SC-FDMA基础讲解及优化

在上行链路方向上，3GPP采用SC-FDMA作为多址技术，该技术对于FDD和TDD工作模式都是适用的。SC-FDMA的基本形式可以看作与QAM调制等价，它每次发送一个符号的工作方式与时分多址（Time Division Multiple Access，TD-MA）系统（如GSM）类似。频域信号生成过程如图4-13所示，与具有常规QAM调制器的时域信号生成过程相比，它增加了良好的OFDMA频谱波形特性。这样，与下行链路OFDMA原理相似，不同用户之间不再需要保护频段。与OFDMA系统中的情形类似，SC-FDMA也需要周期性地在传输过程中添加循环前缀（由于SC-FDMA时域中的符号速率比OFDMA高，因而不需要在每个符号后添加循环前缀），以避免符号间干扰，简化接收机设计。循环前缀能够防止符号块之间的符号间干扰，但在循环前缀之间仍存在着符号间干扰，因而接收机仍需要处理符号间干扰。为此，接收机可以在某个符号块中启动均衡器，直到形成能够防止符号间干扰深度传播的循环前缀为止。

图4-13 具有频域信号生成功能的SC-FDMA发射机和接收机

传输过程会持续占用分配给用户的部分频谱，对于LTE来说，系统推荐采用1ms的分配周期。假定系统开销一定，则当频域中的资源分配加倍时，数据速率也加倍。每次传输（具有调制功能）在时域缩短，但在频域变宽，如图4-14所示。图4-14中的实例假定在新的资源分配过程中，保持现有的频率资源不变，并分配相同数量的额外传输频谱，这样传输容量就增加了1倍。在实践中，这种分配不需要考虑频域的连续性，但需要对频域资源连续分配进行设置。实际信令限制条件规定，最多只能对180kHz的资源块进行分配。最大分配带宽取决于系统使用的带宽，系统带宽可达20MHz。由此得出的最大分配带宽要稍微小一些，因为系统带宽的定义中包含了指向邻近运营商的保护频段。例如，假定系统信道带宽为10MHz，最大资源分配等于50个资源块，则传输带宽为9MHz。关于信道带宽（BW_Channel）和传输带宽配置（N_RB）的详细信息，我们将在第11章进行介绍。

图4-14 SC-FDMA系统中的数据速率调整

与频域信号生成有关的SC-FDMA资源块是使用与OFDMA下行链路相同的值进行定义的，子载波间频差取值为15kHz。这样，即使实际传输采用的是一个单载波，但其实信号生成阶段使用了子载波项。最简单的情形是，最小资源分配使用了12个子载波，因而带宽等于180kHz。资源块中的参考符号（或控制信息）不要求将携带的数据的复值调制符号分配给资源元素，如图4-15所示。当资源映射完成后，信号进入到时域信号生成过程，该过程将生成SC-FDMA信号，包括循环前缀的选定长度。图4-15中的实例假定特征前缀具有两种不同长度，相关知识我们将在第5章中进行介绍。

如图4-15所示，参考符号通常位于时隙的中间。接收机使用这些参考符号来完成信道估计工作。对于参考符号的选择有多种不同的方案，有时可以选用参考符号跳频模式，这一步我们将在第5章中进行详细介绍。在第5章中，我们还要特别介绍探测参考信号，对于那些用于提供基站接收机频谱信息以实现上行链路方向频域调度的数据来说，它们是随时在高带宽上传输，而不是需要时才进行传输。

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图4-15 SC-FDMA中的资源映射

这样，不同用户就可以共享时域和频域中的资源。时域中的分配粒度是1ms，而频域中的分配粒度是180kHz。基站需要对每次传输进行控制，以确保它们不会在资源块中出现重叠。同时，基站的控制也能够避免使用冗长的保护时间、定时提前，这一点我们将在第5章中进行详细介绍。通过修正IFFT输入，发射机能够将传输旋转在频率的理想位置，如图4-16所示。基站接收机能够检测到来自于正确频域/时域资源的传输信息。除了随机接入信道之外，由于所有上行链路利用率是建立在基站调度的基础上，因而基站通常知道哪个用户希望得到哪些资源。

图4-16 SC-FDMA频域中具有资源共享功能的多址技术以及频域信号生成过程

由于在时域传输过程中，一次仅传输一个调制符号，因而系统能够保持良好的包络特性，波形特性是由所采用的调制方法控制的。它支持SC-FD-MA实现较低的信号峰均比（PAR），更为重要的是，立方量度（CM）有助于在设备中设计实现高效的功率放大器。CM值是使用不同调制方法的滚降特性的函数，如图4-17所示。使用诸如正交相移键控（QPSK）的低CM调制方法，由于CM值较低，因而功率放大器能够工作在具有最小功率回退的最大功率值附近（见图4-17）。它支持功率放大器拥有较高的功率转换效率，因而能够有效地降低设备功耗。需要注意的是，π/2BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）最初设计用于3GPP网络，但由于3GPP性能要求使用QPSK来实现最大功率（23dBm），因而使用π/2BPSK就没有其他优势，所以对于用户数据来说，3GPP标准并未对π/2BPSK做出规定。LTE中调制方法是根据符号传输用途来选择的，符号既可以为物理层控制信息服务，也可以为高层数据（用户数据或高层控制信令）服务，详细信息我们将在第5章中进行介绍。

图4-17 OFDMA和SC-FDMA的立方量度^[6]（CM）

在设备端，与OFDMA接收机相比，SC-FDMA的基站接收机稍微复杂一些，尤其是在考虑能够实现与OFDMA接收机性能相当的接收机（均衡器）的设计时。显而易见，接收机要能够处理符号间干扰，该干扰终止于某个符号块后，而不是终止于OFDMA中每个（长）符号后。由此带来了对处理能力的高要求，与设备设计限制条件相比，基站的处理能力还不成为问题，目前急需解决的问题是要发挥SC-FDMA上行链路范围的优势，并设法延长设备电源的使用寿命。使用分配周期为1ms的动态资源的优势在于：虽然对于每个UE来说，没有备用的基带接收机，但需要传送数据的用户可以动态地使用基站接收机。在任何情况下，随着数据速率的提高，上行链路和下行链路接收机链中最消耗资源的部分是信道解码（Turbo解码）。