LTE多址背景知识详解

单载波（Single Carrier，SC）传输意味着信息只能调制到一个载波上，我们既可以对该载波进行调相，又可以对该载波进行调幅，也可以同时对该载波进行调相和调幅。我们可以对该载波进行调频，但LTE系统并未实现调频。数据速率越高，数字系统中的符号速率越高，因而带宽也越高。如果使用简单的正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）技术（如参考文献[1]给出了QAM的基本原理），则发射机可以对信号进行调整，以确保在每个调制符号上传送适当比特的信息。由此形成的频谱波形是一种单载波频谱，如图4-1所示，它包含了因使用脉冲开关造成的频谱屏蔽（过滤后）。

根据频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）原理，不同的用户将使用不同的载波或子载波同时接入系统，其数据调制频率位于不同中心频率附近，如图4-2所示。需要注意的是，在生成波形时，不同载波之间的干扰不能太大，用户之间也不能使用太宽的保护频段。

图4-1 单载波发射机

图4-2 FDMA原理

多载波工作原理如图4-3所示，其中数据被分配在一个发射机的不同子载波上。图4-3中的实例包含一个滤波器组。在实际解决方案（如我们后面将要提到的方案）中，对于那些子载波数目较多的应用来说，通常使用反向快速傅里叶变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）来替代滤波器组。多载波的一种实现方式是双载波WCDMA（双小区HSDPA，我们将在第13章中进行介绍），在该实现方法中，通信双方互相向对方发送两个WCDMA系统信息，但为了提高频谱利用率，一般不使用本节后面讲到的工作原理。

图4-3 多载波工作原理

为了解决可能由保护频段需求带来的效率低下问题，我们在选择系统参数时，通常使得不同传输之间是正交的，且在生成子载波时，确保子载波之间不会相互干扰，但在频域内子载波的频谱之间又是重叠的。这就是采用正交频分复用多址（OFDMA）技术达到的效果。采用这种技术时，子载波的每个中心频率是从频域中的不同集合中选取的，且邻近子载波在理想子载波采样点处的值为0，如图4-4所示。对于LTE来说，Release8标准将子载波的固定频差规定为15kHz（在后续标准版本中，当LTE与诸如移动电视等广播应用进行互连时，也可支持7.5kHz的固定频差）。

图4-4 保持子载波之间的正交性

20世纪50年代，人们已经了解OFDMA的基本原理，当时系统还在使用模拟技术，作为构成变化和温度变化范围的一个函数，要保持子载波之间的正交性并不是一个简单的问题。随着数字通信技术的广泛应用，对于广大消费者来说，OFDMA变得越来越可行，价格也越来越合理。近年来，OFDMA已经广泛应用于多个领域，如数字电视，包括地面数字视频广播（Digital Video Broadcast-ing-Terrestrial，DVB-T）和手持式数字视频广播（Digital Video Broadcast-Hand-held，DVB-H），以及无线局域网（WLAN）应用。(www.xing528.com)

正如SC-FDMA在上行链路方向部分使用了OFDMA原理，以实现高频谱效率一样（我们将在下一节进行描述），LTE多址技术的上行链路部分采用了OFDMA原理。当前我们看到的SC-FDMA（本章下一节要进行介绍）是一种比较新的技术，20世纪90年代后期才陆续在各种出版物上出现，这些出版物包括参考文献[2]及其他参考文献。

在LTE和其他系统中引入OFDMA技术的全部动机，是因为该技术具有如下特性：

1）在频率选择性衰落信道中具有良好的性能；

2）基带接收机复杂性低；

3）较好的频谱特性和较强的多带宽处理能力；

4）链路自适应和频域调度能力；

5）能够与其他接收机和天线技术兼容。

上述的许多优点（我们将在下一节进行详细解释）只能随着无线接入网架构不断发展而逐渐实现，在基站（对于WCDMA来说，3GPP术语中称为No-deB）中进行无线相关控制设置。随着系统带宽越来越大（超过5MHz），接收机复杂性将成为一个急需解决的问题。

OFDMA技术也面临着一些挑战，包括：

1）对频移的容限问题。在进行LTE设计时，这个问题可以通过选择间距为15kHz的子载波来解决，由于速率和实现方面存在着缺陷，该子载波对于多普勒频移具有较大的容限。

2）传输信号的峰均比（Peak-to-Average Ratio，PAR）较高，它要求发射机具有较好的线性。线性放大器的功率转换效率较低，因而对于移动上行链路来说并不理想。在LTE系统中，该问题可以通过采用SC-FDMA技术来解决，该技术有助于实现较高的功率放大器效率。

我们可以回顾一下20世纪90年代3G技术选择的开展情况。可行的上行链路解决方案缺乏，针对高级天线解决方案（使用多条天线）的需求以及无线资源控制功能集中在无线网络控制器（RNC）的现状，成为早期无法使用OFDMA技术的关键因素。参考文献[3]给出了OFDMA和CDMA技术以及3G无线接入技术方面的研究成果。推动OFDMA发展的关键支撑技术，如基于基站的调度技术（Release5和Release6）和多输入多输出（MIMO）技术（Release7），在WCDMA演进的后续阶段中陆续被引入。2002～2007年，这些增强方案陆续引入到WCDMA中，它们支持OFDMA技术的高级特征，而不仅仅是将OFDMA作为一种基于传统2G蜂窝网络的调制方法，这些2G网络不具备高级特征。