正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技术是把高速数据流分散到多个低速的正交的子载波上并行传输,从而降低单个子载波上的符号速率,将符号周期扩大为原来的N倍,对因多径效应产生的时延扩展有较强的抵抗力,减少了符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)的影响。在OFDM符号前加入保护间隔,只要保护间隔大于信道的时延扩展,则可以完全消除符号间干扰。
在传统FDMA系统中,为了避免各子载波间的干扰,相邻载波之间需要较大的保护频带,频谱效率较低。OFDM系统允许各子载波之间紧密相临,甚至部分重合,通过正交复用方式避免频率间干扰,降低了保护间隔的要求,从而实现很高的频率效率。两种复用方式的频谱使用对比如图1-6所示。
图1-6 传统FDMA与OFDMA频谱对比
a)传统FDMA频谱 b)OFDMA频谱
在TD-LTE系统中,下行采用了OFDMA方式,而上行方向,采用了具有单载波峰均比特征的DFT-S-OFDMA多址方式。
TD-LTE下行OFDMA方式如图1-7所示,发端信号先进行信道编码与交织,然后进行QAM调制,将调制后的频域信号进行串→并变换,以及子载波映射,并对所有子载波上的符号进行逆傅里叶变换(IFFT)后生成时域信号,然后在每个OFDM符号前插入一个循环前缀(Cyclic Prefix,CP),以在多径衰落环境下保持子载波之间的正交性。插入CP就是将OFDM符号尾部的一段复制到OFDMA符号之前,CP长度必须长于主要多径分量的时延扩展,才能保证接收端信号的正确解调。
图1-7 TD-LTE下行OFDMA示意图(www.xing528.com)
选择DFT-S-OFDM,即SC-FDMA(单载波)作为上行多址方式,是因为DFT-S- OFDM具有单载波的特性,其发送信号峰均比较低,在上行功放要求相同的情况下,可以提高上行的功率效率,降低系统对终端的功耗要求。LTE上行多址方式的示意图如图1-8所示。下行OFDMA子载波分配方式有集中式和分布式,上行为了获得较低的峰均比以降低UE的负担,选择集中式的分配方式。
图1-8 TD-LTE上行DFT-S-OFDMA示意图
OFDMA技术的优势包括:抗多径衰落、频谱利用率高、计算方法简单高效,但是也存在不足,如受频率偏差的影响较大、存在较高的峰均比。由于OFDM子信道频谱相互重叠,因此对正交性要求严格。然而无线信道存在时变性,在传输过程中会有无线信号的频率偏移,会破坏OFDM子载波之间的正交性,引起子信道间的信号干扰。此外,由于OFDM信号是多个子信道信号的总和,这些子信道信号可能同相,在幅度上叠加在一起会产生很大的瞬时峰值幅度。峰均比过大会降低射频功率放大器的效率。
循环前缀是前一个符号最后一段样本值的重复,加入循环前缀的目的是不破坏子载波间的正交性,循环前缀示意图如图1-9所示。加入循环前缀后,保护间隔内的时间资源不可使用,降低了各个子载波的符号速率和信道容量,带来的益处是抗多径效应能力增强。
图1-9 循环前缀示意图
循环前缀的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰,支持大范围覆盖,但系统开销也会相应增加,导致数据传输能力下降。为了达到小区半径100 km的覆盖要求,TD-LTE系统采用长、短两套循环前缀方案,根据具体场景进行选择:短CP方案为基本选项,长CP方案用于支持TD-LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务。
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