3GPP LTE中的OFDMA和SC-FDMA性能比较

2007-11-16 11:52:39来源:通信世界网 作者:王勇 刘光毅 张建华热度:

通用陆地无线接入(UTRA)演进的目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统[1]。 演进的UTRA致力于建立一个上行速率达到50 MHz、下行速率达到100 MHz、频谱利用率为3G R6的3~4倍[2] 的高速率系统。为达到上述目标,多址方案的选择应该考虑在复杂度合理的情况下,提供更高的数据速率和频谱利用率。在上行链路中,由于终端功率和处理能力的限制,多址方案的设计更具挑战性,除了性能和复杂度,还需要考虑峰值平均功率比(PAPR)对功率效率的影响。

在3GPP LTE的标准化过程中,诺基亚、北电等公司提交了若干多址方案,如多载波(MC)-WCDMA,MC-TD-SCDMA,正交频分多址接入(OFDMA),交织频分复用(IFDMA)和基于傅立叶变换扩展的正交频分复用(DFT-S OFDM)。OFDMA已成为下行链路的主流多址方案,并且是上行链路的热门候选方案,其中,北电公司的方案支持频分双工(FDD)方式[3],信息产业部电信传输研究所的方案支持时分双工(TDD)方式[4]。

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由于正交频分复用(OFDM)能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰落,可以获得很高的频谱利用率,OFDM非常适用于无线宽带信道下的高速传输。通过给不同的用户分配不同的子载波,OFDMA提供了天然的多址方式。由于用户间信道衰落的独立性[1],可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能,达到服务质量(QoS)要求。然而,为了降低成本,在用户设备(UE)端通常使用低成本的功率放大器,OFDM中较高的PAPR将降低UE的功率利用率,降低上行链路的覆盖能力。由于单载波频分复用(SC-FDMA)具有的较低的PAPR,它被提议成为候选的多址方案[5]。

目前,OFDMA已被广泛研究,并已成为3GPP LTE的下行链路的主流多址方案。然而,在上行链路的研究中,尽管SC-FDMA成为主流的多址方式,但OFDM和SC-FDMA之间的比较大多从 PAPR的角度进行,而没有考虑两者的链路性能,更没有充分地考虑PAPR和性能的折衷。本文比较了OFDMA和DFT-S OFDM的基本原理,并仿真了它们在无线信道中的基本性能。仿真结果表明:尽管DFT-S OFDM具有较低的PAPR,但它的链路级性能却不如OFDMA。

1 OFDMA和DFT-SOFDM的基本原理

1.1OFDMA的基本原理

OFDMA将整个频带分割成许多子载波,将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道,从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱,OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波,OFDMA提供了天然的多址方式,并且由于占用不同的子载波,用户间满足相互正交,没有小区内干扰(如图1所示)。同时,OFDMA可支持两种子载波分配模式:分布式和集中式。在子载波分布式分配的模式中,可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性而获得分集增益。

此外,因为OFDMA已成为下行链路的主流方案,上行链路如也采用OFDMA,LTE的上下行链路将具有最大的一致性,可以简化终端的设计。

一个分配了M个子载波的用户的传输信号可表示为:D =[d 0,d 1……d M-1]T,其中,T代表矩阵转置,di是调制信号。

经过快速傅立叶反变换(IFFT)调制后,信号向量S =F N* T N,M D,其中TN,M代表子载波分配的映射矩阵,其元素是表达子载波的分布式或者集中式分配。F*N是N点IFFT矩阵,*代表共轭转置,并且FN=[f 1T,f 2T……f NT]T,

经过衰落信道和快速傅立叶变换(FFT)信号处理后,频域的接收信号可以作如下表

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