【OFDM入门篇 未完】LTE轻松进阶【学习总结】

OFDM是LTE物理层的最基础的技术，MIMO技术、带宽自适应技术、动态资源调度技术都是在OFDM技术之上得以实现的。

1.OFDM技术原理

OFDM（Orthogonal Frenquency Division Multiplexing），是一种正交频分复用技术，既属于调制技术，也属于复用技术。

【OFDM本质】

　　OFDM本质上是一个频分复用系统（FDM）。FDM并不陌生，用收音机接收广播的时候，不同的广播电台使用不同的频率，经过带通滤波器的通带，把想要听的广播电台接收下来。如下图1所示。1G、2G、3G都用到了FDM技术。

　　将整个系统的频带分为多个带宽互相隔离的子载波；接收端的必备器件是滤波器，通过滤波器，将所需的子载波信息接收下来。

　　通过保护带宽隔离不同子载波，虽可以避免不同载波的互相干扰，但牺牲了频谱利用率。OFDM虽然也是一种FDM，但是它克服了传统FDM频谱利用率低的缺点，接收端也无须使用滤波器去区分子载波。

　　OFDM就是利用相互正交的子载波来实现多载波通信的技术。在基带相互正交的子载波就是类似{sin(wt)、sin(2wt)、sin(3wt)}和{cos(wt)、cos(2wt)、cos(3wt)}的正弦波和余弦波，属于基带调制部分。基带相互正交的子载波再调制在射频载波Wc上，成为可以发射出去的射频信号。

　　在接收端，将信号从射频载波上解调下来，在基带用相应的子载波通过码元周期内的积分把原始信号解调出来。基带其他子载波信号与信号解调所用的子载波由于在一个码元周期内积分结果为0，相互正交，所以不会对信息的提取产生影响。

　　在时域上信号为一个非周期矩形波，如图5-5（a）所示，在频域上是满足A=sinc(f)=sinf/f的曲线，如图5-5（b）所示。
　　假若有很多路不同的方波信号，如图5-5（c）所示，在基带经过不同频率的子载波调制，形成了5-5（d）所示的基带信号频谱图，经过射频调制，最终传送出去的射频信号的频谱图如图5-5（e）所示。

　　子载波之间的频率间隔为OFDM符号周期的倒数(△f=1/T)，每个子载波的频谱都是sinc()函数。该函数以子载波频率间隔为周期反复地出现零值，这个零值正好落在了其他子载波的峰值频率处，所以对其他子载波的影响为零。

　　经过基带多个频点的子载波调制的多路信号，在频域中，是频谱相互交叠的子载波。由于这些子载波相互正交，原则上彼此携带的信息互不影响。在接收端，通过相应的射频解调和基带解调过程，可以恢复出原始的多路方波信号。

2.OFDM系统实现

OFDM系统包含很多功能模块，OFDM实现强相关的功能模块有3个：
（1）串并、并串转换模块
（2）FFT、逆FFT转换模块
（3）加CP、去CP模块

①并行传输

　　无线信号在空中传播，对信号传播影响较大的是多径效应。

【多经效应】
　　指无线电波经过一点发射出去，经过直射、绕射、反射等多种路径到达接收端的时间和信号强度是不同的。到达时间不同，成为多径时延或时间色散。

【选择性衰落】
到达的信号强度不同，称为选择性衰落。
由于路径不同造成的衰落可以称为空间选择性衰落；
而在宽带传输系统中，不同频率在空间中的衰落特性是不一样的，这称为频率选择性衰落，如图5-8所示。

　　多经时延可以引起符号间干扰（Inter Symbol Interference，ISI），增大了系统的自干扰。频率选择性衰落易引起较大的信号失真，需要信道均衡操作，以便纠正信道对不同频率的响应差异，尽量恢复信号发送前的样子。带宽越大，信道均衡操作越难。

　　在OFDM系统中，并行传输技术可以降低符号间干扰，简化接收机信道均衡操作，便于MIMO技术的引入。

　　 在发射端，用户的高速数据流经过串/并转换后，成为多个低速率码流，每个码流可用一个子载波发送，如图5-9所示。这是一种并行传输技术，它可使每个码元的传输周期大幅增加，降低了系统的自干扰。

　　对于宽带单载波传输，为了克服频率选择性衰落引起的信号失真，需要增加复杂信道的均衡操作。使用并行传输技术将宽带单载波转换为多个窄带子载波操作，每个子载波的信道响应近似没有失真，这样，接收机的信道均衡操作非常简单，极大地降低了信号失真，如图5-10所示。

②FFT

　　OFDM要求各子载波之间相互正交，在理论上已证明，使用快速傅立叶变换（FFT）可以较好地实现正交变换。但在OFDM发明初期，遇到困难，20世纪才得以使用。

　　在发射端，OFDM系统使用IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅立叶变换)模块来实现多载波映射叠加过程，经过IFFT模块可将大量窄带子载波频域信号，变换成时域信号，如图5-11所示。

　　在接收端，OFDM系统不能用带通滤波器来分隔子载波，而是用FFT模块把重叠在一起的波形分隔出来。

　　总之，OFDM系统在调制时，使用IFFT；在解调时，使用FFT。

③加入CP

　　 由于多径时延的问题，导致OFDM符号到达接收端可能带来符号间干扰（ISI）；同样，由于多径时延的问题，使得不同子载波到达接收端后，不能再保持绝对的正交性，为此引入了多载波间干扰（Inter Carrier Interference，ICI），如图5-12所示。

　　如果在OFDM符号发送前，在码元内插入保护间隔，当保护间隔足够大的时候，多径时延造成的影响不会延伸到下一个符号周期内，从而消除了符号间干扰和多载波间的干扰，如图5-13所示。

　　在OFDM中，使用的保护间隔是CP（Cyclic Prefix，循环前缀）。所谓循环前缀，就是将每个OFDM符号的尾部一段复制到符号之前，如图5-14所示。加入CP，比起纯粹的加空闲保护时段来说，增加了冗余符号信息，更有利于克服干扰。

　　加入CP如同给OFDM加一个防护外衣，携带有用信息的OFDM符号在CP的保护下，不易丢失或损坏。

❤在OFDM的发展中，CP是非常重要的思想，主要有下面两个作用：

（1）CP作为保护间隔，大大减少了ISI（符号间干扰，Inter Symbol Interference）
（2）CP可以保证信道间的正交性，大大减少了ICI（多载波间干扰，Inter Carrier Interference）

3.OFDM参数

　　与OFDM系统设计相关的参数有3类：与傅立叶变换相关的参数、与频域资源和时域资源相关的参数，如下表。

（1）快速傅立叶变换参数
　　 OFDM系统采用快速傅立叶变换及其逆变换，实现频域多个子载波与时域信号之间的映射；快速傅立叶变换是离散傅立叶变换。

采样点Nfft越大，变换过程中的信息失真越少，但对芯片的运算速度要求越高。 Fs=1/Ts //采样频率Fs 采样周期Ts

（2）频域参数

OFDM系统的子载波的间隔△f是影响OFDM性能的很重要的参数。
　　△f不能设计过小，过小的话，对抗多普勒频移的影响能力下降，无法支撑高速移动的无线通信；
　　△f不能设计过大，过大的话，OFDM符号周期T就会过小（T=1/△f），于是为克服子载波间的干扰，加入CP的开销相对于有用符号来说就会过大，使传送效率受到影响。

　　典型的△f在10~20kHz之间。LTE的子载波间隔△f=15kHz，而WiMax(全球微波互联接入,802.16)的子载波间隔△f=10.98kHz。

1.△f=Fs/Nfft  //子载波间隔△f 采样频率Fs 采样点数目Nfft
 （Ts=T/Nfft） //采样周期Ts OFDM符号周期T 采样点数目Nfft（Fs=1/Ts）

2.△f=1/T      //子载波间隔△f OFDM符号周期T

3.Bw=Nc*△f    //信道带宽Bw 有效子载波数目Nc
（但在系统设计时，带宽要留有足够的余量，所以Bw要远远大于Nc*△f）

（3）时域参数

Tofdm=Tu+Tcp   //一个OFDM符号周期Tofdm 有用符号时间Tu 循环前缀的时间Tcp

　　OFDM系统的一个时隙长度Tslot会包括多个OFDM符号周期Tofdm。对于LTE常规时隙来说，一个时隙包括7个OFDM符号周期，即

Tslot = 7*Tofdm

　　CP的长度Tcp不能过小，必须能够大于覆盖范围内可能的多径时延(见图5-13)，否则将会造成符号干扰（ISI）；另一方面，CP的长度Tcp不能过大，冗余开销太大，会影响系统的信息传送效率。在LTE中，根据不同应用场景的需要，设计了多种CP长度。

4.OFDM多址接入

　　LTE的空中接口的多址技术是以OFDM技术为基础的。前面讲的OFDM是从调制复用的角度上介绍的，这里从用户多址接入的角度介绍OFDM。

　　LTE的多址接入技术上、下行有别：下行主要是OFDMA技术，上行主要是SC-FDMA。

　　既然是多址方式，就需要给不同的用户分配不同的资源。那么OFDM系统用户接入的资源是什么呢？
　　OFDM多址接入的资源具有时间和频率两个维度。这两个维度的大小决定了用户接入资源占用的多少。即OFDMA其实是TDMA和FDMA的结合。

5.两种帧结构

　　上、下行信息如何复用有限的无线资源，这是所有无线制式必须考虑的双工技术问题。LTE标准上即支持时分双工（TDD），又支持频分双工（FDD），分别对应着不同的帧结构设计。
　　

5.1两种双工模式

　　LTE标准支持两种双工模式：频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）和时分双工（Time Division Duplexing，TDD）。于是，LTE定义了两种帧结构：FDD帧结构和TDD帧结构。
　　LTE在整个标准的制定过程中充分考虑了TDD和FDD双工方式在实现过程的异同，增大二者实现共同点、减少二者的差异处。
　　

①FDD与TDD

　　FDD的关键词是“共同的时间、不同的频率”。FDD在两个分离的、对称的频率信道上分别接收和发送。FDD必须采用成对的频率区分上行、下行链路，上、下行频率间须有保护频段。 FDD的上、下行在时间上是连续的，可以同时接收和发送数据。
　　TDD的关键词是“共同的频率、不同的时间”。TDD的接收和发送是使用同一频率的不同时隙来区分上、下行信道，在时间上是不连续的。一个时间段由移动台发送给基站（UL），另一个时间段由基站发送给移动台（DL）。因此，基站和移动台之间对时间同步的要求是比较苛刻的。
　　FDD和TDD的上、下行复用原理如图所示：
　　
　　
　　TDD和FDD优缺点对比如表所示：