３ＧＰＰ ＬＴＥ中的ＯＦＤＭＡ和ＳＣ－ＦＤＭＡ性能比較

摘要：在3GPP LTE系統的上行多址方式的研究中，正交頻分多址接入(OFDMA)和基于傅立葉變換擴展的正交頻分復用(DFT-S OFDM)以各自的優勢成為熱門的候選方案。由相同的仿真參數下的仿真結果來看：在未編碼的條件下，當誤碼率(BER)為10-3時，OFDMA優于DFT-S OFDM 1dB；在采用Turbo編碼的條件下，當BER為10-3時，OFDMA與DFT-S OFDM相比，有3 dB的增益；在結合MIMO技術的系統中，OFDMA和DFT-S OFDM性能的差別將增大。由于OFDMA的峰值平均功率比(PAPR)可以降低到3GPP要求的6 dB以下，OFDMA的鏈路級性能優于DFT-S OFDM。

關鍵詞：OFDMA；SC-FDMA；LTE；DFT S-OFDM

Abstract:Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) and Discrete Fourier Transform-Spread OFDM (DFT-S OFDM) are two of the choices for multiple access schemes for the 3GPP LTE uplink. From our simulation results， at the point of Bit Error (BER) being 10-3， OFDMA has about 1 dB performance gain over DFT-S OFDM when no channel coding is used; with Turbo coding， OFDMA has 3 dB gain over DFT-S OFDM; with Multi-Input Multi-Output (MIMO)， the performance gap becomes even larger. Since the Peak Average Power Ratio (PAPR) of OFDMA can be reduced to 6 dB， we conclude that OFDMA has better link level performance than DFT-S OFDM.

Key words: OFDMA; SC-FDMA; LTE; DFT S-OFDM

通用陸地無線接入(UTRA)演進的目標是構建出高速率、低時延、分組優化的無線接入系統[1]。 演進的UTRA致力于建立一個上行速率達到50 MHz、下行速率達到100 MHz、頻譜利用率為3G R6的3～4倍[2] 的高速率系統。為達到上述目標，多址方案的選擇應該考慮在復雜度合理的情況下，提供更高的數據速率和頻譜利用率。在上行鏈路中，由于終端功率和處理能力的限制，多址方案的設計更具挑戰性，除了性能和復雜度，還需要考慮峰值平均功率比(PAPR)對功率效率的影響。

在3GPP LTE的標準化過程中，諾基亞、北電等公司提交了若干多址方案，如多載波(MC)-WCDMA，MC-TD-SCDMA，正交頻分多址接入(OFDMA)，交織頻分復用(IFDMA)和基于傅立葉變換擴展的正交頻分復用(DFT-S OFDM)。OFDMA已成為下行鏈路的主流多址方案，并且是上行鏈路的熱門候選方案，其中，北電公司的方案支持頻分雙工(FDD)方式[3]，信息產業部電信傳輸研究所的方案支持時分雙工(TDD)方式[4]。

由于正交頻分復用(OFDM)能夠很好地對抗無線傳輸環境中的頻率選擇性衰落，可以獲得很高的頻譜利用率，OFDM非常適用于無線寬帶信道下的高速傳輸。通過給不同的用戶分配不同的子載波，OFDMA提供了天然的多址方式。由于用戶間信道衰落的獨立性[1]，可以利用聯合子載波分配帶來的多用戶分集增益提高性能，達到服務質量(QoS)要求。然而，為了降低成本，在用戶設備(UE)端通常使用低成本的功率放大器，OFDM中較高的PAPR將降低UE的功率利用率，降低上行鏈路的覆蓋能力。由于單載波頻分復用(SC-FDMA)具有的較低的PAPR，它被提議成為候選的多址方案[5]。

目前，OFDMA已被廣泛研究，并已成為3GPP LTE的下行鏈路的主流多址方案。然而，在上行鏈路的研究中，盡管SC-FDMA成為主流的多址方式，但OFDM和SC-FDMA之間的比較大多從PAPR的角度進行，而沒有考慮兩者的鏈路性能，更沒有充分地考慮PAPR和性能的折衷。本文比較了OFDMA和DFT-S OFDM的基本原理，并仿真了它們在無線信道中的基本性能。仿真結果表明：盡管DFT-S OFDM具有較低的PAPR，但它的鏈路級性能卻不如OFDMA。

1 OFDMA和DFT-S OFDM的基本原理

1.1 OFDMA的基本原理

OFDMA將整個頻帶分割成許多子載波，將頻率選擇性衰落信道轉化為若干平坦衰落子信道，從而能夠有效地抵抗無線移動環境中的頻率選擇性衰落。由于子載波重疊占用頻譜，OFDM能夠提供較高的頻譜利用率和較高的信息傳輸速率。通過給不同的用戶分配不同的子載波，OFDMA提供了天然的多址方式，并且由于占用不同的子載波，用戶間滿足相互正交，沒有小區內干擾(如圖1所示)。同時，OFDMA可支持兩種子載波分配模式：分布式和集中式。在子載波分布式分配的模式中，可以利用不同子載波的頻率選擇性衰落的獨立性而獲得分集增益。

此外，因為OFDMA已成為下行鏈路的主流方案，上行鏈路如也采用OFDMA，LTE的上下行鏈路將具有最大的一致性，可以簡化終端的設計。

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