1、 西西 安安 郵郵 電電 學學 院院 畢畢 業業 設設 計（論計（論 文）文） 題 目： ofdm 及載波聚合的設計與實現 院 （系）： 通信與信息工程學院 專 業： 通信工程 班 級： 通工 0714 班 學生姓名： 任明明 導師姓名： 姜靜 職稱： 高級工程師 起止時間： 2011 年 1 月 3 日至 2011 年 6 月 10 日 西西 安安 郵郵 電電 學學 院院 畢業設計畢業設計( (論文論文) )任務書任務書 學生姓名學生姓名任明明任明明指導教師指導教師姜靜姜靜職稱職稱高工高工 院院(系系) 通信與信息工程學院通信與信息工程學院專業專業通信工程通信工程 題目題目ofdm 及載波聚

2、合的設計與實現及載波聚合的設計與實現 任務與要求任務與要求 1. 調研 3g 移動通信 ofdm 的應用現狀。 2. 學習無線信道的衰落特性，編寫瑞利信道。 3. 學習 ofdm 的基本原理，仿真 ofdm 的性能增益。 4. 調研分析 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析及必要性。 5. 設計 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合的方案。 6. 對 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合方案進行仿真驗證。 開始日期開始日期2011 年年 1 月月 3 日日完成日期完成日期2011 年年 6 月月 10 日日 院院 長長(簽字簽字)2011年年 1月月 7日日 西西 安安 郵郵 電電 學學 院院

3、畢畢 業業 設設 計計 ( (論文論文) ) 工工 作作 計計 劃劃 2011 年年 1 月月 3 日日 學生姓名學生姓名_ _任明明任明明_ _指導教師指導教師_姜靜姜靜 職稱職稱 高級工程師高級工程師 院（系）院（系） 通信與信息工程學院通信與信息工程學院_ _ 專業專業 通信工程通信工程 題目題目 ofdmofdm 及載波聚合的設計與實現及載波聚合的設計與實現 _ 工作進程工作進程 1 月 3 日至 3 月 1 日 了解 ofdm 的算法原理和實際應用,了解 4g 移動通信 系統寬帶傳輸的需求和基本解決方案。 統系統的關鍵技術及波束形成相關知識。 3 月 2 日至 3 月 22 日 學習

4、無線信道的傳播特性,掌握相干時間，相干 帶寬等概念，用 matlab 工具編寫瑞利衰落信道。 利衰落信道。 3 月 23 日至 4 月 23 日 學習 ofdm 算法，了解 ofdm 和 mimo 結合的性能 優勢,并用 matlab 程序仿真 ofdm 算法的性能。 4 月 24 日至 5 月 10 日 設計支持 100mhz 傳輸帶寬下的載波聚合方案， 仿真其性能增益。 3 月 2 日至 5 月 15 日 撰寫論文，完成論文初稿。 5 月 15 日至 5 月 30 日 完善并修改畢業論文。 6 月 1 日至 6 月 10 日 準備答辯。 起 止 時 間 工 作 內 容 主要參考書目(資料)

5、 1. 楊大成，移動傳播環境-理論基礎、分析方法和建模技術m.北京:機械工業出版社. 2003.8. 2. 周恩，張光，呂召彪.下一代寬帶無線通信 ofdm 與 mimo 技術m.北京:人民郵電出社. 2008.5. 3. 王文博，鄭侃. 寬帶無線通信 ofdm 技術m.北京:人民郵電出社. 2003.11. 4cheong yui wong,etc. multiuser ofdm with adaptive subcarrier, bit, and power allocationj. ieee journal on selected areas in communications, oct

6、 1999.17(10): 17471758. 一臺計算機 每周指導一次，主要解答學生問題，指導研究進度，并檢查閱讀資料筆記和仿真程序。 本計劃為開題之初所定，后續會根據具體情況隨時調整，最終一定按畢業設計規定結束 日期完成。 主要儀器設備及材料 論文(設計)過程中教師的指導安排 對計劃的說明 西安郵電學院 畢業設計(論文)開題報告 通信與信息工程學院 院（系） 通信工程 專業 07 級 14 班 課題名稱： ofdm 及載波聚合的設計與實現 學生姓名： 任明明 學號：03071515 指導教師： 姜靜 報告日期： 2011 年 2 月 28 日 1本課題所涉及的問題及應用現狀綜述 本課題所涉

7、及的問題：本課題所涉及的問題： 1. 了解 ofdm 的原理和當前實際應用以及 3g 移動通信 ofdm 的應用現狀； 2. 了解無線信道的衰落特性，掌握相干時間，相干帶寬等概念； 3. ofdm 和 mimo 結合的性能優勢，設計支持大帶寬傳輸所需的載波聚合技術,設計基于 ofdm 的載波聚合方案.。 應用現狀綜述：應用現狀綜述： ofdm(orthogonal frequency division multiplexing)即正交頻分復用技術，實際上 ofdm 是 mcm multi-carrier modulation，多載波調制的一種。在向 b3g/4g 演進的過程中， ofdm 是關

8、鍵的技術之一，可以結合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線 技術，最大限度的提高了系統性能。 2004 年 11 月，根據眾多移動通信運營商、制造商和研究機構的要求，3gpp 通過被稱為 long term evolution(lte)即“3g 長期演進”的立項工作。項目以制定 3g 演進型系統技術 規范作為目標。3gpp 經過激烈的討論和艱苦的融合，終于在 2005 年 12 月選定了 lte 的基 本傳輸技術，即下行 ofdm，上行 sc。ofdm 由于技術的成熟性，被選用為下行標準很快就達 成了共識。而上行技術的選擇上，由于 ofdm 的高峰均比(papr)使得一些設備商認為

9、會增加 終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法 限制峰均比。b3g/4g 的目標是在高速移動環境下支持高達 100mb/s 的下行數據傳輸速率， 在室內和靜止環境下支持高達 1gb/s 的下行數據傳輸速率。2010 年全球首個 td-lte-a 的規 模實驗網將在上海世博會向媒體開放。4g 是基于 ofdm 加 mimo 的技術組合，但整體結構不 一樣，基于 ofdm 和 mimo 的有兩套標準，一個是 ieee802-16m，一個是 lte-advanced,而 ofdm 技術是關鍵核心技術之一。 2本課題需要重點研究的關鍵問題、解決的思路及實現預期

10、目標的可行 性分析 關鍵問題：關鍵問題： 1.對 4g 移動通信系統寬帶傳輸的需求和基本解決方案。 2. 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析和方案設計,如何將若干個連續或者不連續的 20mhz 帶寬聚合為 100mhz 的大帶寬,對其 papr，傳輸性能進行仿真，設計 papr 低，性能良好的 載波聚合技術。 解決思路：解決思路： 1. 了解目前 ofdm 應用現狀，以便更好的對 ofdm 技術進行認識利用。 2. 學習無線信道的傳播特性,掌握相干時間，相干帶寬等概念，用 matlab 工具編寫瑞利衰 落信道。 3.學習 ofdm 算法，了解 ofdm 和 mimo 結合的性能優勢,并

11、用 matlab 程序仿真 ofdm 算法的 性能。 4.調研分析 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析及必要性。 5.設計 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合的方案。 實現預期目標的可行性：實現預期目標的可行性： 1. 熟悉 ofdm 的原理，可以掌握 ofdm 技術的作用，提出建設規劃并實現。 2. 學習無線信道的衰落特性，掌握相干時間，相干帶寬等概念，用 matlab 工具編寫瑞利衰 落信道。 3. 提升自己獨立的自學能力，應用相關知識進行研究學習。 4.培養了獨立開展研究的能力，掌握了科研的基礎方法，能對 ofdm 及載波聚合 的設計研究有一個科學的論證。 3完成本課題的工作方案

12、1.調研 3g 移動通信 ofdm 的應用現狀，學習 ofdm 算法原理。 2.了解 4g 移動通信系統寬帶傳輸的需求和基本解決方案。 3.學習無線信道的衰落特性，編寫瑞利信道，學習 ofdm 的基本原理，仿真 ofdm 的性能增益。 4.調研分析 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合的需求分析及必要性。 5.然后用一個月的時間進行設計 100mhz 傳輸帶寬時載波聚合的方案研究，最終對 ofdm 及載 波聚合的設計做出合理的分析。 6.撰寫論文，完成論文初稿；最后完善并修改畢業論文。 4指導教師審閱意見 論文對選題的發展背景、研究現狀和發展趨勢做了基本介紹；研究的基本內容以任務書為依 據、研究的

13、主要問題和方向明確；研究方法可行，其研究工作的步驟、進度安排合理，同意開題。 指導教師指導教師(簽字)： 2011 年 3 月 4 日 西西安安郵郵電電學學院院畢畢業業設設計計 ( (論論文文) )成成績績評評定定表表 學生姓名 任明明 性別女學號03071515 專 業 班 級 通工 0714 班 課題名稱 ofdm 及載波聚合的設計與實現 課題 類型 軟件工 程類 難 度 一 般 畢業設計 （論文）時 間 2011 年年1 月月3 日日6 月月10 日日 指導教師 姜靜 (職稱 高工 ) 課題任務 完成情況 論文 (千字)； 設計、計算說明書 (千字)； 圖紙 (張)； 其它 (含附件 )

14、： 指導教師意見 分項得分：開題調研論證 分； 課題質量（論文內容） 分； 創新 分； 論文撰寫（規范） 分； 學習態度 分； 外文翻譯 分 指導教師審閱成績：指導教師(簽字)： 2011年 月 日 評 閱 教 師 意 見 分項得分：選題 分； 開題調研論證 分； 課題質量（論文內容） 分； 創新 分； 論文撰寫（規范） 分； 外文翻譯 分 評閱成績： 評閱教師(簽字)： 2011 年 月 日 驗 收 小 組 意 見 分項得分：準備情況 分； 畢業設計（論文）質量 分； （操作）回答問題 分 驗收成績：驗收教師(組長)(簽字)： 2011 年 月 日 答 辯 小 組 意 見 分項得分：準備情況

15、 分； 陳述情況 分； 回答問題 分； 儀表 分 答辯成績： 答辯小組組長(簽字)： 2011 年 月 日 成績計算方法 (填寫本系實用比例) 指導教師成績指導教師成績 20 () 評閱成績評閱成績 30 () 驗收成績驗收成績 30 () 答辯成績答辯成績 20 () 學生實得成績(百分制) 指導教師成績指導教師成績 評閱成績評閱成績 驗收成績驗收成績 答辯成績答辯成績 總評總評 答 辯 委 員 會 意 見 畢業論文(設計)總評成績(等級)： 院(系)答辯委員會主任(簽字)： 院(系) (簽章) 2011 年 月 日 備 注 西安郵電學院畢業論文(設計)成績評定表(續表) 目錄目錄 摘要摘要

16、 -i abstract-ii 引言引言-1 1緒論緒論 -2 1.1移動通信的發展 -2 1.2載波聚合及其研究進展 -3 1.3本章小結 -3 2無線信道無線信道 -4 2.1無線信道的衰落特性 -4 2.2陰影衰落 -4 2.3多徑衰落 -5 2.4正弦波疊加法仿真瑞利信道模型 -5 2.5瑞利信道仿真 -7 2.6本章小結 -8 3ofdm 基本原理基本原理 -9 3.1ofdm 技術概述 -9 3.1.1ofdm系統基本原理-9 3.1.2循環間隔與保護前綴-10 3.2ofdm 的參數選擇-11 3.3ofdm 系統中的關鍵技術-12 3.4ofdm 技術的優點-13 3.5ofd

17、m 系統性能仿真-14 3.6本章小結 -16 4載波聚合技術載波聚合技術-17 4.1載波聚合技術概述 -17 4.1.1載波聚合技術的原理-17 4.1.2lte-advanced 中的載波聚合-17 4.1.3載波聚合的分類-18 4.2關于載波聚合技術應用現狀及實現方案 -20 4.2.1載波聚合技術的研究現狀-20 4.2.2載波聚合的方案-21 4.2.3關于方案a方案b的比較-23 4.2.4載波聚合方案的性能評估-24 4.2.5關于載波聚合方案的性能仿真-25 4.2.6大帶寬下同步信道和廣播信道的結構-27 4.3本章小結 -28 5結論結論-29 致謝致謝 -30 參考文

18、獻參考文獻 -31 附錄附錄 -32 摘要摘要 目前，隨著移動通信對高速寬帶的要求日益增強，多媒體、互聯網等業務的發 展對于數據的無線傳輸提出了更高的要求。在提高頻譜利用率的同時，我們需要在 越來越有限的頻率資源中為系統提供更大的頻帶寬度，以達到高速的數據傳輸速率。 為了支持大帶寬傳輸，lte-advanced 系統引入了載波聚合技術來增加單個用戶 的傳輸帶寬。本文介紹了載波聚合技術的相關原理，通過載波聚合技術的應用來增 加信號的傳輸帶寬，從而大幅度提高 lte-advanced 終端的峰值速率。進一步闡述 載波聚合技術應用背景和現狀，總結并比較了目前階段的主流技術方案，保證在以 盡量少地修改

19、 lte release 8 協議，并且對 lte 終端能夠具有良好兼容性的條件下， 在基于物理層關鍵技術 ofdm 技術的基礎上，評估了當前兩種連續頻譜聚合方案的 性能。仿真證明：對于有無保護頻帶對載波聚合的性能影響甚微。 關鍵詞：ofdm，載波聚合，連續頻譜分配 abstract now, the mobile communication development has created an increasing demand for high data rate and large band. so some services, such as the multimedia and in

20、ternet, has required a higher transmission speed. in this case ,to achieve the aim, it is needed not only to heighten spectrum efficiency but also to expand the bandwidth in the limited frequency resources. in order to support high bandwidth transmission, lte-advanced systems into the carrier polyme

21、r technology to increase the bandwidth of individual users. this paper describes the relevant principles of the carrier polymer technology, polymer technology through the carrier to increase the signal bandwidth to dramatically improve lte- advanced terminal peak rate. polymer carrier technology to

22、further elaborate the background and current status, summarizes and compares the current phase of mainstream technology, and ensure that as little as possible in order to modify the lte release 8 protocols, and the end of the lte conditions that have good compatibility, in the physical layer-based k

23、ey technologies based on ofdm technology, assessment of the current program of the two aggregate performance of continuous spectrum. simulation results show: with or without guard band for the performance of the carrier polymer have little effect. keywords: ofdm; carrier aggregation ; continuous spe

24、ctrum allocation 引言 ofdm 技術抗衰落性能好，且具有頻譜利用率高、系統實現簡單以及子載波調 度靈活等優點。針對在大傳輸帶寬下使用 ofdm 技術，就要引入本文介紹的載波聚 合技術。載波聚合技術作為提高 lte-advanced 系統頻譜利用率的關鍵技術之一， 重點需要對控制信道的格式和多載波調度的方式進行考慮，研究載波聚合技術的發 展是非常重要的。 目前，對于載波聚合技術的實現方案有連續頻帶聚合、離散頻帶聚合、對稱載 波聚合和不對稱載波聚合等方式。相對于離散頻帶聚合，連續頻帶聚合實現較為容 易，信令開銷小，ue 需要檢測的頻點也少，因此本文重點對載波聚合的連續頻帶聚 合進

25、行闡述。 本文參考的是 ntt docomo 公司的對于連續頻帶聚合 r1-083015 方案。在詳 細闡述兩種連續頻帶聚合方案后，對于兩種方案實現中的性能進行了評估分析，并 通過仿真展示了兩種方案各自的特點。第一種方案只有中心頻段位于 100khz 的整 數倍位置，也就意味著只有中心載波段能夠接收 lte release 8 的用戶終端；而第 二種方案則是每一個載波段均能夠處于 100khz 的整數倍上，即每一個載波段均能 接收 lte release 8 的用戶終端。通過仿真證明有無保護頻帶對于信息傳輸的可靠 性影響不大。 1緒論緒論 進入 21 世紀以來，移動通信技術以前所未有的速度向前

26、發展著。伴隨著用戶對 各種實時多媒體業務需求的增加和網絡技術的迅猛發展，我們可以預計，未來的移 動通信技術將會具有更高的信息傳輸速率，為用戶提供更大的便利，而其網絡結構 也將發生根本的變化。 1.1 移動通信的發展移動通信的發展 移動通信是指通信雙方或至少一方處于運動中的進行信息交換的通信方式，使 得用戶可以在任何時間和地點、快速而可靠地進行多種信息交換。它在無線通信開 放式傳輸的基礎之上，引入了用戶的動態性。目前，伴隨著用戶對于業務的需求， 移動通信已經不再僅僅滿足于當前主要的語音業務，一些如數據，圖像等的非語音 業務，同樣也被納入了其服務范圍。因此，我們不難從移動通信發展的歷程中看出， 移

27、動通信的各種特點以及業務需求，給它帶來了巨大的挑戰。 第一代移動通信 (1g) 在 20 世紀 70 年代末開始進入商用化，它的特征是模擬 蜂窩通信，無線系統的接入使用 fdma (frequency division multiple access)方式來 實現。由于早期的大區制的蜂窩通信系統很快達到飽和，無法滿足要求。因此，小 區制蜂窩式的系統設計和頻率規劃實現了載頻復用，達到了擴大覆蓋范圍和系統容 量的要求。這個階段，使用的最為廣泛的是美國的 amps (advanced mobile phone system)和歐洲的 tacs（total access communication s

28、ystem ） ，另外也有北歐的 nmt-450 以及日本的 hcmts 等。 而第二代移動通信(2g)是在 20 世紀 90 年代開始走向商用的，它具備了很多數 字通信系統的優點，比如它具有更大的系統容量，具有更高質量的服務等。這個階 段具有代表性的系統有很多，例如歐洲的 gsm（global system for mobile communications）和美國的 is-95 等。它采用 tdma(gsm)和 cdma(is-95)方式對 用戶進行動態尋址，其主要業務為語音服務，雙工模式則為頻分雙工(fdd)。 因為通信技術的不斷發展，2g 系統也漸漸的不再能夠滿足需求。于是開始 出現了

29、一些過渡的中間技術，如通用分組無線業務 gprs，新一代的移動通信系統 日趨成為熱點。目前，第三代移動通信(3g)系統剛開始進入商用，使用以 cdma 為主流的接入技術。 最近，第三代移動通信合作計劃(the 3rd generation partnership project， 3gpp)啟動了 3gpp lte (long term evolution，長期演進)項目，以及 lte- advanced。現階段，lte 的物理層關鍵技術使用的是 ofdm (orthogonal frequency division multiplexing) 技術，因此研究 ofdm 技術在下一代移動通信系

30、統演進中 的相關問題是非常必要的。 1.2 載波聚合及其研究進展載波聚合及其研究進展 載波聚合技術是將多個 lte 載波擴展成 lte- a 系統的傳輸載波。lte 系統的 ue 和 lte- a 系統的 ue 均可以使用“lte 載波單元”來進行通信。目前，很多公 司在廣泛的討論和分析載波聚合技術的可行性方案，比如 docomo、ericsson、huawei 等。 lte-a 系統潛在應用頻段包括 450mhz470mhz、698mhz862mhz、790mhz862mhz、2.3ghz2.4ghz、3. 4ghz3.6ghz。所以，載波聚合技術要求要可以在多個頻點上跨頻帶進行聚合。因 此

31、我們發現，lte- a 系統大量頻段集中在 3.4ghz 以上的較高頻段，可能是 1 個多 頻段層疊無線接入系統。而我們知道空中接口技術的框架就是由非連續頻譜分布、 大帶寬和靈活頻譜的使用決定的。 除此之外，應用于城域網(wan，wide area network)的標準是 ieee 802.16 標 準，其工作組提出了 802.16m 標準，它的兩個主要目標是：一，滿足 imt- advanced 要求，向國際電信聯盟提交 4g 技術；二，對目前存在的 802.16e 進行兼 容，滿足 ngmn(下一代移動網絡)的要求。就滿足 imt-advanced 需求和兼容性這兩 個方面來考慮，802

32、.16m 不但要提高目前的頻譜利用率，同時也要利用載波聚合技 術擴大帶寬，提高系統的傳輸速率和吞吐量。 因此，lte-advanced 與 ieee 802.16m 標準均要用到載波聚合技術進行擴展系 統帶寬，本文在此背景下，基于物理層關鍵技術 ofdm，對當前主流的載波聚合技 術方案進行闡述。 1.3 本章小結本章小結 本文一共分為五章，第一章是緒論，簡單介紹了目前位置的移動通信發展過程 以及關于載波聚合技術的研究進展。第二章介紹了關于無線信道的相關內容，包括 衰落特性以及衰落類型，重點在于瑞利信道的衰落仿真。第三章介紹了 ofdm 系統的 相關原理，為后文進一步介紹載波聚合技術基礎鋪墊。第

33、四章則系統介紹了載波聚 合技術的相關原理和目前關于該技術的主流方案，并對方案進行了性能評估。第五 章則為全文總結。 2無線信道無線信道 2.1 無線信道的衰落特性無線信道的衰落特性 無線移動信道是一種時變的衰落信道，它主要存在兩種衰落，即大尺度 （large-scale）衰落與小尺度（small-scale）衰落。而在實際的無線信道中，我們 可以將衰落因子如下表示為： (2-1) ( )( )( )ttt 上式(2-1)中， 表示的是信道的衰落因子，而則表示大尺度衰落，它( ) t( ) t 代表了接收信號的均值在一定時間內隨傳播距離和環境的變化而出現的緩慢變化， 則表示小尺度衰落，它代表了接

34、收信號在短時間（距離）內的快速變化。( ) t 我們知道，引起大尺度衰落的主要原因是由自由空間的路徑損耗，于是，我們 也可以稱大尺度衰落為自由空間的路徑衰落。當自由空間有障礙物時，由于障礙物 對電波遮蔽而引起的衰落，我們就稱為陰影衰落。而由于同一傳輸信號沿兩個或多 個路徑傳播是所引起的衰落，我們稱其為小尺度衰落，由于它是由微小的時間差到 達接收機的信號相互干擾所引起的，因此我們又稱小尺度衰落為多徑衰落。 2.2 陰影衰落陰影衰落 由于傳播的過程中電磁波在會受到樹林和聳立的建筑物等障礙物的阻擋，于是 在這些障礙物背面電磁場會產生陰影，那么當移動臺通過不同障礙物的陰影區時， 場強中值的變化則會引起

35、接收信號產生衰落，也就是陰影衰落。它反映了接收信號 平均值在中等范圍內的變化趨勢，從統計規律上看其特性，它服從對數正態分布， 變化率比數據傳輸率來的慢，因此又可以稱為慢衰落。 (2-2) 0 0 ,+log d t ddbt ddbn d 式(2-2)表示任意的傳播距離，平均大尺度路徑的損耗，但并未考慮在相同傳播 距離下，不同位置的周圍環境不同產生的影響。經過測試，任意 d 值，特定位置的 實際路徑損耗服從正態分布，即： (2-3)0 0 ( , )( ,) 10 log d t d dbt ddbnxt d 在上式中，為均值為零、標準差為的高斯分布隨機變量，其單位使用xt db，也就是為不同

36、位置的陰影衰落所引起的損耗。 2.3 多徑衰落多徑衰落 通常情況下，在移動無線傳播環境中始終都存在著直射、反射、散射，衍射， 因此接收信號往往并不是從單一路徑來的，而是由多條路徑信號組合而成。又由于 各個路徑上的信號的幅度、相位以及時延都在隨時隨地的發生著變化，因此由這些 不同路徑信號疊加來的接收信號的幅度會急劇變化，也就是我們通常所說的衰落， 這種衰落我們稱為多徑衰落。 多徑傳播往往會對信號的傳輸會產生極大的影響，比如時延擴展、角度擴展和 頻率擴展等等。其中，多徑衰落效應的一個最重要的體現是時延擴展，各個路徑的 信號由于傳播路徑有所不同，從而具有不同的時間延遲，這樣就使得接收信號的能 量在時

37、間上被展寬，也就是前面所說的時延擴展。通常，最大時延擴展指的是第一 條路徑信號與最后一條路徑信號之間的時間差。相干帶寬是另一個與時延擴展有關 的重要概念。如果將相干帶寬定義為頻率相關函數大于 0.9 的某特定帶寬，那么相 干帶寬近似為： (2-4) 1 50 cb 上式(2-4）中表示信道的均方根時延擴展，它是多徑信號功率延遲分布的二 階矩的平方根。在實際中為了簡便，我們通常定義信道的相干帶寬為最大多徑時延 的倒數。如果相干帶寬小于發送信號的帶寬，那么信號將經歷頻率選擇性衰落，信 號中各頻率分量遭受不一致的衰落，所以得到的衰落信號的波形會產生失真，相反， 如果相干帶寬大于信號帶寬，信號會經歷平

38、坦型衰落，也就是說此時信號中各頻率 分量所遭受的衰落均是一致的，這是產生的衰落信號的波形不會失真。 2.4 正弦波疊加法仿真瑞利信道模型正弦波疊加法仿真瑞利信道模型 移動無線信道中，平坦衰落信號或者獨立多徑接收信號的包絡分布通常用瑞利 模型(rayleigh)來進行描述。在典型的陸地移動無線信道中，我們假設直射波被阻斷， 并且移動單元只能接收到反射波。那么根據中心極限定理，我們知道，當反射波較 大時，接收信號的兩個正交分量是均值為零、方差為的互不相關高斯隨機過程。 2 所以，任意時刻的接收信號包絡服從瑞利概率分，相位服從 的均勻分布。(, ) 利用正弦波疊加法（sos）仿真平坦衰落信道，采用精

39、確多普勒擴展法(meds)。 精確多普勒擴展法的出發點是 (2-5) 2 0 0 2 ( )cos(sin)jzzd 所以 (2-6) 0 1 2 ( )limcos(sin) i i n n n jzz 上式中 。由于經典功率譜的自相關函數為(21)/ 4,/() nii nnn (2-7) 2 0 ( )(2) iim jf 因此式子代入可得 (2-8) 2 max 1 1 ( )limcos2sin() 22 i i n ii n n ii fn nn 因為對于有限個振蕩器合成的隨即過程來說，當時，( ) i t i n , 于是( )( ) i ii i (2-9) 2 max 1 1

40、 ( )limcos2sin() 22 i i n ii n n ii fn nn 如果隨即過程具有關于自相關函數的各態歷經性，那么。( ) i t ( )( ) i ii i 于是又有 (2-10) 2 max 1 1 ( )cos2sin() 22 i n ii n ii fn nn 所以，我們便可以得出多普勒系數與多普勒頻移離散多普勒頻移 , i n c , i n f n=1,2,3. (2-11) , 2/ i ni cn i n n=1,2,3. (2-12) ,maxsin (1/ 2) 2 i n i ffn n i n 經過上述，我們可以看出，精確多普勒頻移的離散多普勒頻移與

41、等面積法的 , i n f 離散多普勒頻移是很近似的，我們只需要將前者的用代替即可。而的最1/ 2nn , i n f 大公約數近似等于零，因此周期為無窮，所以，確定過程 ,1 gcd i n i nn ff 1/ i tf 是非周期的。同樣為了保證和的不相關性，還可以選擇。( ) i t 1( ) t 2( ) t 21 1nn 2.5 瑞利信道仿真瑞利信道仿真 仿真參數： 表 2-1 瑞利信道仿真參數設置 t，仿真持續時間1 t_interval,抽樣間隔0.00001 fmax,最大多普勒頻移10000 確定型高斯過程平均功率1 高斯過程正弦振蕩器數目 n1,n2均為 64 仿真流程圖：

42、 圖 2-1 瑞利信道仿真流程圖 設置基本仿真參數（采樣點數， 最大多普勒頻移等） 調用parameter_classical函數，確定兩組參數：離散多普 勒頻移、多普勒系數、多普勒相移 調用gauss_generator函數，利用前面產生的兩組多普勒頻 移、多普勒系數及多普勒相移參數產生兩個確定的實高斯 過程。 利用兩個實高斯過程產生一個瑞利過程。 對產生的瑞利過程取模值，統計其概率密 度函數，并畫出仿真圖。 結束 00.511.522.53 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 函 函 函 函 函 函 仿真結果： 經過 matlab 反正函數仿真得出下

43、圖: 圖 2-2 瑞利信道仿真結果圖 仿真結果分析： 上圖為正弦波疊加法產生的仿真瑞利信道的幅度概率密度函數圖，其中，離散 多普勒頻移，多普勒系數采用精確多普勒擴展法計算所得，當信道采樣點達到 100000 點時，我們可以看出，仿真曲線近乎平滑，與標準瑞利分布幾乎重合。 2.6 本章小結本章小結 本章節系統介紹了無線信道的基本概念，包括其衰落特性，典型衰落等問題。 重點在對于瑞利衰落的正弦波疊加法的仿真，并作為后面章節的信道模型。 3ofdm 基本原理基本原理 3.1ofdm 技術概述技術概述 3.1.1ofdm 系統基本原理系統基本原理 ofdm (orthogonal frequency

44、division multiplexing，正交頻分復用)是一種多載 波調制方式，它的基本原理是將高速數據信號通過串并轉換，調制到傳輸速率比較 低的若干個子信道上進行傳輸。因為信道的相干帶寬大于每一個子信道的信號帶寬， 所以，我們可以將每個子信道都看成平坦性衰落，這樣也就可以消除符號間干擾(isi)。 通常情況下，我們也可以選擇在 ofdm 符號之間加入保護間隔，只要保證無線信道 的最大時延擴展小于保護間隔，也就可以最大限度地消除符號間干擾。一般情況下， 我們采用循環前綴(cp)作為保護間隔，這樣可以避免由多徑帶來的信道間干擾(ici)。 除此之外，因為 ofdm 系統中各個子信道是相互正交的

45、，不僅避免了子載波之間的 相互干擾，而且由于它們的頻譜都相互重疊，因此，ofdm 系統大大提高了頻譜的 利用率。 每一個 ofdm 符號都是多個經過調制的子載波信號之和，其中每個子載波的調 制方式都可以選擇相移鍵控（psk）或正交幅度調制（qam） 。如果我們用 n 來表 示子信道的個數，t 表示 ofdm 符號的寬度，(i=0，1，n-1)則是分配給每個 i d 子信道的數據符號，是表示載波頻率，那么，從 t=開始的 ofdm 符號可以用下 c f s t 式表示： (3-1) /2 1 /2 /2 0.5 ( )reexp 2 ()(), n i ncsss in i s tdjftttt

46、tt t 通常在很多文獻中，我們常常會采用以下的等效基帶信號來對 ofdm 的輸出 信號進行描述： （3-2） /2 1 /2 /2 ( )exp 2(), n i nsss in i s tdjtttttt t 上式（3-1）中，實部和虛部分別對應于 ofdm 符號的同相分量和正交分量， 而在實際中，可以分別與相應子載波的余弦分量和正弦分量相乘，構成最終的子信 道信號和合成的 ofdm 符號。圖 3-1 描繪除了 ofdm 系統的基本模型框圖。 串 / 并 x0 乘法器 ejw0t 加 法 器 x(t) 信道 乘法器 e-jw0t 積分器 x0 并 / 串 . . . xn-1 乘法器 .

47、. . 乘法器 積分 器 xn-1 e-jtwn-1 e-jtwn-1 圖 3-1 ofdm 系統基本模型框圖 觀察式（3-2） ，可以看出其計算和傅里葉反變換的公式類似，因此 ofdm 系統 在實際應用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里葉變換（fft/ifft）來實現解調 和調制，而不需要將信號分別進行乘積調制運算。在發送方，調制器只需要執行一 次傅立葉反變換，相應地，對接收端而言，解調器執行一次傅立葉變換。 假如，令=0，對信號 s(t) 以 t/n 進行抽樣，即令 t=kt/n (k=0,1,n-1)， s t 則可以得到： ， (3-3) 1 0 2 ( )exp() n i i ji

48、k s kd n 10nk ofdm 系統調制出來的信號 s(k)等效的對進行 n 點離散傅里葉反變換，同樣 i d 的，接收端在解調恢復出原始的數據符號時，對 s(k)進行 n 點離散傅里葉變換即 i d 可。 3.1.2循環間隔與保護前綴循環間隔與保護前綴 由于無線信道的多徑效應造成 ofdm 產生碼間串擾，使得接收信號相互重疊。 所以在發送前，ofdm 系統在每個符號之間插入長度大于無線信道的最大時延擴展 的保護間隔 (gi) 。因此，一個符號的多徑分量就不會對下一個符號造成干擾，從 而也就可以最大限度地消除符號間干擾。保護間隔里如果沒有任何信號時，由于多 徑效應的影響，ofdm 符號子

49、載波間的正交性會遭到破壞，產生載波干擾。因此， 為了消除多徑效應帶來的 ici，通常我們將原寬度為 t 的 ofdm 信號進行周期擴 展，截取 ofdm 符號尾部的信號置于 ofdm 符號的之前。保護間隔即為擴展的信 號，在這段保護間隔內的信號則稱之為循環前綴(cp)。如圖 3-2 所示。 g t 圖 3-2 循環前綴 在 ofdm 符號內加入循環前綴，就可以保證在一個 fft 周期內，ofdm 符 號的時延副本所包含的波形周期個數也是整數，這樣，時延小于保護間隔的信號就 不會在解調過程中產生 ici。 從上述分析看來，循環前綴必須足夠長，也就是說不小于信道的多徑時延擴展， 但是循環前綴的引入

50、也帶來了信噪比的損失，這里，我們定義信噪比損失為 ) (3-4)10log()10log(1) sgg loss ss ttt snr tt 從上式(3-4)可以看出，循環前綴越長，信噪比損失就越大。 在實際的 ofdm 系統中，我們通常是先加入循環前綴，然后再進行傳送。所以， 在接收端接收時，首先要將接收符號開始的長度為的循環前綴去掉，對剩余部分 g t 進行 fft 變換，之后再進行解調。由于循環前綴的使用，大大降低了接收端均衡 器的復雜度，同時還提高了 ofdm 的對抗多徑的能力。 3.2ofdm 的參數選擇的參數選擇 在 ofdm 系統中，需要確定以下參數，例如：保護間隔，符號周期，子

51、載波的 數量等。對于這些參數的選擇，取決于給定信道的帶寬，時延擴展以及所要求的信 息傳輸速率。因此，一般按照以下步驟來確定 ofdm 系統的各參數： 確定保護間隔：根據經驗，一般選擇保護間隔的時間長度為時延擴展均方 根值的 2 到 4 倍。 選擇符號周期：考慮到保護間隔所帶來的信息傳輸效率的損失、系統的實 現復雜度和系統的峰值平均功率比這些因素，通常在實際系統中，我們選擇符號周 期長度至少是保護間隔長度的 5 倍。 確定子載波的數量：子載波的數量可以直接利用-3db 帶寬除以子載波間隔， 即通過去掉保護間隔之后的符號周期的倒數來得到。或者采用另一種方法，即利用 所要求的比特速率除以每個子信道中

52、的比特速率來確定子載波的數量。每個子信道 中傳輸的比特速率由調至類型，編碼速率和符號速率來確定。 3.3ofdm 系統中的關鍵技術系統中的關鍵技術 在具體應用中，ofdm 系統需要解決的關鍵問題包括以下幾個方面： 同步技術： 通常情況下，同步性能的好壞對 ofdm 系統的性能的影響是很大的。在 ofdm 系統中，同步包括三個部分，即載波同步，樣值同步與符號同步。與單載波系統相 比，ofdm 系統對同步精確度的要求更高，同步偏差會再 ofdm 系統中引起 isi 和 ici。 峰均比： 在時域中，n 路正交子載波信號的疊加組成 ofdm 信號，因此，當這 n 路信號 按相同極性同時取得最大值時，

53、那么 ofdm 信號將產生最大的峰值。我們將該峰值 信號的功率與信號的平均功率之比，稱為峰值平均功率比，通常簡稱為峰均比(par)。 在 ofdm 系統中，par 與 n 有關，也就是說，n 越大，par 的值越大，當 n=1024 時，par 可達 30db。由于大的 par 值對發射機的功率放大器的線性度要求很高。 所以，如何降低 ofdm 信號的 par 值對 ofdm 系統的性能和成本都有很大的影 響。 信道估計： 加入循環前綴的 ofdm 系統我們可以將其等效為 n 個獨立的并行子信道。在不 考慮信道噪聲的情況下，各個子信道上的發送信號與信道的頻譜特性的頻率乘積等 于 n 個子信道上

54、的接收信號。通常情況下，信道估計的方法有很多，而在無線通信 中，我們一般采用插入導頻的方法進行信道估計 信道時變性的影響： 信道的時變性能夠引起接收信號的多普勒擴展，故使 ofdm 信號的正交性遭到 破壞，從而引起子載波之間的干擾，造成系統性能下降。通常我們采用信道編碼加 交織技術來抵抗信道性能的下降，這是克服多普勒擴展的傳統方法。最近的發展是 利用多普勒分集技術將多普勒擴展變害為利，從而提高系統的性能。 其他相關技術： 除了以上與 ofdm 本身相關的技術之外，在具體系統中使用 ofdm 技術時， 還應該考慮具體系統的實際情況。 3.4ofdm 技術的優點技術的優點 ofmd 有諸多優點，具

55、體羅列如下： 頻譜效率高。在 ofdm 系統中，由于各個子載波之間所存在的正交性質， 允許子載波的頻譜相互重疊，因此，最大程度的利用了頻譜資源。 系統實現簡單。ofdm 系統可以通過 ifft/fft 變換來實現子信道的調至 和解調，因此大大簡化了系統實現。同時，靈活的選擇子載波傳輸，還可以實現動 態的頻譜資源分配。 子載波調度靈活。ofdm 系統通過子載波化可以實現頻域資源的靈活分配。 這種分配的靈活性可以解決無線通信中存在的很多問題。例如 ofdm 系統通過調 整子載波的數量，就可以擴展帶寬，這是傳統單載波技術無法比擬的；另外，終端 也可以根據自身業務情況，調整子載波分配，這樣就可以使用小

56、功率功放；基站還 可以根據不同用戶的信道情況，調整子載波位置，以此來避免頻率選擇性衰落和窄 帶干擾。 抗多徑衰落性能很好。由于在移動通信中，多徑產生的衰落的影響是非常 突出的，因此加入循環前綴(cp)的 ofdm 系統其抗多徑衰落性能有很大的提高。 均衡簡單。串并轉換使得高速的數據流中的符號持續周期增加，從而使子 載波信道可以看作為平坦衰落信道，因此簡化了均衡。 3.5ofdm 系統性能仿真系統性能仿真 仿真參數： 表 3-1 系統仿真參數 子載波數1024 有效子載波數1000 fft 點數1024 調制/解調qpsk snr(信噪比)0-15（db） 信道模型瑞利信道 信源比特數2000b

57、it 仿真流程圖： 產生信源信號 （2000 bit 0,1 序列） 將信號進行串并轉換 調制, qpsk 星座映射 將 1*1000 信號矩陣轉換為 1*1024 矩陣（中間置零，兩端補零） 對信號進行 ifft（1024 點） 變換 reyleigh 衰落 對信號添加 awgn 對信號進行 fft(1024 點)變換 024681012 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 ber函 函 snr ber ber 函 函 （流程圖接后頁） （流程圖接前頁） 仿真結果圖： 取出有效信號的，去掉添加 的零，變回 1*1000 矩陣 判斷每一點的星座位置（以 最小距

58、離為標準） 解調，qpsk 變回 0,1 信 號 串并轉換，變回 1*2000 矩 陣 與信源信號對比，計算 誤碼率 繪制仿真圖，結束 圖 3-3ofdm 系統誤碼率性能 結果分析： 從圖 3-3 中我們可以看出，隨著信噪比的增大，ber 明顯減小，在信噪比 snr=30 的水平處基本可以忽略 ber。 3.6本章小結本章小結 本章介紹了 ofdm 系統的相關問題進行了系統介紹。由于該技術是未來移動通 信的關鍵技術之一，本文介紹了其基本原理以及該系統中的關鍵技術等問題，為后 一章節對載波聚合技術實現方案的性能評估的作基礎。 4載波聚合技術載波聚合技術 4.1載波聚合技術概述載波聚合技術概述 4

59、.1.1載波聚合技術的原理載波聚合技術的原理 載波聚合，即是指兩個以上的載波的聚合，通過聚合方式將多個離散或者連續 的小頻帶擴展成更寬的頻帶來傳輸數據。 載波聚合是在 lte-advanced 系統中支持下行傳輸帶寬大于 20mhz 的技術。它 合理的復用了多個頻帶，使得 lte-advanced 系統用戶在同一時間內接收帶寬超過 20mhz 的數據。會議中還指出，一個終端根據其能力，可以同時接收一個或多個子 載波，具體情況為：一個接收能力大于 20mhz 的 lte-advanced 終端可以同時接收 多個子載波的傳輸；子載波結構遵循 lte release 8 規范時，一個 lte rel

60、ease 8 的 終端僅可以接收單個子載波傳輸。 4.1.2lte-advanced 中的載波聚合中的載波聚合 在目前現有的無線蜂窩網絡中，由于頻帶利用率不高，且每一個 ue 所占用帶 寬有限，所以無法滿足高速數據業務的傳輸要求。伴隨著當前語音業務日趨飽和， 因此，在未來無線寬帶移動網絡中為用戶提供更為可靠的高速數據服務則是當前運 營商需要考慮的關鍵沒問題。lte-advanced 系統是 lte 系統的平滑演進。lte-a 系統目前支持的系統帶寬最小為 20mhz，最大帶寬則可達到 100mhz。它支持的下 行峰值速率為 1gbit/s，下行頻譜效率提高到 30bit/s/hz，上行峰值速率