LTE系统中的OFDMA与SC-FDMA技术及PAPR

LTE系统中的OFDMA和SC-FDMA技术及PAPR

中文摘要

本文主要介绍了OFDM(正交频分复用)技术的基本原理以及它的特点，从而引出OFDM适应4G的原因所在；阐述了OFDM系统中高峰均比的问题以及抑制PAPR的问题；最后介绍了OFDMA和SC-FDMA的原理。

关键词：OFDM；峰均比；OFDMA；SC-FDMA

目 录

1 LTE物理层技术 ..................................................................................................... 3

1.1

LTE系统物理层 .......................................................................................... 3 1.1.1 1.1.2

物理信道与调制................................................................................ 3 物理层主要传输技术........................................................................ 3

2 OFDM原理 ............................................................................................................ 4

2.1 2.2

OFDM提出的必要性 ................................................................................. 4 OFDM技术的基本原理 ............................................................................. 5

3 OFDM技术中PAPR问题 .................................................................................... 7

3.1 PAPR产生的原因 ......................................................................................... 7 3.2 降低PAPR的方法 .......................................................................................... 8 3.3

降低PAPR的仿真分析 .............................................................................. 9 3.3.1

压缩扩展变化原理............................................................................ 9

4 OFDMA ................................................................................................................ 12

4.1 OFDMA的原理 .......................................................................................... 12 4.2

OFDMA的发射机和接收机 ..................................................................... 13

5 SC-FDMA ............................................................................................................. 15

5.1 SC-FDMA的原理 ....................................................................................... 15 5.2

SC-FDMA的发射机和接收机 ................................................................. 16

1 LTE物理层技术

1.1 LTE系统物理层 1.1.1 物理信道与调制

LTE 系统目前定义了5种下行物理信道: 物理下行共享信道PDSCH、物

理广播信道PBCH、物理多播信道PMCH、物理控制格式指示信道PCFICH、物理下行控制信道PDCCH。系统还定义了3种上行物理信道: 物理随机接入信道PRACH、物理上行共享信道PUSCH、物理上行控制信道 PUCCH。LTE 下行主要采用QPSK、16QAM、64QAM三种调 制 方 式 , 上 行 主 要 采 用 BPSK、 QPSK、 8PSK 和16QAM。针对广播业务, 3GPP提出了一种独特的分层调制方式。其基本思想是, 在应用层将一个逻辑业务分成两个数据流, 一个是高优先级的基本层, 另一个是低优先级的增强层。在物理层, 这两个数据流分别映射到信号星座图的不同层。由于基本层数据映射后的符号距离比增强层的符号距离大, 因此基本层的数据流可以被包括远离基站和靠近基站的用户接收, 而增强层的数据流只能被靠近基站的用户接收。也就是说, 同一个逻辑业务可以在网络中根据信道条件的优劣提供不同等级的服务。除了物理信道之外, 还有一些物理信号专门用来承载仅与物理层过程有关的信息, 如参考信号、同步信号等, 它们对高层而言不是直接可见的, 但从系统功能的观点来讲是必需的。 1.1.2 物理层主要传输技术

上行SC-FDMA的实现，尽管OFDM技术具有频谱效率高、带宽扩展性

强、抗多径衰落能力强等优点,但由于OFDM系统功率峰均比(PAPR)较高,从而增加发射机功放的成本和耗电量,不利于上行链路的实现。因此,在3GPP LTE系统中,上行传输方案采用带循环前缀的SC-FDMA。SC-FDMA是一种新型的单载波频分多址方式,作为宽带移动通信上行链路解决方案,它支持扩频技术、频域均衡方法以及多用户复用的通信场景。

上行SC-FDMA信号可以用/时域0和/频域0两种方法生成。时域处理的SC-FDMA有两种实现形式:一种是将已调制符号数据块先重复级联,再添加循环前缀,接着经过成形滤波后,通过用户特定的频谱搬移,实现频分多址。采用这种实

现方式的系统称为交织频分复用多址(IFDMA)系统,其传输信号具有离散频谱。另一种是将已调制符号数据块直接添加循环前缀,经过成形滤波后,再通过用户指定的频谱搬移,实现频分多址,其传输信号具有连续频谱。

频域生成方法主要是DFT-S-OFDM和DFT-S-GMC两种。基于离散傅里叶变换扩频的正交频分复用多址(DFT-S-OFDM)是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展,如图1所示。由于DFT-S-OFDM将每个数据符号扩频到所有分配的子载波上传输,从而使得其传输信号具有单载波信号的特性。

图1

2 OFDM原理

2.1 OFDM提出的必要性

在21世纪,移动通信技术和市场飞速发展,在新技术、市场需求的共同作用下,出现了第三代移动通信系统-3G, 3G中采用码分多址(CDMA)技术来处理多径问题,以获得多径分集增益。然而在该体制中,多径干扰和多用户干扰始终并存,在用户数较多的情况下,实现多用户检测是非常困难的。并且CDMA本身是一个自扰系统,所有的移动用户都占用相同的带宽和频率,所以在系统容量有限的情况下,用户数越多就越难达到较高的通信速率,因此3G系统所提供的2Mb/s带宽是共享式的,当多个用户同时使用时,平均每个用户可使用的带宽远低于2Mb/s,而这样的带宽并不能满足移动用户对一些多媒体业务的需求。不同领域技术的综合与协作,伴随着全新无线宽带技术的智能化,以及定位于用户的新业务,这一切必将繁衍出新一代移动通信系统4G。相比于3G, 4G可以提供高达100Mb/s的数据传输速率,支持从语音到数据的多媒体业务,并且能达到更高的频谱利用率以及更低