多载波传输技术及其应用：

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OFDMA（续1）
• 多址接入 -FDMA：不同用户分配不同频段 -TDMA：不同用户分配不同时隙 -CDMA：不同用户分配不同的伪随机码
• OFDM与它们相结合及比较 -OFDM-FDMA，自适应分配子载波给用户 -OFDM-TDMA，占用所有子载波 -OFDM-CDMA，占用所有子载波 -OFDMA：不同用户分配不同子载波＋跳频
-OFDMA • 单载波和多载波 • 参数选择和系统设计
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OFDM系统中的关键问题
• 同步 • 信道估计 • 峰均比 • ICI问题 • 编码调制 • OFDMA
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同步
• 数字通信系统中的载波同步和符号同步
• 单载波＋频域均衡 • David Falconer, et al., “Frequency domain
equalization for single-carrier broadband wireless systems”, April, 2002, IEEE Commun. Mag.
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-TDM 对信道进行时域分割；
-CDM 对信道进行码分割；
• van Nee Richard and Prasad Ramjee, OFDM wireless multimedia communications, Artech House, Boston, London, Jan., 2000. Chapter 2. (TN92/N37 ) ，Chapter 9 OFDMA
• 在无线衰落环境中，虽可通过增加发射功率以提高信 噪比来对抗衰落，但这样做的同时也加重了对其它无 线信道的干扰，不可取。
• 因此在无线衰落环境下，若不采用适当的前向纠错编 码技术，要想得到满意的性能几乎是不可能的。成功 的编码就意味着，OFDM链路的性能应由平均接收功 率来确定，而不是由最差子信道的接收功率来确定。
多载波传输技术及其应用：
OFDM基本原理（二）
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本节主要参考资料
• van Nee Richard and Prasad Ramjee, OFDM wireless multimedia communications, Artech House, Boston, London, Jan., 2000. Chapter 2. (TN92/N37 ) ，Chapter 2
信道 载波同步
⊕ η(t)
{Rk } 并行串
行变换
⋅⋅⋅
DFT 或
FFT
{ } ⋅⋅⋅
串行并 行变换
rn 去除保
护间隔
{ yn}
A/D
y(t)
exp[−j(2πfˆct +φˆ)]
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信道估计
二进制
RF RX ADC
FFT
相干 检测
解交织
输出数据 译码
• John Terry and Juha Heiskala. OFDM wireless LANs : a theoretical and practical guide. Indianapolis, Ind. Sams, 2002. (TP393.1/T321 )
• Wideband wireless digital communications, 《宽带无线 数字通信》（影印版）电子工业出版社。第4部分
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参数选择和系统设计
• 带宽W（bandwidth）、比特速率R（bit rate）、时延扩
展（delay spread）
• 保护间隔：工程上 Tg ≈ 2 ~ 4(στ )max，倍数大小与编
码和调制方式等有关。调制的状态数越大，对ISI和ICI
越敏感，Tg应选得大一些；当然，效率低的差错编码 又可以降低系统对ISI和ICI的敏感性， Tg就可选得稍小 一些。
• 仿真比较几种方式
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OFDMA（续3）
子载波固定 分配，与 TDMA结合
频 率
adad a d adad a d ace ace ace ace ace ace b egb eg b eg b egb eg b eg b f gb fg b f g b f gb fg b f g
1/2
24 48
52 64 80
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OFDM-CDM
• 编码（coding）＋扩谱（spreading）
• 抗窄带干扰 • Wideband wireless digital communications, 《宽带无线
数字通信》（影印版）电子工业出版社。第4部分第25 章
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差错控制编码
• 基本思路：在发送端给被传输的信息码元附加 一些冗余的监督码元，这些监督码元与信息码 元之间以某种确定的规则相互关联。接收端按 照这种既定的规则校验信息码元与监督码元之 间的关系，一旦传输发生差错，则信息码元与 监督码元的关系就会遭到破坏，从而接收端可 以发现错误乃至纠正错误。
符号、帧 同步
A/D
解码
fˆc
fˆs
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同步：OFDM
{Sk } 串行并
行变换
⋅⋅⋅
IDFT 或
IFFT
{ } ⋅⋅⋅
并行串 行变换
sn 插入保
护间隔
{xn}
D/A x(t)
exp[j(2πfct +φ)]
OFDM 符号定 时同步
样值定时同步 样值频率同步
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参数选择和系统设计例举
• 设计这样一个系统：
-比特速率（信息速率）：20Mbps
-可容忍的时延扩展： 200ns
-带宽：
<15MHz
• 系统设计
-取Tg=4×200ns=800ns
-取Ts=6×Tg=4800ns=4.8us
-所以T=4.8-0.8=4us，或者1/T=250kHz
+
N −1
A(m)exp − j 2π (n − m)k exp − j 2πεk
k=0 m=0,m≠n

N N
ICI部分
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编码和调制
• 尽管OFDM系统中插入保护间隔和循环前缀可避免ISI 并减小ICI问题，但同时信号经过多径衰落信道后，到 达接收端的所有子载波上的信号幅度可能不同。事实 上，某些子信道由于深衰落可能会完全被淹没。因此， 即使在大多数子载波上都能做到无差错检测，但整个 系统的误比特率（BER）却会由于幅度很小的个别子 信道的影响而很高，甚至高达0.5。
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参数选择和系统设计例举（续1）
• 4.8us×20Mbps=96bit/OFDM符号 • 方法一：1/2编码＋16QAM
k
exp −
j
2π (n + ε )k
N

∑ ∑ = N−1 N−1 A(m)exp − j 2π (n − m)k exp − j 2πεk
k=0 m=0

N N
∑ = A(n)N−1exp − j 2πεk
k=0
N
信号有用部分
∑ ∑ N−1
X
S/P
IFFT
扩展序列W
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OFDM-CDM（续）
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OFDMA
• 多路复用 —— 多路信号互不干扰地在同一信道上进行 传输。充分利用信道资源，但总是存在一定长度的干 扰。
-FDM 对信道进行频域分割；
• “Performance comparison of different multiple access schemes for downlink of an OFDM communication system”，VTC，1997，PP1365-1369
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概述
• 基本概念 -正交调制原理 -FFT实现正交调制 -保护间隔、循环前缀 -加窗技术 -过采样问题
• 系统结构 -OFDM系统原理框图 -OFDM系统时域模型 -OFDM系统频域模型
• 关键问题 -同步 -信道估计 -峰均比 -ICI问题 -编码调制
• 代价：差错控制编码是通过增加发送信号的冗 余度来提高性能的，即以信息传输的有效性为 代价来换取可靠性的提高。
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差错控制编码（续1）
• 分组码（RS码、CRC码） • 卷积码 • 交织编码 • Turbo码 • 网格编码调制TCM • 空时编码（LSTC、STBC、STTC） • 级联编码 • 自适应编码
{{ }} PAR(dB)
= 10 log2
max n
xn
E xn 2
2
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ICI 问题
∑ 发：
sl (k ) =
N −1 n=0
A(n)exp

j2π
nk N

Baidu Nhomakorabea
(0 ≤ n, k ≤ N −1)
∑ 收：
Aˆ (n )
=
( ) N −1
sl
k =0
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调制技术
• 调制方式（PSK、QAM等） • 自适应调制：与信道估计相结合
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编码调制例举
信息速率
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编码调制例举（续）
802.11a系统中的编码调制：采样频率20Mbps，OFDM符 号持续时间4us，64点FFT/IFFT，48个数据，4个导频，16 个样值的循环前缀
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单载波和多载波（续1）
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单载波和多载波（续2）
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25
单载波和多载波（续3）
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单载波和多载波（续4）
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时间
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OFDMA（续4）
跳频OFDMA：
不同用户在不
同时隙分配不
同子载波 频 率
a f edcb ba f edc cba f ed dcba f e
edcba f
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f edcba
时间
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单载波和多载波
• 符号周期：效率（保护间隔）、实现以及PAR（子载
波数） Ts = T + Tg ≈ 5Tg
• 子载波数：-3dB带宽/子载波间隔（1/T）；或者，R/子 载波速率（与编码、调制方式、符号速率等都有关）
• 采样频率fs：整个OFDM符号Ts、FFT/IFFT间隔T、保 护间隔Tg内都应包含整数个样值。
• Ahmad R.S. Bahai et al.. Multi-Carrier Digital Communications Theory and Applications of OFDM. New York: Kluwer Academic / Plenum Publishers, 1999.
• John G. Proakis, Digital communications, 《数字通信》 第三版（影印版）电子工业出版社。第12章
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OFDMA（续2）
• OFDMA 与 MC-CDMA 的 区 别 ：OFDMA 方式中，不同的用户使用不同的子载波 集 合 ； 而 在 MC-CDMA 方 式 中 ， 不 同 的 用户分配不同的扩频码使用全部子载波。
• OFDMA does not suffer from intracell interference, while in CDMA system this is the main source of interference.
信道 估计
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PAR
• 与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个 独立的经过调制的子载波随机信号相加而成的，
这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功 率（Peak Power），由此会带来较大的峰值平 均功率比（Peak-to-Average Ratio），简称峰均 比（PAR）。峰均比可以被定义为：