基于TD—LTE的OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

任君玉

【摘要】 OFDM是LTE的最核心的技術(shù)，OFDM在有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)很好的解決了ISI問題，通過引入CP很好的解決了ICI問題。文章對(duì)OFDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了仿真，對(duì)比了不同CP長度時(shí)的系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵詞】 LTE OFDM ISI 循環(huán)前綴 ICI

隨著“移動(dòng)通信寬帶化”的發(fā)展趨勢(shì)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量及業(yè)務(wù)正在以迅猛的勢(shì)頭增長，人們對(duì)于移動(dòng)通信高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笕找嬖鲩L，而頻率資源有限，移動(dòng)通信不得不斷尋求新的技術(shù)，獲得高的數(shù)據(jù)率及達(dá)到更高的帶寬效率及容量。LTE作為3G的長期演進(jìn)，由于采用了核心的OFDM配合MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到了20M下行鏈路上lOOMbps的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率，頻譜利用率最高達(dá)到了5b/Hz，OFDM對(duì)于LTE起到了舉足輕重的作用。

一、OFDM致力于解決帶寬需求及帶寬效率

OFDM與FDM都屬于多載波傳輸技術(shù)，采用多載波傳輸?shù)闹饕繕?biāo)就是解決帶寬效率問題。

由香農(nóng)公式，C=Blog₂（1+S/N），如果帶寬一定，假設(shè)需要提高通信容量C至10倍，則由公式后面的對(duì)數(shù)關(guān)系得到S/N需要提高約1000倍，即在系統(tǒng)噪聲不變的情況下，需要提高發(fā)射信號(hào)功率到原先的1000倍。加大發(fā)射功率，除了會(huì)增加移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功耗，降低待機(jī)時(shí)間，妨礙應(yīng)用，還會(huì)帶來手機(jī)體積的增大，不滿足移動(dòng)便攜性的要求；另外，過高的發(fā)射功率在電磁波的2G時(shí)代的低頻段對(duì)人體不會(huì)有太大影響，但是如果像如今的3G、3.9G、4G，以至Wi-Fi，WiMAX，在微波這樣的高頻段的大的發(fā)射功率會(huì)對(duì)人體造成傷害，所以，這也是為什么在這些頻段的通信都被嚴(yán)格限制發(fā)射功率的原因。

因此，如何有效的解決目前頻譜資源的有限與日益增長的高數(shù)據(jù)率的矛盾，必須采用其他的辦法，由上述香農(nóng)公式，如果保持發(fā)射功率，即S/N不變，提高B，也可以獲得C的提高。OFDM就是采用了這種思路，通過采用更高的帶寬，設(shè)定為最高20M，是WCDMA帶寬SM的4倍，思路是很簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來并非如此簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谝苿?dòng)通信中，存在由于多徑傳播帶來的ISI（碼間干擾）問題，表現(xiàn)為當(dāng)信號(hào)的帶寬大于信道的相關(guān)帶寬時(shí)，將產(chǎn)生脈沖波形的重疊即ISI，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的誤碼率，因此OFDM在采用了更高帶寬的同時(shí)，通過將整個(gè)系統(tǒng)帶寬進(jìn)行分割到若干個(gè)子信道，將高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換變?yōu)槿舾傻退俚淖訑?shù)據(jù)流，然后在每一路子信道將其調(diào)制到各路子載波上去傳輸。通過這樣的方法即解決了高速數(shù)據(jù)率的需求，又很好的解決了ISI，通過設(shè)定保護(hù)時(shí)間間隔GI去確保無ISI的同時(shí)，又通過在GI時(shí)間內(nèi)發(fā)送循環(huán)前綴CP，解決了子載波間的干擾ICI。

OFDM具體實(shí)現(xiàn)時(shí)的關(guān)鍵模塊就是IDFT的IFFT算法，通過快速的基2運(yùn)算，相當(dāng)于快速的產(chǎn)生各路正交子載波，所以O(shè)FDM技術(shù)在移動(dòng)通信中的成功應(yīng)用得益于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展。

實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，OFDM核心模塊需要配合信道糾錯(cuò)碼及交織技術(shù)以獲得系統(tǒng)性能的提高，另外在頻譜效率要求更高時(shí)往往采用更高階的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，進(jìn)行符號(hào)映射，以使每個(gè)符號(hào)攜帶更多的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)，比如在LTE中最高用到了64QAM的高階調(diào)制技術(shù)，當(dāng)然OFDM中每一路載波可以靈活的采用不同的調(diào)制技術(shù)，這個(gè)需要系統(tǒng)在效率與誤碼率之問進(jìn)行折中。而且OFDM非常適合不對(duì)稱業(yè)務(wù)的通信，可以通過子載波數(shù)目的靈活分配進(jìn)行適配不同業(yè)務(wù)的要求。

根據(jù)以上所述，得到OFDM的系統(tǒng)原理框圖1。

二、MATLAB中OFDM主要模塊的實(shí)現(xiàn)方法

（1）輸入數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

通過使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)，每次產(chǎn)生的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)=子載波數(shù)×每個(gè)子載波含符號(hào)數(shù)×每個(gè)符號(hào)含的比特?cái)?shù)。

（2）信道編碼及交織

在LTE中一般采用卷積碼或Turbo碼作為糾錯(cuò)編碼，配合交織技術(shù)，可以較好的解決部分子信道可能存在的衰落問題，提高系統(tǒng)整體性能。

（3）數(shù)字調(diào)制

在圖1中，系統(tǒng)設(shè)定各個(gè)正交子載波采用統(tǒng)一的調(diào)制方式。如前所述，若各個(gè)子載波為了適應(yīng)不同的信道要求，可以設(shè)置不同的調(diào)制方式，此時(shí)，數(shù)字調(diào)制模塊應(yīng)放在串并變換模塊之后，在LTE中可以選擇QPSK、16QAM、64QAM，本仿真基于16QAM調(diào)制。

（4）串并轉(zhuǎn)換

高速串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)成低速的并行數(shù)據(jù)流傳輸。在Matlab中通過向量轉(zhuǎn)置實(shí)現(xiàn)此功能。

（5） IFFT

IDFT的快速算法，通過對(duì)N路載波同時(shí)進(jìn)行N點(diǎn)采樣和對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間合并運(yùn)算，輸出N點(diǎn)數(shù)據(jù)塊。

（6）循環(huán)前綴

循環(huán)前綴CP所占時(shí)間正好是保護(hù)間隔時(shí)間CI，GI的設(shè)置是為了最大限度的消除ISI，而如果在GI時(shí)間內(nèi)發(fā)送空信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)子載波干擾ICI。CP具體是將每個(gè)OFDM符號(hào)的后一段時(shí)間內(nèi)的值復(fù)制平移到OFDM信號(hào)前形成前綴，此模塊對(duì)于OFDM性能非常重要，這在Matlab中很容易通過程序?qū)崿F(xiàn)，因此本仿真主要基于不同CP長度下的系統(tǒng)性能的仿真。

三、仿真結(jié)果

圖2（a）、（a）、（a）分別為時(shí)延擴(kuò)展<保護(hù)間隔，時(shí)延擴(kuò)展超過保護(hù)間隔的長度為FFT積分時(shí)問的3%，時(shí)延擴(kuò)展超過保護(hù)間隔的長度為FFT積分時(shí)間的10%時(shí)得到的16QAM星座圖。可見，保護(hù)間隔的合理設(shè)置對(duì)于通信誤碼率的重要性，可以看出要使系統(tǒng)誤碼率最低，必須滿足條件時(shí)延擴(kuò)展<保護(hù)間隔（即CP時(shí)間長度）。

四、結(jié)論

OFDM作為LTE的核心技術(shù)，發(fā)揮著非常重要的作用，文章分析了OFDM在LTE的作用，對(duì)OFDM各個(gè)模塊進(jìn)行了分析，著重仿真對(duì)比了不同CP長度時(shí)的系統(tǒng)性能。