移动通信系统关键技术多址接入OFDM学习（7）

news2024/9/21 16:26:07

1.OFDM是一种多载波传输方案，可以将高速串行传输转换为低速并行传输，增加符号持续时间，抗多径干扰能力强。

串行和并行有着不同的比特持续时间，同时拥有相同的数据速率。因此，虽然OFDM将串行信号转换为并行信号，但它并没有减少信号的传输时间。

2.对于移动通信而言：宽带——>是与传输间隔越来越窄——>信道多径效应越来越严重——>CDMA难以处理，因此引出OFDM有效对抗多径；

IFFT和FFT可以实现M个子载波的上、下变频：通过采样将模拟信号数字化；采样率fs=Mx▲f，持续时间Ts=1/fs；

3.移动通信系统中，进行宽带传输时，采用多载波OFDM技术好还是单载波DS-CDMA技术好?为什么?

答：（在单载波传输中，如果信号带宽>信道相干带宽(符号周期<多径时延扩展)，这是多径，信号会经历频率选择性。多径干扰在时域表现为时延扩展，在频域表现为频率选择性衰落。）

采用OFDM技术优于单载波DS-CDMA技术；DS-CDMA码片周期远小于OFDM子载波符号周期，后者符号周期大于多径时延，经历频率平坦衰落，相邻符号间干扰小信号检测错误小；DS-CDMA的Rake接收机实现技术难，而OFDM基于IFFT/FFT的多路调制/解调易于实现。

（OFDM 也有不足的地方: 同步 (找到符号开始的地方的时间同步，找到载波中心频点的载波同步);信号的峰均比大 (PAPR)，对放大器要求高; 信道估计难度大，不同时间和频率上信道都是变化的。）

4.假设OFDM的有效符号长度为T，请证明其子载波间隔应为1/T。

5.请证明:用M点IFFT可实现OFDM系统M个子载波的上变频操作。

OFDM 中，符号周期为 T，则单个载波带宽为 2/T，正交载波间隔为 1/T，系统中存在 M 个并行的数据流。

6.OFDM的循环前缀（Cyclic Prefix of OFDM）：引入循环前缀来对抗多径信道引起的OFDM符号间干扰 (ISI)；由于前一个符号落入循环前缀，ISI产生，OFDM数据符号不受ISI的影响，消除了ISI的不利影响。

问：请画出一个完整的OFDM符号结构图，其中CP部分的数据是怎么获得的?CP的长度该如何确定?

答：将IFFT调制后的最后Lg个符号复制到初始M个符号前面，形成CP循环前缀， $L_gT_s\geq \tau _{max}$ ，CP影响系统功率效率，设置Lg=0.2M（信息的 20%）。引入是为消除多径造成的 OFDM 符号间干扰，代价是 CP 的引入导致系统功耗效率和传输效率变低。

7.OFDM 的灵活性体现在哪些方面？

答：根据用户业务需求，任意给不同用户分配不同数量的子载波;根据各载波信道条件，自适应调整各载波上信号的调制方法:根据各用户信道环境，给各用户分配最优的传输频段。

8.如何提高电源效率？

答：减小Lg:如果Lg小于最大信道延迟，将出现ISI；增大M:带宽是固定的，M越大，子带越窄系统容易受到快衰落或频率同步误差引起的载波间干扰。

9.请解释OFDM系统如何获取多用户分集增益？

答：参考各用户数据速率需求和信道状态信息，按需灵活地为各用户分配信道增益大的子载波，选择合适的调制方式；

10.在OFDM系统中，为什么要进行时域同步和频域同步?

答：同步对信号的正确检测（得到正确的星座点）具有重要意义，最大可能降低符号间干扰和载波间干扰，能够降低 BER。

时域同步包括帧同步（找到一帧中第一个符号开始的地方）和采样定时（找到每一个符号的位置），确定OFDM符号和CP的开始及结束时间，时域同步能消除OFDM符号间干扰(Inter SymbolInterference, ISI)；

频率同步确定传输无线信号的正交子载波中心频率，消除频偏带来的OFDM载波间干扰(Inter Carrier InterferenceICI)；

两者有利于正确识别接受符号，提高传输可靠性。

11.同步算法：基于训练序列进行同步的原理是什么？

答：同步算法有基于训练序列同步和基于 CP 序列同步；

基于训练序列: 设计一个收发端都知道的，具有特殊结构的训练序列，接收端在信号中查找训练序列，从而实现同步。优点是性能好、适合突发性的包传输、自由度大;缺点是功率和传输效率低、长度越长复杂度越大。
基于 CP 序列:利用接收信号 CP 的信息重复特性，实现同步。优点是没有引入额外的功率、复杂度低、适合连续传输模式:缺点是性能比训练序列低。

12.信道估计，为什么需要信道估计？

答：数字通信系统:不需要信道估计: 非相干检测；与相干检测相比，3dB性能损失非相干检测示例。

13.给定802.11a数据报结构如下，请解释如何进行时域同步？

答：时域同步分为两步：粗同步（coarse timing）和精同步（fine timeing）；

粗同步：利用接收信号r中t1~t10的自相关实现，r与r左移Ns个采样点求自相关，相关之降低后的地方为t10的开始时刻；

精同步：利用接收信号r和接收端已知的训练符号a的互相关实现，相关值最大的地方为G12的开始时刻。

14.采用非相干检测比相千检测有3dB的E/N损失，表明相干检测对于移动无线电通信是优选的证据。

15.OFDM系统接收端是否必须进行信道估计?结合下图的导频模式图，请解释一下如何进行信道估计如何根据估计的信道信息恢复传输的数据?

答：相干检测的性能更好，在相干检测时，才需要信道估计，基于导频、基于决策和盲估计。第一个是将导频序列加在特定载波的特定时间上。用已知的信道去估计其他未知的信道，可以使用预测和滤波算法。

必须:对于宽带的OFDM系统，无线信道是频率选择的时变信道，信道估计有利于提高传输可靠性；

信道估计:

发端在黑色RB插入导频p;
收端已知导频位置和大小，yp=hp*p+nphp=yp/p;
联合多RB的hp，滤波或插值估计所有RB的h;

恢复数据:

发端在白色RB插入数据x;
收端已知数据位置和信道，yd=hd*x+nd，x=yd/hd;

16.PAPR 的英文全称是什么？为什么 OFDM 的 PAPR 值比 DS-CDMA 的大？PAPR 值大会带来什么问题？

答：峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)，OFDM 信号是多个子载波合并而成，子载波数量越多，信号功率包络变化范围变大，则峰均比越高。而 DS-CDMA 是单载波传输，单个载波的信号包络变化范围小。
PAPR 越大，系统对功率放大器的要求越高，如果功放(功率放大器线性工作区域有限)线性范围小，信号会出现削峰现象，则会展宽信号带宽。可以增加保护带宽，但是会降低频谱效率，还会使载波间不完全正交，增加载波间干扰。

$PAPR=\frac{max\left | s(n) \right |^2}{E\left \{ \left | s(n) \right |^2 \right \}}$