1、热点技术基于 OFDMA 的 LTE 下行多址接入方案西南交通大学信息工程学院 余彩虹摘要：文章介绍了基于正交频分复用多址（OFDMA）的长期演进（LTE）下行链路多址接入方案，阐述了 OFDM 技术的基本原理，分析了 OFDM 技术的优势，从而引出 OFDMA多址方案，并简要介绍 3GPP 建议的其他下行多址接入方案。关键词：LTE 下行多址接入 OFDM OFDMA1 引言在 LTE 系统刚刚开始时，有关多址接入方式的讨论就已经进行，其讨论的范围主要包括与 OFDM 技术相结合的多址方式，基于单载波频域均衡（SC-FDE）的多址方式，以及与 CDMA 相结合的多址方式等。3GPP 经过激烈
2、的讨论，最终决定 LTE 的多址方案采用下行正交频分多址（OFDMA ） ，上行单载波频分多址（ SC-FDMA）的方式。本文主要讨论基于 OFDMA 的下行多址接入方案。它最大的优点是能够抵抗频率选择性衰落，同时能够有效地提高频谱效率。作为 OFDMA 技术的基础，正交频分复用（OFDM）的基本思想是将高速输入的串行比特流在发送端转化成若干并行的低速数据流，并映射到等频率间隔的多个正交子载波上进行传输。2 OFDM 技术的基本原理OFDM 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术。每个 OFDM符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键控（PSK
3、）或者正交幅度调制（ QAM） 。如果用 N 表示子信道的个数，T 表示 OFDM 符号的宽度，d i(i=0,1,N-1)是分配给每个子信道的数据符号，fc 是载波频率，则从 t=ts开始的OFDM 符号可以表示为（1） /21/ 0.5Reexp2,iNcsssi istdjfttT 在很多文献中，经常采用如下所示的复等效基带信号来描述 OFDM 的输出信号：（2）/21/ ,iNssi istjttT其中，式（1-2）的实部和虚部分别对应于 OFDM 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 OFDM 符号。从频域角度上看，OFD
4、M 符号的频谱实际上可以满足无符号间干扰的奈奎斯特准则。参考图 1 可见，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率。图 1 OFDM 的频谱若对式（1-2）中定义的复等效基带信号 s(t)进行 T/N 的速率进行采样，即 t=kT/N，可得到：（3）102/exp,01NikiskTdj式（1-3）中，s(k)即为 di的 IDFT 运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号 di，可以对 s(k)进行 DFT 变换，得到： （4）102exp,01NikkisjN根据以上分析可以得到这样的结论：OFDM 系统的调制解调可以分别利用 IDFT 和DFT 来实现。通过 N 点的 IDFT 运算，将
5、频域数据符号 di变换为时域数据符号 s(k),经过载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N 点 DFT 运算，即可获得发送的数据符号 di。为了最大限度地消除符号间干扰，且保持子载波之间的正交性，还可以在每个 OFDM符号之间加入循环前缀（Cyclic Prefix，CP） 。插入 CP 就是将 OFDM 符号结尾处的若干采样点复制到此 OFDM 符号之前，CP 长度必须长于主要多径分量的时延扩展。加入循环前缀之后基于 IDFT/DFT 的 OFDM 系统框图见图 2。串/并变换星座映射并/串变换D/A变换星座解调DFT变换A/D变换并/串变换n(t
6、)多径衰落信道IDFT变换加CP去CP串/并变换图 2 加入循环前缀之后基于 IDFT/DFT 的 OFDM 系统框图3 OFDM 技术的优势OFDM 技术有以下优点：（1） 频谱利用率高OFDM 系统中各个子载波的正交性使子信道的频谱可以重叠，因此 OFDM 系统的频谱利用率得到了大大提高。（2） 带宽扩展强OFDM 系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，因此具有很好的带宽扩展性，但并不会明显增加 FFT 尺寸带来的系统复杂度。（3） 抗多径衰落通过对高速数据流进行串并转换，每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，因此每个子载波上的信道可以看成是平坦衰落信道，有效地对抗多径干扰。（4） 自适
7、应调制和动态信道分配OFDM 系统的一个显著特点是可以在不同的频带采用不同的调制编码方式以更好地适应信道的频率选择性。另一方面，通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提高系统性能。（5） 实现 MIMO 技术较简单由于 MIMO 技术的天线之间的干扰（IAI）和符号间干扰（ISI）混合在一起，采用OFDM 与 MIMO 相结合的技术，可以降低 MIMO 接收和信道均衡混合处理的接收机复杂度。尽管如此，OFDM 技术还存在过高的峰均功率比（PAPR ） 、对频率偏移非常敏感等缺点，这是在 OFDM 系统设计中需要特别注意的问题。4 正交频分多址（OFDMA）正交
8、频分多址（OFDMA ）的概念类似于 FDMA，是在 OFDM 技术基础上发展起来的，应用于下行链路时又可以被称为多用户 OFDM（Multiuser OFDM） 。由于 OFDM 技术中各个子载波之间相互独立，每个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率电平，所以 OFDMA 技术可以给每一个用户分配符号内部分可用的子载波。从这一点上来说，它和 FDMA 是等价的；然而 OFDMA 技术中各个子载波频谱互相混叠，采用基于载波频率正交的快速傅立叶变换（FFT）调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波间的正交，并不需要在用户之间设置保护频带从而避免了频率资
9、源的浪费。OFDMA 技术中各个用户所使用的子载波也并不一定连续，而是允许以子载波为单位任意分配，因而具有比 FDMA 更高的灵活性，大大提高了频带利用率，这在频谱资源日益紧张的今天显得尤为重要。5 其他下行多址技术方案LTE 下行多址技术主要是在基于 OFDMA 技术和基于 CDMA 技术之间进行选择。下面简单介绍一下 LTE 曾考虑到其他几种下行多址技术方案。（1）VSF-OFDM 技术方案可变扩频系数 OFDM（VSF-OFDM ）技术的核心是在 OFDM 调制之前，采用 CDMA或低码率信道编码进行码域扩频，以抑制小区间干扰。通过简单地调整信道码率和扩频系数，灵活针对不同的应用场景进行
10、优化，满足运营商的各种部署需求。（2）OFDM/OQAM 技术方案OFDM/OQAM 也称作滤波 OFDM。3G LTE 系统采用基于 IOTA（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm，等方性正交传输算法）的滤波器，利用其良好的时频定位特性和正交特性，实现在不加循环前缀的条件下有效减小码间干扰和载波间干扰。（3）多载波 WCDMA（MC-WCDMA）技术方案MC-WCDMA 方案的支持者建议基于原有的 CDMA 技术，通过对接收机技术的改进和扩展，满足 LTE 的需求。这种演进路线可以更好地保持与原有系统的频谱兼容性，充分利用产业界的现有成果，也有利于
11、更快地将 LTE 技术推向市场。（4）多载波 TD-SCDMA（MC-TD-SCDMA）技术方案此方案和 MC-WCDMA 方案相似，只是在 TD-SCDMA 基础上进行多载波增强。6 总结本文介绍了 3GPP LTE 采用的基于 OFDMA 技术的下行多址接入方案，虽然 LTE 最后选择 OFDMA 作为下行多址接入技术方案，但并未证明 OFDM 比 CDMA 技术频谱效率高。即便是针对 OFDMA 的各种改进技术， 3GPP 也没有确认这些技术确实能提供显著的增益并解决现实中的各种问题。因此，对于 3GPP LTE 下行多址接入方案，仍存在许多可供研究的空间。参考文献1 郑侃,赵慧,王文博等. 3G 长期演进技术与系统设计. 电子工业出版社. 2007:62-98.2 沈嘉,索士强,全海洋,赵训威,胡海静,姜怡华.3GPP 长期演进（LTE ）技术原理与系统设计.人民邮电出版社.2008:130-143.3 3GPP TS 36.201 v8.1.0. LTE Physical Layer General Description (Release 8).4 3GPP TS 36.211 v8.4.0. Physical Channel and Modulation (Release 8).
