基于LTE的單載波頻分多址調(diào)制技術(shù)研究

摘要：針對移動通信中，對于手持終端能耗的要求較高的特點，單載波頻分多址作為一種單載波調(diào)制方式，以其與生俱來的優(yōu)點，被3GPP LTE標準采用為上行調(diào)制方式。該文對單載波頻分多址進行了簡要的介紹，對3GPP相關(guān)標準進行解析，簡要說明了在LTE上行信道中的編碼調(diào)制方式和幀結(jié)構(gòu)，并結(jié)合標準進行仿真，給出仿真信號頻譜，在峰均比性能上與OFDM進行了對比，說明了單載波頻分多址在峰均比方面與OFDM比較，可以將峰均比提高2個單位以上，滿足移動通信中低功率的要求。
關(guān)鍵詞：LTE；單載波頻分多址；峰均比；3GPP標準；幀結(jié)構(gòu)

    在第三代移動通信的發(fā)展過程中，隨著R99、R4、R5、R6和R7各個系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范的發(fā)布，第三代合作伙伴計劃(3GPP：3rd Generat-ion Partnership proiect)作為WCDMA和TD—SCDMA這兩個系統(tǒng)進行國際標準化工作的主要組織，為基于CDMA技術(shù)的第三代移動通信技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，近年來這些系統(tǒng)逐漸進入了商用的進程。2004年11月，根據(jù)眾多移動通信運營商、制造商和研究機構(gòu)的要求，3GPP通過了關(guān)于“Evolved UTRA and UTRAN”，又稱為Long Term Evolution(LTE)即“3G長期演進”的立項工作。LTE在2005年12月召開的技術(shù)規(guī)范組無線接入網(wǎng)(TSGRAN)第30次全會上，最終決定物理層可行性研究技術(shù)將集中在上行單載波頻分多址(SC—FDMA，Single Carrier Frequency Division Multiple Access，如DFT—S—OFDM，DFT Spread OFDM)和下行正交頻分多址(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)上。
    SC—FDMA是一種單載波調(diào)制方式，基本的處理方法可分為DFT-S-GMC和DFT—S—OFDM，其中，3GPP標準中規(guī)定采用DFT-S-OFDM方式，即DFT擴展的OFDM方式，這種方式將每個載波能量分配到每個時隙中，可有效的降低峰值平均功率比。本文首先介紹了在3GPP標準下所規(guī)定的幀格式，調(diào)制編碼方式對于相同的信號源，本文分別進行了SC—FDMA和OFDM的MATLAB仿真，并比較得出結(jié)論。

1 SC-FDMA編碼原理
    SC—FDMA和OFDMA的相似之處包括，基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)調(diào)制和處理，傳輸帶寬到窄帶的分集方式，信道的頻域均衡處理和CP的用法。二者在接收端的不同的檢測處理和不同點符號調(diào)制方式，SC—FDMA在進行檢測處理之前要經(jīng)過一個IDFT的過程。OFDMA并行同步傳輸數(shù)據(jù)符號，而SC—FDMA的每個符號要先分成若干個小的數(shù)據(jù)塊，然后再和其他符號構(gòu)成的數(shù)據(jù)塊按一定的順序組合。
    SC—FDMA編碼主要包括：CRC校驗，Turbo編碼，內(nèi)部交織，網(wǎng)格結(jié)尾和速率匹配。編碼流程翻如圖1所示。

    首先，將CRC校驗前的數(shù)據(jù)表示為a0，a1，…，aA-1，并將校驗比特表示為pO，p1，…，pL-1，則校驗比特由以下其中一個循環(huán)生成多項式生成：
   
   
    然后，經(jīng)過碼塊分割并且進行CRC校驗碼添加，將數(shù)據(jù)分成r塊，每個塊后面加上校驗比特。
    將r塊數(shù)據(jù)分別經(jīng)過Turbo編碼器，該Turbo編碼器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    數(shù)據(jù)序列ck'是ck經(jīng)過交織后的結(jié)果，交織過程如下：

    速率匹配過程分為子塊交織，比特類集，選擇和傳送，先將數(shù)據(jù)補零形成32行的矩陣，進行列交織；然后將分別交織后的三列數(shù)據(jù)匯集成一列數(shù)據(jù)，并根據(jù)冗余版本要求輸出不同長度的序列。

2 SC-FDMA調(diào)制原理
    SC—FDMA調(diào)制基帶過程主要包括以下步驟：
    1)串并變換
    將串行比特流變換成并行數(shù)據(jù)，通常，若星座映射為QPSK，變成2 M個并行比特，若為16QAM，則變成4 M個并行比特；
    2)比特到星座映射
    將M個并行比特分別進行星座映射，QPSK方式下，每2比特映射一個虛數(shù)字節(jié)，16QAM下，每4比特映射一個虛數(shù)字節(jié)；
    3)M點DFT擴展
    DFT擴展是SC—FDMA有別于OFDM的重要特征，經(jīng)過DFT擴展后的時域數(shù)據(jù)變換到頻域上進行處理；
    4)子載波映射
    子載波映射分為兩種方式，分別是分布式子載波映射(DFDMA)和集中式子載波映射(LFDMA)。除此之外，還有一種交織式子載波映射由于其分集效應(yīng)較大一般不應(yīng)用于DFT-S-OFDM，而是應(yīng)用于另一種單載波頻分多址方式DFT-S-GMC；
    5)N點IFFT
    經(jīng)過擴展后的數(shù)據(jù)在頻域上占有一定帶寬，再進行IFFT將其變換到時域進行處理；
    6)加循環(huán)前綴
    SC—FDMA標準中所要求的循環(huán)前綴有兩種，一種是常規(guī)CP，每時隙第一個符號里為5．2μs，所有其他時隙為4．69μs，一種是擴展CP，所有符號里均為16．67μs，擴展CP對于具有較大信道時延擴展特點的部署以及大的小區(qū)是有益的；
    7)并串變換
    并行數(shù)據(jù)變換為串行，基帶調(diào)制完成。
    分布式子載波映射如圖3(a)所示。子載波映射將M個等間距的子載波(例如，每第L個子載波)分配給用戶。(L-1)個零插入到M點DFT的輸出樣值之間，額外的零添加到IFFT之前的DFT輸出的邊帶(ML<N)。和集中形式一樣，添加到DFT輸出邊帶的零提供了上采樣或sinc內(nèi)插，而插到
DFT輸出樣值之間的零是波形在時域上重復。這就導致發(fā)送信號類似于具有重復因子L和“sinc”脈沖成型濾波的時域IFDMA。

    集中式子載波如圖3(b)所示。通過子載波映射將一組M個連續(xù)的子載波分配給一個用戶。由于M<N，DFT輸出要添零，這使得原始的MQAM數(shù)據(jù)符號在OFDM調(diào)制器的IFFT的輸出端產(chǎn)生上采樣／內(nèi)插版本。因此發(fā)送信號類似于一個具有CP(等價于重復因子L=1的時域生成)和sinc脈沖成型濾波(循環(huán)濾波)的窄帶單載波信號。
    在3GPPLTE標準中，規(guī)定采用集中式，即采用連續(xù)子載波塊。從而簡化了傳輸方案，并使相同的RB結(jié)構(gòu)能夠用于下行鏈路。唯一采用分布式傳輸?shù)氖怯糜谏闲墟溌返奶綔y參考信號(SRS)，傳輸這一信號使得eNode B能夠進行上行鏈路頻率選擇性調(diào)度。

3 LTE上行幀結(jié)構(gòu)
    對于LTE上行幀來說，每個時間單位Ts=1／(150 000x048)s。每一幀長度為Tf=307 200xTs=10 ms。傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    這種幀結(jié)構(gòu)形式適用于全雙工及半雙工FDD，每個幀長度是10 ms，并包括20個時隙，每個時隙持續(xù)0．5 ms，每個子幀由兩個時隙組成。
    每個時隙可以表示為一個櫥格結(jié)構(gòu)，包括個子載波，個SC-FDMA符號。柵格結(jié)構(gòu)如圖5所示。

   
    其中，分別對應(yīng)于最小和最大上行帶寬，并在文獻中有說明。柵格中每個元素成為一個資源元素，以(k，l)表示，其中，的值由下表給出，每個屋里資源塊包括個資源元素，相當于時域的一個時隙，以及頻域的180 kHz。

4 仿真結(jié)果
    對SC—FDMA和OFDM分別進行MATLAB仿真。輸入一組隨機數(shù)據(jù)進行調(diào)制，如圖6(a)所示，數(shù)據(jù)調(diào)制后如圖6(b)所示，由于調(diào)制階段才用的是集中式子載波映射方式，所以頻譜多集中在一個頻帶內(nèi)。在一定帶寬內(nèi)有數(shù)據(jù)信號。圖7中可以看出，相同的信噪比條件下，SC—FDMA的PAPR相對OFDM要小的多，QPSK情況下，在RSN=10-3附近，OFDM調(diào)制的PAPR=9．7，而SC—FDMA調(diào)制的PAPR=7．1；在RSN=10-1附近，OFDM調(diào)制的PAPR=7．5，而SC—FDMA調(diào)制的PAPR=5．6。SC—FDMA的PAPR性能遠優(yōu)于OFDM，這就符合了設(shè)計的初衷。

5 結(jié)論
    本文介紹了基于LTE的單載波頻分多址調(diào)制技術(shù)的原理，并結(jié)合3GPP協(xié)議內(nèi)容，對上行傳輸中幀結(jié)構(gòu)進行了說明，具體介紹了上行幀格式，最后，對QPSK和16QAM調(diào)制方式下的SC—FDMA和OFDM調(diào)制方式分別進行仿真，得出SC—FDMA方式比OFDM方式峰均比低，可以滿足低功耗要
求，更適用于上行傳輸。