LTE-Advanced中OFDM技術的研究進展

(重慶郵電大學，重慶 400065)

1 引 言

在無線通信系統中，無線衰落信道中的多徑傳播、散射引起的信號衰落以及大的多徑時延引起的符號間干擾，成為實現高質量、高速率通信的技術難題。正交頻分復用(OFDM)技術將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸，從而實現抗衰落和抗碼間干擾，提高通信質量[1]，從一定程度上解決了這些問題。

然而，OFDM技術存在對頻偏和相位噪聲比較敏感、功率峰值與均值比(PAPR)大等缺點[2-6]，很大程度上限制了其發展。為此，研究人員致力于改善OFDM對頻偏和相位噪聲敏感的問題，降低其峰均比，促進了OFDM技術的進一步發展。

與此同時，各標準化組織對系統的容量、傳輸速率、小區邊緣用戶的性能等提出了更高的要求，單一的OFDM系統已不能滿足人們對現有通信技術的需求，于是人們力求在OFDM基礎上尋求與其它技術相結合的方案。

從增加系統容量角度來看，OFDM與其它多址技術相結合[7-18]能允許多個用戶共享有限的無線頻譜，提高系統容量；從提高傳輸速率來看，OFDM與MIMO技術結合[19-21]將頻率選擇性衰落轉換為子載波上的平坦衰落，信號通過多重切割之后，經過多重天線進行同步傳送，大大提高了傳輸速率；從提高小區邊緣用戶的性能來看，大唐在前期的B3G研究中提出的一種新的多址接入技術BR-OFDMA(Block Repeat-OFDMA)和聯合檢測技術[22]，提高了小區邊緣用戶的性能。事實上，上述的處理技術會受到各種條件的約束。本文將對這些技術進行分析比較，為OFDM技術進一步的發展提供了分析依據。

2 OFDM的研究現狀

2.1 OFDM技術與多址技術的結合

頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)是無線通信系統中共享有效帶寬的3種主要接入技術。OFDM和多址技術的結合能夠允許多個用戶同時共享有限的無線頻譜，從而獲得較高的系統容量。但是與OFDM相結合的多址技術，也存在著自身的優勢與劣勢，本文對此進行分析比較。參見表1，我們發現，在現有的與OFDM結合的多址方案，有著明顯的優勢。

但是，多址技術的相互結合不可避免地會引入新的問題，我們應該取長補短，充分利用它們的優勢。為獲得更大的自由度和更好的性能，我們還可以考慮將多種多址技術結合起來使用，未來通信系統可能采用的多址方案至少有如下3種[23]：

(1)將OFDM與FDMA、TDMA相結合，用時頻網格區分用戶；

(2)將OFDM與FDMA、CDMA相結合，用不同的子載波集上的不同碼字區分用戶；

(3)將OFDM與CDMA、TDMA相結合，聯合不同的時間符號和不同碼字來區分用戶。

此外，表1還對SDMA與OFDM技術的結合進行了分析，SDMA通常都不是獨立使用的，而是與其它多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等結合使用；也就是說，對于處于同一波束內的不同用戶再用這些多址方式加以區分。但以其獨特的優勢并與多址技術相結合，必能在未來通信中占有一席之地。

表1 與OFDM相結合的多種多址方案的比較Table 1 The comparison of multiple access technology combining with OFDM

3GPP在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術，即下行采用OFDMA技術，上行SC(單載波)FDMA。ITM-Advanced根據ITU當前規劃，2008年2月完成4G技術方案征集通函的制訂，2008年年中開始4G候選方案的征集工作，2009年年中結束候選方案的征集，2010年年中完成候選方案的技術評估和融合，2012年前后發布4G技術標準方案。在技術上，ITM-Advanced將基于OFDM，在LTE(或相當)技術的基礎上，作進一步增強。

2.2 LTE-A中的OFDM與MIMO技術的結合

MIMO技術是實現無線高速數據傳輸的核心技術之一,而OFDM技術的優勢之一就是實現MIMO技術較簡單。MIMO和 OFDM結合是無線通信領域的重大突破，其頻譜利用率高、信號傳輸穩定、傳輸速率高等基本特性能夠滿足下一代無線傳輸網發展要求。MIMO-OFDM系統內組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復用調制兩大關鍵技術。這種系統通過空間復用技術可以提供更高的數據傳輸速率，又可以通過空時分集和正交頻分復用達到很強的可靠性和頻譜利用率,成為4G中關鍵技術之一，是當今移動通信領域研究的熱點。

為了滿足未來移動無線通信在高數據率和高系統容量方面的需求，LTE及LTE-A系統支持下行應用多輸入多輸出技術，包括空間復用、波束賦形以及傳輸分集。這3種技術對空間信道的要求不同，其應用的場景也有所不同。

(1)在低信噪比區域，應用傳輸分集技術和波束賦形技術可以有效提高接收信號的信噪比，從而可提高傳輸速率或者覆蓋范圍；

(2)在高信噪比區域，容量曲線接近平坦，再提高信噪比也無法明顯改善傳輸速率，此時即可以應用空間復用技術來提高傳輸速率。

然而在實際系統中，如何獲得復用和分集的折衷是目前需要解決的問題。在現有空間復用和空時編碼都不能很好地獲得復用增益與分集增益之間的折衷的情況下，人們提出了一種統計預編碼方案，在對目前MIMO方案改變很小的情況下，可以獲得復用增益與分集增益之間更好的折衷。需要指出的是，引入復雜的預編碼方案，必然會對采用均衡技術的接收機提出更高的要求。

此外，在LTE系統的多種下行多天線模式基礎上，至少從一方面可進行優化，即將R8中采用的單流波束賦形擴展到多流波束賦形[23]。如圖1所示，可將一個天線陣列形成兩個或多個波束，同時用于一個用戶端，形成基于波束賦形的SU-MIMO傳輸；如果將這多個波束分別用于多個用戶端，可形成基于波束賦形的MU-MIMO傳輸。

(a) 基于多流波束賦形的SU-MIMO

(b)基于多流波束賦形的MU-MIMO圖1 多流波束賦形Fig.1 Multi-stream beamforming

LTE-A要求支持的下行最高多天線配置規格為8×8，同時多用戶空分復用的增強被認為是標準化的重點。LTE-A相對于LTE系統的上行增強可行方案，一方面從終端來看，可以利用終端的多個功率放大器，利用上行發射分集來增強覆蓋和上行空間復用來提高上行峰值速率等；另一方面，可以考慮在原有的MU-MIMO技術上，增加SU-MIMO、多天線發射分集和上行波束賦形等技術。

3 OFDM技術在LTE-A中的新發展及需要解決的問題

3.1 LTE-A中的BR-OFDMA技術

小區邊緣和小區中心的性能差異，在LTE-Advanced系統中仍將是重大的難題。由于多天線技術的使用可以提高小區中心的數據率，卻很難提高小區邊緣的性能。另外，小區中心可以使用的高階調制方式很難在小區邊緣使用，這就造成小區中心和小區邊緣的性能差異越來越大。

3GPP最近推出了LTE TDD系統的演進版本，即LTE+TDD方案。在此方案中，TD-SCDMA特色核心技術的擴展和增強，與MIMO 、OFDMA主流技術有機結合，顯著提高MIMO OFDMA系統性能，包括大唐電信提出的BR-OFDMA、基于BR-OFDMA的聯合檢測。BR-OFDMA多址接入技術創新地提出通過塊重復和聯合檢測技術克服小區間的干擾，提高小區容量和頻譜效率，提高小區邊緣用戶的傳輸速率。位于相鄰小區的兩個小區邊緣用戶占用同一時頻資源時，BR-OFDMA利用塊重復增益和基于BR-OFDMA的聯合檢測技術能有效地減少兩者之間的干擾。與MC-CDMA技術相比，BR-OFDMA技術更能大大增強小區邊緣用戶的性能。

從技術需求上看，LTE-A的上下行峰值速率分別為LTE的6.6倍和3.3倍，而上下行頻譜效率分別為LTE的4倍和2倍，LTE的性能大為增強，徹底完成了3.9G到4G的轉變。3GPP標準演進的LTE-A仍然將OFDM作為空中接口技術，而BR-OFDMA是塊重復和OFDMA相結合的一種新的多址接入技術，必然推進3GPP標準的演進。

3.2 LTE-A中的BR-OFDMA技術需要解決的問題

BR-OFDMA技術能夠抑制和消除小區間的干擾，提高系統容量，更容易實現同頻組網，然而給出一個完整的基于BR-OFDMA技術的系統方案，還有大量的工作要做：

(1)在信號檢測方面，由于BR-OFDMA系統與CDMA系統一樣具有干擾受限的特征，其干擾主要來源于多址干擾(MAI)。為了進一步提高BR-OFDMA系統容量，可采用多用戶檢測(MUD)技術來降低或消除多址干擾(MAI)，以改善系統性能，提高系統容量；

(2)在信道估計方面，應研究導頻和數據之間的干擾和消除干擾的問題，以及在導頻設計中如何消除干擾。其次要進行性能驗證，同時給出具體的改進措施；

(3)在小區間資源協調與調度方面，為了能夠更有效消除小區間多用戶的干擾，BR-OFDMA需要采用多小區多用戶聯合檢測算法。這就要求多小區用戶應占用相同的時頻資源，不同用戶間盡量使用正交性優良的重復碼，多小區間必須進行信息交互，協調多小區邊緣用戶所占用的時頻資源和擾碼及重復碼；

(4)在信令設計方面，設計靈活高效的信令是一個重要的技術突破點，其中涉及到各種控制信令的編碼、調制、擴頻等具體的增強技術。基于這些信令增強技術，得到可靠的信令設計方案。同時，要分析考慮信令的有效性及其資源占用冗余度問題，盡量縮小信令開銷，增強系統有效性。

另外，如何根據檢測出的一段時間內小區的運行環境，分配塊重復資源塊組(BRBG)中的塊重復資源塊(BRB)的數目。為減少外來的干擾，可以采取增加BRBG中BRB數目的方法，然而如上的處理必然會降低小區的運行負荷。因此，我們應該考慮到一種特殊的場景，在小區繁忙而外來干擾又比較嚴重的情況下，如何分配塊重復資源塊組(BRBG)中的塊重復資源塊(BRB)的數目，在最大可能的小區負荷情況下，盡可能地減少外來干擾。這就要求我們在干擾情況和小區運行負荷折衷考慮分配BRBG中BRB的數目問題。

4 結束語

眾所周知，LTE-A已成最具競爭力的4G候選技術[24-25]。OFDM作為LTE-A的核心技術，以后工作可從三方面展開：

(1)對于OFDM本身技術來說，如何進一步降低OFDM系統的PAPR和對頻偏、相位噪聲較敏感的問題；

(2)與OFDM相結合的新技術如MIMO技術，在達到LTE-A技術要求的同時，要對其兼容性、復雜度以及成本進行探究與評估；

(3)從繼承性和后向兼容性考慮，對基于OFDMA的多址接入技術進行進一步的優化設計，減少原有的不足之處，從而滿足LTE-Advanced的需求。

OFDM技術能夠對抗多徑衰落，提高頻譜利用率，進一步增強系統的性能，成為下一代無線通信中一項關鍵技術，所以，對OFDM系統的進一步研究尤為重要。本文對OFDM系統較前沿的技術進行分析，并指出了下一步的工作方向，其中與其它技術如MIMO的結合應用，必將成為一項極具發展前景的研究方向。

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