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LTE系统中OFDM信道的研究 开题报告

LTE系统中OFDM信道的研究  开题报告
LTE系统中OFDM信道的研究  开题报告

毕业设计开题报告

题目LTE系统中OFDM信道的研究_____学生姓名吴睿

学号 P111813758

所在院(系) 电气工程学院

专业班级 11通信二班

指导教师袁秀娟

LTE系统中OFDM信道的研究

一、选题的目的、意义及国内外对本课题涉及问题的研究现状:

1.选题的目的:

LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进,是3.9G的全球标准,它改进并增强了3G的空中接入技术,提高数据传输速率,降低系统时延,增大系统容量,使得移动通信与宽带无线接入技术做到完美的融合,被视作从3G向4G演进的主流技术。LTE主要采用OFDM和MIMO等关键技术。 LTE的研究,包含了一些普遍认为很重要的部分,如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。

我认为,虽然当前我国的4G业务已经在全面普及中,但不论是覆盖面积、稳定状况,还是传输速率,都还有非常大的提升空间,所以我选择了LTE中的OFDM信道这一研究课题,希望能够在LTE项目的传输速率及稳定状况上有所提高。

2、选题的意义:

3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目,这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看作“准4G”技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括:在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps 的峰值速率;改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms;支持100Km半径的小区覆盖;能够为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽。

正交频分复用技术OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing),实际上是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。而

且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

在向B3G/4G演进的过程中,OFDM是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高了系统性能。包括以下类型:V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多带-OFDM。

OFDM中的各个载波是相互正交的,每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期,每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠,这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠,所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。

在向B3G/4G演进的过程中,OFDM是关键的技术之一,可以结合分集,时空编码,干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术,最大限度的提高系统性能。

作为3G时代之后的下一代无线通信系统中的重要标准之一,LTE系统其在未来无线通信产业的前景和地位已经得到公认,因此对LTE系统中OFDM信道的研究具有相当重要的意义。

2.国内外现状研究:

4G是真正意义的高速移动通信系统,用户速率20Mbps。4G支持交互多媒体业务,高质量影像,3D动画和宽带互联网接入,是宽带大容量的高速蜂窝系统。2005年初,NTTDoCoMo演示的4G移动通信系统在20KM/小时下实现1Gbps 的实时传输速率,该系统采用4X4天线的MIMO技术和VSF-OFDM接入的技术[1][2][3]。

目前,移动无线技术的演进路径主要有三条:一是WCDMA和TD-SCDMA,均从HSDPA演进至HSDPA+,进而到LTE[4];二是CDMA2000沿着EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B,最终到UMB[5](Motorola最近提出的新方案是,CDMA2000也通过一定方式演进到LTE,3GPP2也基本放弃了UMB的计划[6]);三是802.16m的WiMAX路线[7]。这其中LTE拥有最多的支持者,WiMAX次之[8]。

LTE是由爱立信、诺基亚西门子、华为等世界主要电信设备生产商开发的技术,CDMA阵营的阿尔卡特朗讯和北电网络也有投入。CDMA近年来日渐失势,阿尔卡特朗讯已经在上周冲减了37亿美元与CDMA技术标准相关的资产,并将和日本NEC建立研发LTE的合资公司。

全球众多运营商对LTE技术极为关注,国际国内的设备制造商以及终端制造商,大多数将LTE的产品路标定为在2010年前后形成商用能力[9]。华为表示,LTE产业价值链将在2010年基本成熟并开始商用,并在2011年形成一定的市场规模[10]。爱立信则希望成为商用设备的领先者,预计其将在2009年推出LTE商用系统。在终端方面,三星电子计划于2010年最终推出小型化的LTE手机,外观与目前常见的手机相似。三星电子采取了逐步推进的LTE终端发展路线,将于今年推出体积较大的LTE原型样机以进行性能测试。明年将推出LTE的数据卡产品。NTT表示,其目标是在2009年推出LTE的商用服务。为了实现这一目标,NTT很早就开始了行动:2006年秋,建立了LTE的试验系统;2007年秋,进行了室内、室外测试;2007年8月,开始开发商用网络;2008年2月,实现了较好的试验结果。下行速率达到250Mb/s、上行速率达到50Mb/s。

而在国内,在2013年最后一个月的月初,即12月4日,工信部正式向三大运营商发放4G牌照,中国移动、中国电信和中国联通均获得TD-LTE牌照。标志着2013年成为中国的4G元年,并将成为中国移动通信产业发展的里程碑[11]。

而目前全球最主流最成熟的4G - LTE通信标准是FDD-LTE。中国联通和中国电信未来将主要发展FDD网络。2014年6月27日这两家运营商已拿到国内FDD-LTE和TD-LTE混合组网的牌照(也即试验网牌照),各自在16个城市展开首批FDD+TD混合组网试验,12月18日分别增至56个城市的覆盖。并且根据最新的消息,工信部于2015年2月27日正式宣布向中国电信和中国联通发放FDD-LTE牌照[12]。

OFDM的概念于20世纪50—60年底提出,1970年OFDM的专利被发表,其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠,但相互间又不影响的频分复用(FDM)方法来并行传送数据[13]。OFDM早期的应用有AN/GSC_10高频可变速率数传调制解调器等。早期的OFDM系统中,发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的[14],系统复杂且昂贵。1972年Weinstein和

Ebert提出了使用离散傅立叶变换实现OFDM系统中的全部调制和调解功能的建议,简化了振荡器阵列以及相关接收机本地载波之间严格同步的问题,为实现OFDM的全数字化方案做了理论上的准备[15]。

80年代后,OFDM的调整技术再一次成为研究热点。例如,在有线信道的研究中,Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调整技术[16][17],试验成功了16QAM多路并行传送19.2kbit/s的电话线MODEM.

进入90年代,OFDM的应用又涉及到了利用移动调频和单边带(SSB)信道进行高速数据通信,陆地移动通信,高速数字用户环路(HDSL),非对称数字用户环路(ADSL)及高清晰度数字电视(HDTV)和陆地广播等各种通信系统[18][19]。

近年来,由于数字信号(DSP)技术的飞速发展、傅里叶变换/反变换、高速Modem技术等成熟技术的引入,OFDM技术作为可以高效抵抗ISI的多载波传输技术才引起了广泛关注[20][21]。同时由于美国高通公司在3G时代占据了技术的核心专利,LTE阵营处心积虑搞OFDM绕开高通主要技术。目前,OFDM技术已经成功地被应用在非对称数字用户线(ADSL)、无线本地环路(WLL)、数字音频广播、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网等系统中[22][23]。随着人们对通信数据化、宽带化和移动化的需求,人们开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用,下一代移动通信的主流技术将是OFDM技术。

参考文献

[1].李建东,郭梯云,邬国扬.移动通信.第四版[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006:1-289.

[2].杨家玮,盛敏,刘勤.移动通信基础.第二版[M].电子工业出版社.2005.10 .

[3].王映民.TD-LTE-Advance移动通信系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2012:1-655.

[4].沈嘉.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].人民邮电出版社,2008.

[5].曾召华.LTE基础原理与关键技术[M].西安电子科技大学出版社,2010.

[6].冯树森.3GPPLTE技术原理与系统设计[J].科技展望.2015,vol.3:85+87.

[7].孙恒坤.基于Matlab的OFDM系统仿真及误比特率分析[J].中国新通信.2015,vol.1:117-118.

[8].(意大利)马修·贝科. LTE:UMTS长期演进理论与实践[M].人民邮电出版社,2009.

[9].黄韬.LTE/SAE移动通信网络技术[M].人民邮电出版社,2009.

[10].张新程.LTE空中接口技术与性能[J].人民邮电出版社出版,2009.

[11].王晓涛.TD-LTE牌照率先发放,中国移动占得4G发展先机[J].中国经济导报.2013-12-10.

[12].新闻报导.工信部发放FDD-LTE牌照后,国内三大运营商4G详细对比[J].中文互联网数据咨询中心.

[13].宋铁成.下一代移动通信系统中的OFDM技术[J].移动通信.2001,vol.33(5):20-30.

[14].王文博.宽带无线通信OFDM技术[M].人民邮电出版社,2007-8.

[15].佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用.第一版[M].人民邮电出版社.2003.

[16].汪裕民.OFDM关键技术与应用[M].机械工业出版社.2007-1-1.

[17].T Pollet, M Bladel and M Moeneclaey. BER sensitivity of OFDM systems t o carrier frequency offset and Wiener phase noise[J].IEEE Trans. Commun.1995,43(2 /3/4): 191-193.

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[19].SHADRI N,ARIYA VISITAKUL S.Channel estimation for OFDM systems i n mobile wireless channels[J].IEEE Journal in Communications.2007,vol.6(3):61-69.

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[21].白文乐.一种改进的TD_LTE下行定时同步算法[J].电信科学.2015,vol.1:78-82.

[22].李宝.相干光OFDM系统中基于导频辅助的采样时钟频率偏差估计和补偿算法[J].光子学报.2015,vol.44,No.1.1-5.

[23].陆捷.基于RLS的MIMOOFDM自适应信道估计[J].信息通信.2015,vol.1.34-36.

二、课题主要研究方法、研究手段和需要重点研究的问题及解决思路:

1、研究方法:

首先通过网络和校内图书馆,阅读研究各类LTE系统及OFDM技术的相关文献,系统研究LTE和OFDM技术的定义、发展史及全球最新进展,研究TD-LTE系统和OFDM技术的工作原理,分析LTE系统中OFDM技术的性能指标,与其它系统中的采用的OFDM技术进行比对。然后总结出初步的仿真方案,通过MATLAB软件进行仿真实验,通过实践操作发现计划方案中的错误并改正,最后得出最终的实验数据

2、研究手段:

1.文献研究:通过对参考文献的阅读与研究,熟悉无线通信,首先系统研究TD-LTE系统,再重点研究OFDM技术的工作原理及系统架构、特点及应用,然后分析LTE系统中OFDM技术的性能指标,最后与其它系统中的采用的OFDM 技术进行比对。

2.MATLAB软件学习:对应参考文献,并通过对MATLAB软件的实践应用,熟悉MATLAB语言和软件编写界面。

3.MATLAB软件的OFDM仿真:利用MATLAB软件中的simulink模块对OFDM 信道模拟进行仿真

4.仿真实验,分析结果。

3、研究问题:

本课题是论文研究,预计出现的问题可能有:

1.LTE及OFDM的相关基础知识或技术知识问题;

2.在仿真实验过程中可能出现相关的MATLAB软件操作问题;

3.由于对LTE系统及OFDM技术的不熟悉,可能出现实验结果与预期结果相差较大的情况。

4、解决方法:

1.对于基础知识问题,可以借助图书馆、网络查询相关文献;或借助论坛等方式,求助于有经验的通信行业内人士;如果还不能解决,则需请教指导教师;

2.对于软件的操作问题,可以从网络视频观看教程或请教熟悉MATLAB软件操作的人士;

3.对于结果与预期不符的情况,应先检查实验操作过程是否有错误或遗漏,若无错误,则说明仿真方案有问题,可请指导教师帮助检查。

三、工作方案及进度计划:

1.工作方案:

1、搜集、阅读和整理资料,主要是利用网上资源、图书馆、杂志、文献等资料,了解LTE系统及OFDM技术的原理。

2、通过几种方案对比,选出合适的论文方案并完成MATLAB仿真实验。

3、撰写毕业论文,对本课题的理论进行系统的陈述。

4、论文修改和定稿,对毕业论文进行全面的检查,并进行局部的修改,最终定稿。

2.进度计划:

2014年12月05日-2014年12月28日:论文选题。

2014年01月01日-2015年02月01日:根据任务书,查阅相关文献。

2015年02月01日-2015年02月28日:收集相关资料,做前期研究,制定完成论文初始方案。

2015年03月01日-2015年03月10日:论文开题。

2015年03月10日-2015年03月31日:完成论文初稿,初步设计出仿真算法方案。

2015年04月01日-2015年04月15日:完成论文二稿,实现算法仿真测试,得到实验数据。

2015年04月15日-2015年04月30日:完成论文终稿,整理分析实验数据,修改论文中的格式、文字性等错误。

2015年05月01日:论文查重检测,准备答辩。

信道估计

寒假信道估计技术相关内容总结 目录 第一章无线信道 (3) 1.1 概述 (3) 1.2 信号传播方式 (3) 1.3 移动无线信道的衰落特性 (3) 1.4 多径衰落信道的物理特性 (5) 1.5 无线信道的数学模型 (7) 1.6 本章小结 (7) 第二章MIMO-OFDM系统 (8) 2.1 MIMO无线通信技术 (8) 2.1.1 MIMO系统模型 (9) 2.1.2 MIMO系统优缺点 (11) 2.2 OFDM技术 (12) 2.2.1 OFDM系统模型 (12) 2.2.2 OFDM系统的优缺点 (14) 2.3 MIMO-OFDM技术 (16) 2.3.1 MIMO、OFDM系统组合的必要性 (16) 2.3.1 MIMO-OFDM系统模型 (16) 2.4 本章小结 (17) 第三章MIMO信道估计技术 (18) 3.1 MIMO信道技术概述 (18) 3.2 MIMO系统的信号模型 (19) 3.3 信道估计原理 (21) 3.3.1 最小二乘(LS)信道估计算法 (21) 3.3.2 最大似然(ML)估计算法 (23) 3.3.3 最小均方误差(MMSE)信道估计算法 (24) 3.3.4 最大后验概率(MAP)信道估计算法 (25) 3.3.5 导频辅助信道估计算法 (26) 3.3.6 信道估计算法的性能比较 (26) 3.4 基于训练序列的信道估计 (28) 3.5 基于导频的信道估计 (28) 3.5.1 导频信号的选择 (29) 3.5.2 信道估计算法 (31) 3.5.3 插值算法 (31) 3.5.3.1 线性插值 (31) 3.5.3.2 高斯插值 (32) 3.5.3.3 样条插值 (33) 3.5.3.4 DFT算法 (33) 3.5.4 IFFT/FFT低通滤波 (33) 3.6 盲的和半盲的信道估计 (34)

无线通信系统信道估计技术研究现状

无线通信系统信道估计技术研究现状 摘要:信道估计技术是未来无线通信系统得以实际应用的关键技术。首先介绍了无线通信系统信道模型的特点以及信道估计方法分类,然后重点阐述了目前无线通信系统中非盲信道估计方法的研究现状,并对各种算法的优缺点和性能进行了分析和比较。关键词:信道估计;非盲信道估计;最大似然估计;最小均方;最小二乘 在无线通信系统中,当信号带宽超过信道的相关带宽时,信道就会在时域显示其色散效应,这将导致发射符号序列间产生干扰,即码间干扰。由于码间干扰使接收信号受损,当信道条件已知或者基于准确的信道估计时,由信道引起的失真效应通常可以在接收机得到补偿。若采用非相干检测则可以简化接收机复杂度,不需要进行复杂的信道估计。但对于高斯白噪声信道,非相干检测比相干检测有高达3 dB左右的性能损失,而且,如果延时扩展增加,性能损失将会更严重,这对功率受限系统(例如超宽带通信系统)尤其难以接受。因此,信道估计技术已成为未来无线通信系统的关键技术,也是国内外学者致力研究的热点方向之一。1 无线通信系统信道模型关于无线传播信道的研究已经进行了五十多年,迄今为止,已有大量的信道模型被提出。不同带宽下的无线通信系统的信道模型也各不相同,对于一个好的系统设计而言,理解这些差别和它们对不同系统的影响是非常重要的。一般而言,针对不同的信道模型,信道估计方法也各不相同。无线信道一般可以表示成两种形式:(1)基带信道被表示成抽头延时线的形式,该模型中L个信道抽头是等间隔分布的。该模型下需要估计的参数是L个信道幅度和一个延时参数。(2)基带信道模型中的延时值是任意的,每一径的幅度和延时都需要被估计。对于稀疏信道,第二种方法可能比使用等间隔抽头延时线模型估计的参数数量低得多,因此信道估计更加有效,但是一般不存在闭式解。方法(1)产生了更加容易的参数化信道模型,但是以过参数化为代价的。2 信道估计方法分类目前,无线通信系统的信道估计方法可分为三类:有辅助符号的非盲信道估计、无辅助符号的盲信道估计以及介于两者之间的半盲信道估计,其特点可归纳为:(1)非盲的信道估计:按一定估计准则确定各个待估参数值,或者按某些准则进行逐步跟踪和调整待估参数的估计值,特点是需借助参考信号。很明显,要想实现信道估计,估计理论是其数学基础。①贝叶斯估计:需要已知代价函数、待估计参量和观测数据的完整的概率描述,条件最苛刻;②最大后验概率(MAP)和最大似然(ML):需要代价函数是误差的偶函数,不需其详细形式,但仍需待估计参量和观测数据的完整的概率描述;③线性最小均方误差(LMMSE):只需知待估计量与观测数据的一阶或二阶统计特性;④最小二乘(LS):只需把估计问题作为确定性的最优化问题来处理。非盲估计方法的优点是可以获得较好的系统性能, 但是它降低了频带利用率并且无法适用于不可能在发送端提供训练序列的场合,例如在军事侦听过程中,无法获得敌人确定的训练序列。(2)盲估计:利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征(比如恒模、子空间、有限字符集、循环平稳和高阶统计量等)或采用判决反馈的方法进行信道估计。盲估计方法的优点是提高了系统的频带利用率,适用于接收端无法确定训练序列的场合,具有自我恢复性,且可在未知数据调制和编码方式的情况下正常工作。缺点是估计性能差,且估计过程较非盲方法漫长。(3)半盲估计:在发射信号中插入导频,克服基于二阶统计量盲方法固有的模糊度问题,同时使用盲方法进行信道估计,从而结合了盲估计与非盲估计的优点。目前半盲方法可分为基于二阶统计量半盲方法和基于一阶统计量的半盲方法。3 非盲信道估计方法研究现状如前所述,根据目前无线通信系统信道模型的分类,目前的非盲信道估计方法可分为:信道幅度增益和径延时联合估计以及信道幅度增益的估计方法。下面就介绍这两种经典估计方法在窄带或宽带通信系统中的应用。 3.1信道幅度增益和径延时联合估计的方法由于CDMA系统能够分辨多径元,并经常使用Rake接收机(或其他更加复杂的检测方案)收集多径能量,以获得多径分集,所以需要对多径

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