LTE中的SC-FDMA技術研究 *

郎為民 李建軍 胡東華 高泳洪

（解放軍通信指揮學院 武漢 430010）

在上行鏈路方向，3GPP LTE采用SC-FDMA作為多址技術，該技術有助于實現較高的功率放大器效率，且對于FDD和TDD工作模式都是適用的。SCFDMA的基本形式可以看作與QAM調制等價，它每次發送一個符號的工作方式與時分多址（TDMA）系統（如GSM）類似。

1 SC-FDMA發射機和接收機

頻域信號生成過程如圖1所示，與具有常規QAM調制器的時域信號生成過程相比，它增加了良好的OFDMA頻譜波形特性。這樣，與下行鏈路OFDMA原理相似，不同用戶之間不再需要保護頻段。與OFDMA系統中的情形類似，SC-FDMA也需要周期性地在傳輸過程中添加循環前綴（由于SC-FDMA時域中的符號速率比OFDMA高，因而不需要在每個符號后添加循環前綴），以避免符號間干擾，簡化接收機設計。循環前綴能夠防止符號塊之間的符號間干擾，但在循環前綴之間仍存在著符號間干擾，因而接收機仍需要處理符號間干擾。對于符號塊來說，接收機通過啟動均衡器，直到能夠防止符號間干擾深度傳播的循環前綴。

圖1 具有頻域信號生成功能的SC-FDMA發射機和接收機

2 SC-FDMA系統中的數據速率調整

傳輸過程會持續占用分配給用戶的部分頻譜，對于LTE來說，系統推薦采用1ms的分配周期。假定系統開銷一定，則當頻域中的資源分配加倍時，數據速率也加倍。每次傳輸（具有調制功能）在時域縮短，但在頻域變寬，如圖2所示。圖2中的實例假定在新的資源分配過程中，保持現有的頻率資源不變，并分配相同數量的額外傳輸頻譜，這樣傳輸容量就增加了1倍。在實踐中，這種分配不需要考慮頻域的連續性，但需要對頻域資源連續分配進行設置。實際信令限制條件規定，最多只能對180kHz的資源塊進行分配。最大分配帶寬取決于系統使用的帶寬，系統帶寬可達20MHz。由此得出的最大分配帶寬要稍微小一些，因為系統帶寬定義包含了指向鄰近運營商的保護頻段。例如假定系統信道帶寬為10MHz，最大資源分配等于50個資源塊，則傳輸帶寬為9MHz。

圖2 SC-FDMA系統中的數據速率調整

3 SC-FDMA中的資源分配

與頻域信號生成有關的SC-FDMA資源塊是使用與OFDMA下行鏈路相同的值進行定義的，子載波間距取值為15kHz。這樣，即使實際傳輸采用的是一個單載波，其實信號生成階段使用了子載波項。最簡單的情形是，最小分配資源使用了12個子載波，因而帶寬等于180kHz。資源塊中的參考符號（或控制信息）不要求將攜帶數據的復值調制符號分配給資源要素，如圖3所示。當資源映射完成后，信號進入到時域信號生成過程，該過程將生成SC-FDMA信號，包括循環前綴的選定長度。圖3中的實例假定特征前綴具有兩種不同長度。

圖3 SC-FDMA中的資源映射

如圖3所示，參考符號通常位于時隙的中間。接收機使用這些參考符號來完成信道估計工作。對于參考符號的選擇有多種不同的方案，有時可以選用參考符號跳頻模式。對于那些用于提供基站接收機頻譜信息以實現上行鏈路方向頻域調度的數據來說，探測參考信號可以隨時在高帶寬上傳輸，而不是需要時才進行傳輸。

這樣，不同用戶就可以共享時域和頻域中的資源。時域中的分配粒度是1ms，而頻域中的分配粒度是180kHz。基站需要對每次傳輸進行控制，以確保它們不會在資源塊中出現重疊。同時，基站的控制也能夠避免使用冗長的保護時間、定時提前。通過修正IFFT輸入，發射機能夠將傳輸旋轉在頻率的理想位置，如圖4所示。基站接收機能夠檢測到來自于正確頻域/時域資源的傳輸信息。除了隨機接入信道之外，由于所有上行鏈路利用率是建立在基站調度的基礎上，因而基站通常知道哪個用戶希望得到哪些資源。

圖4 SC-FDMA頻域中具有資源共享功能的多址技術以及頻域信號生成過程

4 SC-FDMA的立方量度

由于在時域傳輸過程中，一次僅傳輸一個符號，因而系統能夠保持良好的包絡特性，波形特性是由所采用的調制方法控制的。它支持SC-FDMA實現較低的信號峰均比（PAR），更為重要的是，CM有助于在設備中設計實現高效的功率放大器。立方量度（CM）值是使用不同調制方法的滾降特性的函數，如圖5所示。使用諸如正交相移鍵控（QPSK）的低CM調制方法，由于CM值較低，因而功率放大器能夠工作在具有最小功率回退的最大功率值附近（如圖5所示）。它支持功率放大器擁有較高功率轉換效率，因而能夠有效降低設備功耗。需要注意的是，pi/2-BPSK（二進制相移鍵控）最初設計用于3GPP網絡，但由于3GPP性能要求使用QPSK來實現最大功率（23dBm），因而使用pi/2-BPSK就沒有其它優勢，因而對于用戶數據來說，3GPP標準并未對pi/2-BPSK做出規定。LTE中調制方法是根據符號傳輸用途來選擇的，符號既可以為物理層控制信息服務，也可以為高層數據（用戶數據或高層控制信令）服務。

圖5 OFDMA和SC-FDMA的立方量度

在設備端，與OFDMA接收機相比，SC-FDMA的基站接收機稍微復雜一些，尤其是在考慮能夠實現與OFDMA接收機相當性能的接收機（均衡器）設計時。顯而易見，接收機要能夠處理符號間干擾，該干擾終止于某個符號塊后，而不是終止于OFDMA中每個（長）符號后。由此帶來了對處理能力的高要求，與設備設計限制條件相比，基站的處理能力還不成為問題，目前急需解決的問題是要發揮SC-FDMA上行鏈路范圍的優勢，并設法延長設備電源的壽命。分配周期為1ms的動態資源使用優勢在于：雖然對于每個UE來說，沒有備用的基帶接收機，但需要傳送數據的用戶可以動態地使用基站接收機。在任何情況下，隨著數據速率的提高，上行鏈路和下行鏈路接收機鏈中最消耗資源的部分是信道解碼（Turbo解碼）。