LTE中的SC-FDMA技術(shù)研究 *

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）

在上行鏈路方向，3GPP LTE采用SC-FDMA作為多址技術(shù)，該技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)較高的功率放大器效率，且對(duì)于FDD和TDD工作模式都是適用的。SCFDMA的基本形式可以看作與QAM調(diào)制等價(jià)，它每次發(fā)送一個(gè)符號(hào)的工作方式與時(shí)分多址（TDMA）系統(tǒng)（如GSM）類似。

1 SC-FDMA發(fā)射機(jī)和接收機(jī)

頻域信號(hào)生成過程如圖1所示，與具有常規(guī)QAM調(diào)制器的時(shí)域信號(hào)生成過程相比，它增加了良好的OFDMA頻譜波形特性。這樣，與下行鏈路OFDMA原理相似，不同用戶之間不再需要保護(hù)頻段。與OFDMA系統(tǒng)中的情形類似，SC-FDMA也需要周期性地在傳輸過程中添加循環(huán)前綴（由于SC-FDMA時(shí)域中的符號(hào)速率比OFDMA高，因而不需要在每個(gè)符號(hào)后添加循環(huán)前綴），以避免符號(hào)間干擾，簡化接收機(jī)設(shè)計(jì)。循環(huán)前綴能夠防止符號(hào)塊之間的符號(hào)間干擾，但在循環(huán)前綴之間仍存在著符號(hào)間干擾，因而接收機(jī)仍需要處理符號(hào)間干擾。對(duì)于符號(hào)塊來說，接收機(jī)通過啟動(dòng)均衡器，直到能夠防止符號(hào)間干擾深度傳播的循環(huán)前綴。

圖1 具有頻域信號(hào)生成功能的SC-FDMA發(fā)射機(jī)和接收機(jī)

2 SC-FDMA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率調(diào)整

傳輸過程會(huì)持續(xù)占用分配給用戶的部分頻譜，對(duì)于LTE來說，系統(tǒng)推薦采用1ms的分配周期。假定系統(tǒng)開銷一定，則當(dāng)頻域中的資源分配加倍時(shí)，數(shù)據(jù)速率也加倍。每次傳輸（具有調(diào)制功能）在時(shí)域縮短，但在頻域變寬，如圖2所示。圖2中的實(shí)例假定在新的資源分配過程中，保持現(xiàn)有的頻率資源不變，并分配相同數(shù)量的額外傳輸頻譜，這樣傳輸容量就增加了1倍。在實(shí)踐中，這種分配不需要考慮頻域的連續(xù)性，但需要對(duì)頻域資源連續(xù)分配進(jìn)行設(shè)置。實(shí)際信令限制條件規(guī)定，最多只能對(duì)180kHz的資源塊進(jìn)行分配。最大分配帶寬取決于系統(tǒng)使用的帶寬，系統(tǒng)帶寬可達(dá)20MHz。由此得出的最大分配帶寬要稍微小一些，因?yàn)橄到y(tǒng)帶寬定義包含了指向鄰近運(yùn)營商的保護(hù)頻段。例如假定系統(tǒng)信道帶寬為10MHz，最大資源分配等于50個(gè)資源塊，則傳輸帶寬為9MHz。

圖2 SC-FDMA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率調(diào)整

3 SC-FDMA中的資源分配

與頻域信號(hào)生成有關(guān)的SC-FDMA資源塊是使用與OFDMA下行鏈路相同的值進(jìn)行定義的，子載波間距取值為15kHz。這樣，即使實(shí)際傳輸采用的是一個(gè)單載波，其實(shí)信號(hào)生成階段使用了子載波項(xiàng)。最簡單的情形是，最小分配資源使用了12個(gè)子載波，因而帶寬等于180kHz。資源塊中的參考符號(hào)（或控制信息）不要求將攜帶數(shù)據(jù)的復(fù)值調(diào)制符號(hào)分配給資源要素，如圖3所示。當(dāng)資源映射完成后，信號(hào)進(jìn)入到時(shí)域信號(hào)生成過程，該過程將生成SC-FDMA信號(hào)，包括循環(huán)前綴的選定長度。圖3中的實(shí)例假定特征前綴具有兩種不同長度。

圖3 SC-FDMA中的資源映射

如圖3所示，參考符號(hào)通常位于時(shí)隙的中間。接收機(jī)使用這些參考符號(hào)來完成信道估計(jì)工作。對(duì)于參考符號(hào)的選擇有多種不同的方案，有時(shí)可以選用參考符號(hào)跳頻模式。對(duì)于那些用于提供基站接收機(jī)頻譜信息以實(shí)現(xiàn)上行鏈路方向頻域調(diào)度的數(shù)據(jù)來說，探測(cè)參考信號(hào)可以隨時(shí)在高帶寬上傳輸，而不是需要時(shí)才進(jìn)行傳輸。

這樣，不同用戶就可以共享時(shí)域和頻域中的資源。時(shí)域中的分配粒度是1ms，而頻域中的分配粒度是180kHz?；拘枰獙?duì)每次傳輸進(jìn)行控制，以確保它們不會(huì)在資源塊中出現(xiàn)重疊。同時(shí)，基站的控制也能夠避免使用冗長的保護(hù)時(shí)間、定時(shí)提前。通過修正IFFT輸入，發(fā)射機(jī)能夠?qū)鬏斝D(zhuǎn)在頻率的理想位置，如圖4所示?；窘邮諜C(jī)能夠檢測(cè)到來自于正確頻域/時(shí)域資源的傳輸信息。除了隨機(jī)接入信道之外，由于所有上行鏈路利用率是建立在基站調(diào)度的基礎(chǔ)上，因而基站通常知道哪個(gè)用戶希望得到哪些資源。

圖4 SC-FDMA頻域中具有資源共享功能的多址技術(shù)以及頻域信號(hào)生成過程

4 SC-FDMA的立方量度

由于在時(shí)域傳輸過程中，一次僅傳輸一個(gè)符號(hào)，因而系統(tǒng)能夠保持良好的包絡(luò)特性，波形特性是由所采用的調(diào)制方法控制的。它支持SC-FDMA實(shí)現(xiàn)較低的信號(hào)峰均比（PAR），更為重要的是，CM有助于在設(shè)備中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效的功率放大器。立方量度（CM）值是使用不同調(diào)制方法的滾降特性的函數(shù)，如圖5所示。使用諸如正交相移鍵控（QPSK）的低CM調(diào)制方法，由于CM值較低，因而功率放大器能夠工作在具有最小功率回退的最大功率值附近（如圖5所示）。它支持功率放大器擁有較高功率轉(zhuǎn)換效率，因而能夠有效降低設(shè)備功耗。需要注意的是，pi/2-BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）最初設(shè)計(jì)用于3GPP網(wǎng)絡(luò)，但由于3GPP性能要求使用QPSK來實(shí)現(xiàn)最大功率（23dBm），因而使用pi/2-BPSK就沒有其它優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)于用戶數(shù)據(jù)來說，3GPP標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)pi/2-BPSK做出規(guī)定。LTE中調(diào)制方法是根據(jù)符號(hào)傳輸用途來選擇的，符號(hào)既可以為物理層控制信息服務(wù)，也可以為高層數(shù)據(jù)（用戶數(shù)據(jù)或高層控制信令）服務(wù)。

圖5 OFDMA和SC-FDMA的立方量度

在設(shè)備端，與OFDMA接收機(jī)相比，SC-FDMA的基站接收機(jī)稍微復(fù)雜一些，尤其是在考慮能夠?qū)崿F(xiàn)與OFDMA接收機(jī)相當(dāng)性能的接收機(jī)（均衡器）設(shè)計(jì)時(shí)。顯而易見，接收機(jī)要能夠處理符號(hào)間干擾，該干擾終止于某個(gè)符號(hào)塊后，而不是終止于OFDMA中每個(gè)（長）符號(hào)后。由此帶來了對(duì)處理能力的高要求，與設(shè)備設(shè)計(jì)限制條件相比，基站的處理能力還不成為問題，目前急需解決的問題是要發(fā)揮SC-FDMA上行鏈路范圍的優(yōu)勢(shì)，并設(shè)法延長設(shè)備電源的壽命。分配周期為1ms的動(dòng)態(tài)資源使用優(yōu)勢(shì)在于：雖然對(duì)于每個(gè)UE來說，沒有備用的基帶接收機(jī)，但需要傳送數(shù)據(jù)的用戶可以動(dòng)態(tài)地使用基站接收機(jī)。在任何情況下，隨著數(shù)據(jù)速率的提高，上行鏈路和下行鏈路接收機(jī)鏈中最消耗資源的部分是信道解碼（Turbo解碼）。