedbythecomplex(frequency-domain)channelcoefficientHk.Atthereceiverside,toallowforproperdecodingofthetransmittedinformationafterdemodulation,thereceiverneedsanestimateofthefrequency-domainchanneltapsHH1,...,Hn-1.Thiscanbedonebyinsertingknownrefereneesymbols,sometimesalsoreferredtoaspilotsymbolsorpilots,atregularintervalswithintheOFDMtime/frequencygrid.Usingknowledgeabouttherefereneesymbols,thereceivercanestimatethe(frequency-domain)channeltapsnecessaryforthedecoding. OFDMsignalbandwidth ThebasicbandwidthofanOFDMsignalequalsNf,i.e.theNumberofsubcarriersmultipliedbythesubcarrierspacing.Ontheotherhand,bysettingthesymbolstobetransmittedonagroupofsidecontiguoussubcarrierstozero,thebasicbandwidthisreducedtoNcfwhereNcisthenumberofnon-nullsubcarriers.However,thespectrumofanOFDMsignalfallsoffslowlyoutsidethebasicOFDMbandwidthandespeciallymuchslowerthanforaWCDMAsignal.Thus,inpractice,typicallyintheorderof10%guard-bandisneededforanOFDMsignal,implyingthat,asanexample,inaspectrumallocationof5MHz,thebasicOFDMbandwidthNcfcouldbeintheorderof4.5MHz.Assuming,forexample,asubcarrierspacingof15kHzasselectedforLTE,thiscorrespondsto300subcarriersin5MHz. DFTSOFDMtransmission DiscreteFourierTransformSpreadOFDM(DFTS-OFDM)isatransmissionschemethathasbeenselectedastheuplinktransmissionschemeforLTE.ThebasicprincipleofDFTS-OFDMtransmissionisillustratedin(seeFigure2-8,“DFTSOFDMsignal generation)【'SimilartoOFDMmodulation,DFTS-OFDMreliesonblock-basedsignalgeneration.IncaseofDFTS-OFDM,ablockofMmodulationsymbolsfromsomemodulationalphabet,e.g.QPSKor16QA
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