LTE關鍵技術研究-（OFDMA，SC-FDMA，MIMO）

陳晶杰

【摘要】OFDMA技術能有效對抗頻率選擇性衰落，提高數據傳輸效率；SC-FDMA技術能有效降低峰均比，降低硬件需求門檻，提高終端電池使用時間；MIMO技術能提高數據傳輸數率，增大系統傳輸容量。本文全面敘述了OFDMA； SC-FDMA和MIMO技術及其特點。先將OFDMA技術與SC-FDMA技術對比，闡述兩者在不同條件下的各自優缺點及各自的適用的鏈路情況。隨后，分析MIMO技術帶來的傳輸容量的增益效果，分析不同環境下MIMO自適應模式間的轉換并結合分析MIMO容量和收發信天線數量的關系。最后，展現MIMO，OFDMA，SC-FDMA技術結合的優點。這三者取長補短，推動LTE移動通信技術向著更高速率、更大容量、更好性能的方向發展。

【關鍵詞】OFDMASC-FDMAMIMO

一、LTE關鍵技術概述

LTE（Long Term Evolution）項目是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術。通過運用OFDMA，SC-FDMA，MIMO這三種技術有效結合，達到3GPP LTE項目規定的主要性能指標。

二、OFDMA技術

2.1OFDMA技術原理

OFDMA：正交頻分多址Orthogonal Frequency Division Multiple Access（OFDMA）：主要思想：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，調制到在每個子信道上進行傳輸，然后在部分子載波上加載傳輸數據。OFDMA技術優點：頻譜效率高，來源于正交傳輸；采用CP回避用戶間干擾，頻譜效率高。OFDMA技術克服的是由于多徑效應產生的頻率選擇性衰弱。

由上圖分析表明：采用IFFT產生OFDM信號決定了：子載波間隔△f=1/T（T為OFDM符號周期）。△f不能太小：必須能容忍一定車速下的多普勒頻移動效應，起到分隔干擾效果。△f不能太大：T過小，則對應CP開銷過大，增加系統負擔。典型△f值：10-20kHZ，LTE實際經驗建議值：15kHZ（符號長度66.67us）。CP不能太小：必須能覆蓋主要多徑的時延擴展，容忍一定的定時誤差。CP不能太大：信令開銷限制了CP不能無限擴大。CP可以采用多個選項：LTE：常規CP：4.687ms擴展CP：16.67ms超長CP： 33.33。

三、SC-FDMA技術

3.1SC-FDMA技術原理

SC-FDMA（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，單載波頻分多址），是LTE推薦的上行鏈路多址技術。SC-FDMA產生方法：是在OFDM的IFFT調制之前對信號進行DFT擴展， SC-FDMA由于采用單載波的方式，與OFDMA相比之下具有較低的PAPR（峰值/平均功率比，peak-to-average power ratio），比多載波的PAPR低1-3dB左右。較低的PAPR終可以使手機降低硬件集成度門檻，減少突發性的高功耗硬件，進而可以延長手機電池的使用時間。

4.4MIMO容量與天線數關系

根據這兩幅圖各四條不同的曲線我們可以得出結論：

1.當Y軸為定量時，信噪比不變的情況下，信道容量隨天線數量的增加而增大。MIMO發射天線在發射天線數量0到5的區間內的斜率較大，說明在該區間隨著發射天線的增加，容量的發射提升效果顯著。

2.當X軸為定量時，即發射天線和接收天線的數量為定值時，信道容量隨信噪比的增大而增大。

3.接收天線在SNR=15這一曲線，隨著天線數量增加保持著較高的斜率：較高的容量增長率，其增長率遠大于SNR=10，5，0的曲線，這就說明了在信噪比好的情況下，手機的傳輸速率將會獲得質的飛躍，速率將僅受限于網絡側的處理能力，而不再受限于無線信道的傳輸環境。

4. MIMO發射天線在發射天線5到10天線區間，提升曲線略有提升，而隨著天線數量的增加，硬件正本急劇增加。10到15的區間內，提升曲線斜率趨于平緩，即超過10天線的MIMO系統會有硬件成本高，而容量提升不明顯的特點。

綜上所述，這一實驗結論論證了：3GPP提出的MIMO-LTE系統建議天線區間為0到8的這一經驗理論，這是綜合考慮了MIMO容量提升和硬件成本的結果。

4.5MIMO-OFDMA-SCFDMA技術結合及總結

MIMO技術利用空間維度資源在發射端和接收端同時采用多天線技術，而OFDMA技術的實現又幫助彌補了MIMO系統中由于分集產生的時延而帶來的選擇性衰弱，這兩者優缺點完美互補，提高系統容量，提升用戶感知。同時在上行鏈路中采用SC-FDMA，就降低終端的硬件需求，起到延長終端電池使用時間的效果。這三個技術的結合使LTE通信向著更高速率、更大容量、更好性能的方向發展。

參考文獻

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[4] Harri Holma，Antti Toskala，LTE for UMTS-OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access