2010.2數(shù)據(jù)通信新技術(shù);匕New TechnologyLTE中的OFDMA技術(shù)*郎為民李建軍胡東華高泳洪(解放軍通信指揮學(xué)院武漢430010)摘要: LTE多址技術(shù)與WCDMA中的多址技術(shù)不同。在LTE系統(tǒng)中,下行鏈路多址技術(shù)建立在正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)的基礎(chǔ)上,而上行鏈路多址技術(shù)則是基于單載波頻分多址(SC- FDMA)技術(shù)的。文章分析了OFDMA實(shí)現(xiàn)過程,描述了OFDMA發(fā)射機(jī)和接收機(jī)結(jié)構(gòu)與原理,討論了OFDMA的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞:長期演進(jìn)(LTE);正交頻分復(fù)用多址(OFDMA);快速傅立葉變換(FFT);WCDMA為了解決可能由保護(hù)頻段需求帶來的效率低下(FFT)模塊 處理后的信號結(jié)果如圖2所示。問題,我們在選擇系統(tǒng)參數(shù)時(shí),通常使得不同傳輸之間是正交的,且在生成子載波時(shí),確保子載波之間不會相互干擾，但在頻域內(nèi)子載波的頻譜之間又是重0.疊的。這就是采用正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)川技術(shù)達(dá)到的效果。采用這種技術(shù)時(shí),子載波的每個(gè)中心幾幾頻率是從頻域中的不同集合中選取的，且鄰近子載圖2針對不同輸入的FFT運(yùn)算結(jié)果波在理想子載波采樣點(diǎn)處的值為0,如圖1所示。對于LTE來說, Release 8標(biāo)準(zhǔn)將子載波的固定頻差規(guī)定為在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中，通常采用快速傅立葉變換15 kHz(在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)版本中,當(dāng)LTE與諸如移動電視(FT)FFT運(yùn)算將信號表達(dá)式從時(shí)域變換到頻域。反等廣播應(yīng)用進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，也可支持7.5 kHz的固定頻向快速 傅立葉變換(FFT)則將信號表達(dá)式從頻域變差)。換到時(shí)域。對于正弦波來說, FFT運(yùn)算的輸出結(jié)果是在相應(yīng)的頻率，點(diǎn)處出現(xiàn)峰值，而在其他頻率點(diǎn)處為件輸總帶寬單個(gè)子敬液的采樣點(diǎn).零值。如果輸人為方波,則頻域輸出將在多個(gè)頻率點(diǎn)處出現(xiàn)峰值,這樣在進(jìn)行FT運(yùn)算時(shí),方波中就包含了多個(gè)頻率。若將脈沖作為FFT的輸人，則運(yùn)算輸出結(jié)果將在所有頻率點(diǎn)處出現(xiàn)峰值。由于方波具有規(guī)則間隔T,因而在代表波形基頻的頻率點(diǎn)1/T處,出現(xiàn)較大的峰值;在基頻的奇次請波處,將出現(xiàn)較小的峰困1保持子載波之間的正交性值。假定數(shù)字信號處理方面的典型要求,如最小采樣率和字長(數(shù)值)都能得到滿足的話,則FTT運(yùn)算可以1 OFDMA實(shí)現(xiàn)過程反復(fù)進(jìn)行，且不會丟失任何原始信息。OFDMA系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)建立在數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)中國煤化工見問題已經(jīng)研究得上,更確切地說，是通過采用離散傅立葉變換(DFT)比較因此,對于LTE來和反向傅立葉變換(IDFT),來實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域表達(dá)說,FFH. CNMHG12.1024等。從實(shí)式之間的轉(zhuǎn)換。輸人正弦波通過快速傅立葉變換現(xiàn)的角 度來看,FFT的長度最好是1024,即使輸出只收稿日期:2010-01-2025*基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60703099)新技術(shù)NNew Technology數(shù)據(jù)通信2010.2使用600,然后盡量將另一個(gè)FFT長度在600~ 1024之保護(hù)間隔間選擇。2 OFDMA發(fā)射機(jī)和接收機(jī)拷貝符號的部分內(nèi)容在任意0FDMA系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)采用的都是窄帶互相正交的子載波。在LTE中,無論傳輸總帶寬是多0FDM符號持續(xù)時(shí)間困4 OFDM符號保護(hù)間隔的生成少,典型的子載波間隔均為15kHz。不同的子載波保持正交,因?yàn)樵谝粋€(gè)子載波的采樣時(shí)刻,其他子載波保護(hù)問隔通常設(shè)置為長于系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的時(shí)延為零值。0FDMA系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)使用IFFT塊來生成信擴(kuò)展。 除了信道時(shí)延擴(kuò)展之外,在設(shè)計(jì)保護(hù)間隔時(shí),號。數(shù)據(jù)源通過串/并轉(zhuǎn)換到達(dá)IFFT模塊。IFFT模塊的還需 要考慮發(fā)射機(jī)和接收機(jī)過濾的影響。OFDMA接輸入與代表特定子載波( 或時(shí)域信號的特定頻率分收機(jī)將0FDMA信 號經(jīng)過看作是通過一-個(gè)FIR (有限量)的輸人相對應(yīng),且該輸入的調(diào)制與其他子載波相沖激響應(yīng)) 濾波器，不需要將每個(gè)頻率分量單獨(dú)分互獨(dú)立。IFFT模塊后是循環(huán)打展(循環(huán)前綴)模塊,如開。 因此,與信道時(shí)延擴(kuò)展類似,應(yīng)用于發(fā)送端和接圖3所示。收端信號的濾波器長度也使得整體濾波影響要長于時(shí)延擴(kuò)展的影響。發(fā)送端由于接收機(jī)對符號間干擾不做任何處理，因而比笱調(diào)制器串進(jìn)FFt循環(huán)它仍然需要處理每個(gè)子載波造成的信道影響，這些子載波經(jīng)歷了與頻率相關(guān)的相位和幅度變化。通過MMMA將部分符號作為已知參考或?qū)ьl符號,使得信道估計(jì)變得簡單易行。將這些符號放置在時(shí)域和頻域中頻率的適當(dāng)位置，接收機(jī)能夠根據(jù)時(shí)域和頻域參考符號接收端/無線部分總帶寬“網(wǎng)格”,將信道的影響添加到不同子載波上。圖5給出了一個(gè)實(shí)例。移除循串/并FFT參考值號.環(huán)擴(kuò)展比特「解調(diào)器均衢器圖3 OFDMA發(fā)射機(jī)和接收機(jī)子像波/頻城添加循環(huán)擴(kuò)展的動機(jī)是避免符號間干擾。當(dāng)發(fā)射機(jī)添加的-一個(gè)循環(huán)擴(kuò)展要長于信道沖激響應(yīng)時(shí),接收機(jī)就會忽略(移除)這個(gè)循環(huán)擴(kuò)展.因而可以消除前一一個(gè)符號的影響。循環(huán)前綴的添加可以通過拷貝符號末端部分內(nèi)容，并將其添加到符號的起始部OFDM符號/肘城分來完成,如圖4所示。循環(huán)擴(kuò)展在使用時(shí),最好是僅圖5 OFDMA子載波和符號上的參考符號擴(kuò)展作為傳輸過程(保護(hù)間隔)中的-次暫停,使得OFDM接收機(jī)解決方案的一種代表類型是頻域均衡符號看起來像是周期性進(jìn)行傳輸?shù)?。假定循環(huán)擴(kuò)展器， 它基本上能夠抵消每個(gè)子載波所帶來的信道影足夠長，當(dāng)OFDMA符號由循環(huán)擴(kuò)展的存在而顯現(xiàn)出響。 在OFDMA中，頻域均衡器只是根據(jù)信道的頻率周期性傳輸特征時(shí)，信道的影響就等于乘以一個(gè)標(biāo)響應(yīng)的估計(jì)值(每個(gè)子載波經(jīng)歷的相位和幅度調(diào)量。信號的周期性特征也考慮到離散傅立葉頻譜需整),1中國煤化工值倍數(shù))進(jìn)行相要支持在接收端和發(fā)送端分別支持離散傅立葉變換乘。 與|YHC N M H G簡單的運(yùn)算方法，(DFT)和反向離散傅立葉變換(IDFT)。它與信道長度(多徑長度單位為碼片)無關(guān)，而WCD-26新技術(shù)2010.2數(shù)據(jù)通信New TechnologykMA均衡器與信道長度有關(guān)。對于WCDMA來說挑戰(zhàn)不同子 載波分配給用戶的概率，使得調(diào)度器能夠從信息也會增加碼片率(當(dāng)前的碼片率為3.84Mcps),分頻域分集中受益， 這種分集主要是由于系統(tǒng)帶寬的離出來的多徑分量數(shù)目將會增加(取決于環(huán)境),導(dǎo)致不同 部分存在著瞬時(shí)干擾和衰落差而導(dǎo)致的。實(shí)際所需的RAKE耙指增多,均衡器的復(fù)雜性大大提高。的局限性表現(xiàn)在因開銷增大導(dǎo)致信令解析存在問在WCDMA中，下行鏈路的信道估計(jì)通?；谕}。 開銷增大的原因在于分配是基于資源塊完成的,用導(dǎo)頻信道(CPICH )和專用信道(DCH)上.的導(dǎo)頻符而不是基于每個(gè)子載波， 每個(gè)資源塊包含12個(gè)子載號，導(dǎo)頻符號傳輸時(shí)- -般在整個(gè)傳輸帶寬上進(jìn)行擴(kuò)波,這樣導(dǎo)致最低帶寬分配應(yīng)當(dāng)是180kHz。當(dāng)時(shí)域展，不同蜂窩由不同的擴(kuò)展碼分隔開來。與0FDMA每次 分配的周期為1ms時(shí),下行鏈路傳輸資源分配就系統(tǒng)一樣,WCDMA系統(tǒng)中的擴(kuò)展功能是不可用的，意味著在lms分配周期內(nèi)，在資源池中填充了180必須采用其他方法來將蜂窩之間或不同天線之間的kHz碼塊 ,如圖7所示。需要注意的是,規(guī)范中的資源參考符號分離開來。在多天線傳輸中,導(dǎo)頻信號具有塊指的 是0.5ms時(shí)隙，而資源分配則是在時(shí)域lms分不同的位置。一條天線的導(dǎo)頻符號所使用的特殊位配周期內(nèi)完成的。頻域內(nèi)動態(tài)分配資源的元素通常置對于同一蜂窩中的其他天線來說是不可用的。在是指頻 域調(diào)度或頻域分集。理想情況下,如果子載波不同蜂窩之間,這種空閑位置不可用,但可以使用不能夠 無條件地適應(yīng)信道，則不同子載波具有不同的同的導(dǎo)頻符號模式和符號位置。調(diào)制方法。由于實(shí)際原因,無論是獲取間隔為15kHzOFDMA接收機(jī)還應(yīng)具有時(shí)域和頻域同步功能。的子載波反饋, 還是發(fā)送在單個(gè)子載波上應(yīng)用的調(diào)同步支持正確幀和OFDMA符號定時(shí)信息的獲取,這制信息 ，效率都非常低。因此,對于資源塊來說,諸如樣接收信號的正確部分被丟棄(循環(huán)前綴去除)。通調(diào)制等 參數(shù)都是固定的。常，可以通過將已知數(shù)據(jù)采樣(如可以基于參考符號)與實(shí)際接收數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,來實(shí)現(xiàn)時(shí)間同單個(gè)資源碼塊:步。在進(jìn)行頻率同步時(shí),需要對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的頻移進(jìn)行估計(jì)，對設(shè)備和基站之間的頻移進(jìn)行精確估計(jì)，這樣可以對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端的影響進(jìn)行單個(gè)資源碼塊中第-180LH2補(bǔ)償。由于設(shè)備振蕩器的精度不如基站振蕩器精確(價(jià)格昂貴),因而設(shè)備鎖定在從基站獲取的頻率上。w分配周期1四用戶|的資源碼塊即使理論上.0FDMA傳輸具有良好的頻譜特性,但由于實(shí)際發(fā)射機(jī)的非理想化( 如發(fā)射機(jī)中的邊帶圍7 LTE中的OFDMA資源分配削波)，將導(dǎo)致頻譜產(chǎn)生部分?jǐn)U展。因此，實(shí)際的頻域內(nèi)的OFDMA傳輸是由若千個(gè)并行子載波構(gòu)OFDMA發(fā)射機(jī)需要具有與WCDMA脈沖整形濾波類成的， 它們在時(shí)域內(nèi)對應(yīng)于多個(gè)具有不同頻率的正似的濾波功能。在許多文獻(xiàn)中,這種濾波功能通常指弦波， 這些頻率以每次15kHz的速率來填充系統(tǒng)帶的是加窗。發(fā)射機(jī)的實(shí)例如圖6所示。寬。與一次(在時(shí)域內(nèi))僅發(fā)送一一個(gè)符號的標(biāo)準(zhǔn)QAM調(diào)制器相比,0FDMA的信號包絡(luò)非常健壯，如圖8所示。正弦波的瞬間和服從不同振幅峰值的高斯分布。調(diào)制器串/并IFFT r +循環(huán)擴(kuò)展至天線「廠RF鄯分HDIA轉(zhuǎn)換器t←餾, 功宰放大器的作用圖6 OFDMA發(fā)射機(jī)通過加窗形成頻譜模板的過程IFFTMT| :基站發(fā)射機(jī)采用0FDMA技術(shù)的-一個(gè)重要原因是時(shí)城信勢在頻域內(nèi)可以將用戶分配給任意子載波。對于HS-中國煤化工”Qu制輸人DPA調(diào)度器操作來說,這是-一個(gè)附加元素,此時(shí)分配Y臺CNMHG圍8 OFDMA信號包絡(luò)特性僅在時(shí)域和碼域中進(jìn)行但經(jīng)常會占用全部帶寬。將27新技術(shù)New Technology數(shù)據(jù)通信2010.2這對功率放大器設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诜涓COFDMA原理 ,以實(shí)現(xiàn)高頻譜效率- -樣 ,LTE多址技術(shù)系統(tǒng)中,人們應(yīng)當(dāng)最大限度地提高功率放大器效率，的 上行鏈路部分采用了OFDMA原理。以實(shí)現(xiàn)最小功耗。與正常單載波信號相比,圖9給出在LTE和其他系統(tǒng)中引入OFDMA技術(shù)的全部動了包絡(luò)變化范圍大的信號(如圖8時(shí)域中的OFDMA信機(jī)是因?yàn)樵摷夹g(shù)具有如下特性:在頻率選擇性衰落號)要求放大器使用額外的回退功能。信道中具有良好的性能;基帶接收機(jī)復(fù)雜性低;較好的頻譜特性和較強(qiáng)的多帶寬處理能力;鏈路自適應(yīng)軸入被彩輸出功事}■和頻域調(diào)度能力;能夠與其他接收機(jī)和天線技術(shù)兼容。這些優(yōu)點(diǎn)只能隨著無線接人網(wǎng)架構(gòu)不斷發(fā)展而廣功事放大器逐漸實(shí)現(xiàn)，在基站(對于WCDMA來說,3GPP術(shù)語中稱為NodeB )中進(jìn)行無線相關(guān)控制設(shè)置。隨著系統(tǒng)帶輸入功事出功率寬越來越大(超過5MHz),接收機(jī)復(fù)雜性成為-個(gè)急輸入被膨最大值需解決的問題。OFDMA技術(shù)也面臨著-一些挑戰(zhàn),包括:(1)對頻平均值功事收大器移的容限問題。在進(jìn)行LTE設(shè)計(jì)時(shí)，這個(gè)問題可以通輸出自晚” 輸入功率過選擇間距為15kHz的子載波來解決,由于速率和實(shí)圍9針對不同輸入波形的功率放大器回退要求現(xiàn)方面存在著缺陷，該子載波對于多普勒頻移具有通過使用額外的功率回退功能，使放大器始終較大的容限。 (2)傳輸信號的峰均比(PAR)較高.它工作于線性區(qū)域，以防止輸出信號和頻譜屏蔽出現(xiàn)要求發(fā)射機(jī)具有較好的線性。線性放大器的功率轉(zhuǎn)問題。但使用額外的功率回退功能會降低放大器功換效率較低， 因而對于移動上行鏈路來說并不理想。率效率或輸出功率。在固定應(yīng)用中后者問題不大,因在LTE系統(tǒng)中，該問題可以通過采用SC-FDMA技術(shù)為用戶設(shè)備具有較大容量，且可以與電源相連,但對來解決,它有助 于實(shí)現(xiàn)較高的功率放大器效率。于依靠自帶電池工作的小型移動設(shè)備則面臨著諸多挑戰(zhàn)。這就是3CPP央定在下行鏈路方向采用OFDMA參考文獻(xiàn)技術(shù)，而在上行鏈路方向使用功率高效的SC- -FDMA技術(shù)的主要原因。從研究成果來看,目前已經(jīng)提出了[1]郎為民.UMTS中的LTE:基于OFDMA和SC-FDMA的無線接多種方法來降低峰均比(PAR),但更有意義的(尤其入[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009是對于功率放大器來說)是立方量度(CM),在3CPP[2]郎為民.未來UMTS的體系結(jié)構(gòu)與業(yè)務(wù)平臺:全I(xiàn)P的3G CD-中引人立方量度主要是更好地描述放大器的影響。MA網(wǎng)絡(luò)[M).北京:機(jī)械工T業(yè)出版社,20090FDMA系統(tǒng)對于頻率誤差比較敏感。在不顯著[3] 郎為民UMTSISDPA系統(tǒng)的CP性能M)北京:機(jī)械工業(yè)出影響子載波正交性的前提下, 15kHz的子載波間距有版社,2009利于提高LTE系統(tǒng)對實(shí)現(xiàn)誤差效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的[4] 郎為民.下一代移動系統(tǒng)3G/B3C[M.北京:機(jī)械工.業(yè)出版社,容限。對于純廣播載波(專用載波)來說,3CPP規(guī)定也2008可以選擇使用7.5kHz子載波間距,但LTE Release 8并作者簡介:郎為民.華中科技大學(xué)電信系博士,解放軍通信指未對純廣播載波的完全支持做出規(guī)定。Release 8中揮學(xué)院裝備管理運(yùn)用教研室副主任.副教授,中國通信學(xué)會會36.2系列規(guī)范對7.5kHz子載波間距情況下物理層的員,研究方向?yàn)橄乱淮W(wǎng)絡(luò)、射頻識別和信息安全;李建軍,解工作原理進(jìn)行了規(guī)定,詳細(xì)信息(尤其是對于高層操放軍通信指揮學(xué)院裝備管理運(yùn)用教研室主任，副教授,研究方作)在Release 8后發(fā)布的規(guī)范中進(jìn)行規(guī)定。向?yàn)檠b備保障.射頻識別;胡東華,解放軍通信指揮學(xué)院講師,研究方向中國煤化工,解放軍通信指揮學(xué)3結(jié)論院裝備GN和裝備管理?！稣鏢C-FDMA在上行鏈路方向部分使用了TYHCNMHG28