LTE 系统相对于 UMTS 系统，在空中接口的无线传输能力有了很大的提高，尤其是在多址技术方面进行了革命性的改进，这也是整个 LTE 系统设计研究和标准化工作的核心。同时，LTE 在其他一些技术领域也进行了局部的改进，如多天线技术、自适应技术、调度算法与重传机制等。另外， LTE 系统还引入了一些革新性的技术用于优化系统的整体性能，如小区间干扰抑制技术、网络自组织技术等。本章将针对 LTE 系统中几项关键的无线传输技术进行详细介绍，为第 4 章空中接口物理层的设计实现打下基础。 从 LTE 系统的目标需求可以看出，下行 100Mbit/s 和上行 50MMbit/s 的传输能力对物理层无线传输技术提出了较高要求， 传统的 3G 空中接口技术已经难以满足此要求，因此，必须使用全新的空中接口技术。在 LTE 方案征集过程中，曾出现多种不同技术提案。 经过多次会议的艰苦协商，最终 确定了 LTE 系统下行物理层传输方案采用 OFDMA 以提高频谱效率，上行物理层传输方案采用单载波频分复用（ Single Carrier-Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA），以降低系统的峰均功率比（ Peak-to-Average Power Ratio， PAPR），从而减少终端体积和成本。 1 OFDM OFDM 技术是一种多载波调制技术，其主要思想是在可用频段内，将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，从而将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上并行传输，在接收端采用相关技术来分开正交信号。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输 ，信号带宽小于信道的相关带宽，因此就可以有效地克服信道衰落对信号的影响。 OFDM 技术相比单载波技术，具有易均衡和频谱利用率高等优点。在 OFDM 系统中， 由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。而单载波调制技术在宽带情况下，受频率选择性衰落影响较大，均衡器不容易设计，也不易使用。 OFDM系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。而在单载波系统中，一次衰落或者干扰可能就会导致整个链路的失效，但是在多载波系统中，某一时刻将只有少部分的子信道受到深度衰落的影响。另外， FDM 系统传输的 信号需要在两个信道之间预留较大的 频率 间隔即保护带宽来防止干扰，因此降低了频谱利用率；然而在 OFDM 系统中，由于各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不仅减小了子载波间的相互干扰，同时提高了频谱利用率。 OFDM 系统 收发机 的典型框图如图 3-1 所示 。输入的二元数字序列首先进行串并变换和编码映射，然后经过快速傅里叶逆变换（ IFFT）对编码后的星座点进行基带调制，再经并串变换、 D/A 转换及低通滤波后上变频送到信道。接收端的处理过程与发送端相反，信道出来的信号先经过下变频、低通滤波、 A/D 转换及串并变 换后，再进行快速傅里叶变换（ FFT），并对所得数据进行均衡以校正信道失真，最终进行译码判决和并串转换，恢复出原始的二进制序列。 图 3-1 OFDM 收发机框图 OFDM 技术 之所以 得到如此广泛的关注，并且被 LTE、 WiMAX 等系统所选中作为候选技术，主要是因为其具有以下优点。 （ 1）频谱利用率高。由于 OFDM 信号的相邻子载波相互重叠，故从理论上讲，其频谱利用率可以接近奈奎斯特极限，对于频谱资源受限的无线环境来讲，这一点非常重要。 （ 2）抗多径与频率选择性衰落能力强。在 OFDM 系统中，数据通过串并变换，转化 成并行数据，分散到许多个子载波上，因而大大降低了各子载波的符号速率，减弱了多径传播的影响。同时 OFDM 还采用了加循环前缀作为保护间隔的方法，符号间干扰甚至可以完全消除。 （ 3）动态子载波分配，提高了系统效率。在单用户 OFDM 系统中，可以通过选取各子信道、每个符号的比特数以及分配给各子信道的功率使总比特率最大。例如，可采用信息论中的“注水定理”来实现子信道的分配，即优质信道多传送、稍差信道少传送、劣质信道不传送的原则。在多用户 OFDM 系统中，由于注水算法相对复杂，所以一般采用各子信道等功率分配，利用不同用户的 衰落不同，为每个或者每组子载波选择最佳的用户进行传输，获得多用户分集增益，从而最大化系统效率。 （ 4）易于实现。基于 IFFT 和 FFT 来实现调制和解调，容易通过数字信号处理（ DSP）实现。 2 OFDMA OFDMA 技术是在 OFDM 技术的基础上发展起来的一种新型多址方式。由于 OFDM 调制中子载波之间的 正交性 及相对独立性，每一个子载波都可以以一个特定的调制方式和发射功率为特定用户传输数据，通过为每个用户分配这些子载波组中的一组或几组，就得到了一种新的多址方式 OFDMA。 按照子载波的组合方式，可将 OFDM 子信道的分配分为 集中式和分布式两种 方式 。集中式是通过频域调度选择较优的子 信道和对应用户进行传输，从而获得多用户分集增益，同时还可以降低信道估计的难度，但是这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略差。分布式是将分配给一个子信道的子载波分散到整个频段内，各子信道的子载波交替排列，从而获得频率分集增益，但是这种方式下 信道 估计较为复杂，无法采用频域调度，抗频偏能力也较差。目前， LTE 系统中下行传输同时支持分布式传输和集中式传输。 LTE 系统下行多址方式 OFDMA 如图 3-2 所示。 图 3-2 LTE 系统 下行多址方式 OFDMA OFDMA 作为一种新的多址方式，具有良好的性能，因此受到了广泛的关注和应用。然而， OFDMA 也存在一些不足：在实现小区间多址时，各小区使用的子载波资源难免发生冲突，随之导致小区间干扰。如果要避免这样的干扰，则需要在相邻小区间进行协调（联合调度），但这种协调可能需要网络层的信令交换的支持，对网络结构的影响较大。学术界已经就相关的小区间干扰消除技术展开了研究，就目前情况来看，可以通过一定的技术手段，避免小区间的联合调度。 3 OFDMA （ 1）时频同步 由于 OFDMA 各子载波的解 调是通过 FFT 变换来实现的，为了实现正确解调， FFT 的时间窗必须对准信号部分，因此，系统的时间必须完全同步。此外，由于 OFDMA 中各子载波相互重叠，为了保证它们之间的正交性，频率也必须完全同步。于是，时频同步成为 OFDMA的一大关键技术问题。 （ 2）随机跳频 跳频是解决突发干扰和频率分集的有效手段。在 OFDMA 中，同一小区内各用户的跳频图案是相互正交的，因而在同步的情况下将不存在小区内干扰。基站侧应支持根据不同的业务和传输需求，灵活分配跳频图案。 （ 3）动态载波分配 由于 OFDMA 是通过给不同用户分配不同子 载波的方式来实现多址连接，因此，可以根据各子载波的信号质量 灵活 分配用户信道，避开严重干扰的信道，提高信号传输质量。 LTE 系统采用了多载波多址方案替代码分多址方案，这是 LTE 相对 3G 和 3.5G 系统的重大区别和进步，然而，多载波多址方案在避免了知识产权成本过高和提高系统容量的同时，也存在一个重大问题，即系统 PAPR 过高的问题。这是因为多载波系统每个载波的信息可能会在时域进行叠加，导致很高的 RAPR，这一方面对信号发送端的功放提出了很高要求，同时也牺牲了信号的发射功率。 对于下行 链路，由基站发射信号，采用多载波技术后，由 PAPR 带来的功放成本和发射功率的牺牲，相对数据速率的大幅度提升可以容忍。然而，在上行链路中，信号由用户终端发射，过高的发射功率将会降低电池的使用寿命，提高对系统功放的要求，从而增加了终端设备的成本。 经过多次激烈的讨论和性能权衡， LTE 系统最终决定采用单载波频分多址（ SC-FDMA）作为上行多址方式，它是相对于 OFDMA 提出的一种多址方案，其特点是可以降低上行发射信号的 PAPR。 SC-FDMA 在每个传输时间间隔（ TTI）内，基站会给每个 UE 分配一个独立的频段，以便 发送数据。这样，就可以将不同用户的数据在时间和频率上完全分开，保证了小区内同一时刻不同用户所使用上行载波的正交性，避免了小区内同频干扰。 上行 SC-FDMA 信号可以用“时域”和“频域”两种方法实现，时域实现方法又称为交织 FDMA（ Interleaved FDMA， IFDMA），频域实现方法又称为 DTF 扩展 OFDM（ Discrete Fourier Transform-Spread OFDM， DFT-S-OFDM）。 1 IFDMA IFDMA 结合了 CDMA 和 FDMA 技术的特点，它采用码片复制技术，在 频域上得到梳状频谱，使得每个用户占用一组正交的子载波 ，并对不同用户的子载波进行交织 ，所以 IFDMA可以认为是一种特殊的多载波方案，其中用户的多址方式是由频率区分的。但是与多载波系统相比， IFDMA 系统的 PAPR 远远低于多载波系统，因此，可以认为 IFDMA 结合了单载波和多载波的优点，即它既具有类似单载波系统低 PAPR 的良好特性，同时又可以通过改变码片复制因子来支持可变速率的业务，因此受到了广泛的关注。 在 IFDMA 中，每个用户占用的子载波在传输频段上均匀分配，以获得最大限度的频率分集增益。在 IFDMA 里，一定 数量的数据符号被分为块并 重复 L 次，如图 3-3 所示。假如迭代参数 L 大于 1， IFDMA 就能运行在分布式 FDMA 模式，在集中式模式里 L = l，并带有可根据用户带宽调整的数字滤波器， DS（可选）扩频用在 IFDMA 能进一步提供频率分集。 图 3-3 发射机结构 IFDMA 可以有效避免多址干扰，达到降低小区内多用户干扰、增加系统容量的目的。但是，在多径信道环境中，该技术可能会引入一定的码间干扰，为了减小码间干扰，必须在接收端使用均衡器。频域均衡是一种简单而又有效的方法，即先将合并后的信号经过 FFT 变换到频域，进行 均衡处理，再将均衡后的信号变换到时域进行解调判决等操作。 2 DFT-S-OFDM DFT-S-OFDM 是一种特殊的 OFDMA 系统，其多用户子载波的映射在频域上完成，它 将传输带宽分为正交的子载波集合，将不同的子载波集合分配给不同的用户，从而在多用户之间灵活地共享系统传输带宽，同时由于信号在频域的正交性，避免了系统中的用户间多址干扰。 与普通 OFDMA 相比， DFT-S-OFDM 系统结构的特点主要是在子载波映射前添加了一个离散傅里叶变换（ DFT）扩频模块，如图 3-4 中阴影部分所示。不难看出，系统最后发射 的是时域信号，因此，该方案有效地避免了 OFDM 系统发送频域信号带来的 PAPR 问题。 图 3-4 LTE 系统上行多址方式 DFT-S-OFDM DFT-S-OFDM 的主要流程包括：信道编码、信道交织、信号调制，并经过串并转换、 DFT变换，然后进行 OFDM 调制（即 IFFT 变换）、添加 CP、并串变换，最后输出一个 DFT-S-OFDM信号。 3 SC-FDMA DFT-S-OFDM 与 IFDMA 相比较，其主要优势在于子载波的映射更具灵活性， IFDMA 需要利用压缩复制因子和用户相位的调整来分配各个用户占 用的子载波，而 DFT-S-OFDM 的子载波通常有集中式映射和分布式映射两种。其中，集中式映射方式中每个用户的所有子载波相邻放置在一个频带区域内；而分布式映射方式是将用户的每个子载波等间隔地放置在整个频带上，进一步获得频率分集增益。 DFT-S-OFDM 相比 IFDMA 的另外一个优势是， IFDMA 系统需采用根升余弦滤波器