3GPPLTE中的OFDMA和SC_FDMA性能比较

关 键 词 ： ＯＦＤＭＡ； ＳＣ－ ＦＤＭＡ； ＬＴＥ ； ＤＦＴ Ｓ－ ＯＦＤＭ
Ａｂ ｓ ｔ ｒａ ｃｔ ： Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅ ｑｕｅ ｎｃｙ Ｄｉｖｉｓ ｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅ ｓ ｓ （ＯＦＤＭＡ） ａｎｄ Ｄｉｓ ｃｒｅ ｔｅ Ｆｏｕｒｉｅ ｒ Ｔｒａｎｓ ｆｏｒｍ － Ｓｐｒｅ ａｄ ＯＦＤＭ （ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ ） ａｒｅ ｔｗ ｏ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｓ ｆｏｒ ｍ ｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅ ｓ ｓ ｓ ｃｈｅ ｍ ｅ ｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ３ＧＰＰ ＬＴＥ ｕｐｌｉｎｋ． Ｆｒｏｍ ｏｕｒ ｓ ｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅ ｓ ｕｌｔｓ ， ａｔ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ （ＢＥＲ） ｂｅ ｉｎｇ １０－ ３， ＯＦＤＭＡ ｈａｓ ａｂｏｕｔ １ ｄＢ ｐｅ ｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｇａｉｎ ｏｖｅ ｒ ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ ｗ ｈｅ ｎ ｎｏ ｃｈａｎｎｅ ｌ ｃｏｄｉｎｇ ｉｓ ｕｓ ｅ ｄ ； ｗ ｉｔｈ Ｔｕｒｂｏ ｃｏｄｉｎｇ ， ＯＦＤＭＡ ｈａｓ ３ ｄＢ ｇａｉｎ ｏｖｅ ｒ ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ ； ｗ ｉｔｈ Ｍｕｌｔｉ－ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ－ Ｏｕｔｐｕｔ （ＭＩＭＯ ）， ｔｈｅ ｐｅ ｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｇａｐ ｂｅ ｃｏｍ ｅ ｓ ｅ ｖｅ ｎ ｌａｒｇｅ ｒ． Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ Ｐｅ ａｋ Ａｖｅ ｒａｇｅ Ｐｏｗ ｅ ｒ Ｒａｔｉｏ （ＰＡＰＲ） ｏｆ ＯＦＤＭＡ ｃａｎ ｂｅ ｒｅ ｄｕｃｅ ｄ ｔｏ ６ ｄＢ， ｗ ｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅ ｔｈａｔ ＯＦＤＭＡ ｈａｓ ｂｅ ｔｔｅ ｒ ｌｉｎｋ ｌｅ ｖｅ ｌ ｐｅ ｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｔｈａｎ ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ ．
高 ＰＡＰＲ 会 将 降 低 ＵＥ 的 功 率 利 用 率 ，
冲成型。与时域脉冲成型类似， 频谱
式： 分布式和集中式。在子载波分布
减 小 上 行 的 有 效 覆 盖 。 为 避 免 ＯＦＤＭ
成 型 可 以 在 频 谱 的 利 用 率 和 ＰＡＰＲ 间
式分配的模式中， 可以利用不同子载
同 的 用 户 分 配 不 同 的 子 载 波 ， ＯＦＤＭＡ
器 ， 所 以 在 下 行 链 路 中 ， 高 ＰＡＰＲ 不 会
行 Ｍ点 ＦＦＴ信 号 处 理 ， 再 根 据 子 载 波
提供了天然的多址方式， 并且由于占
带来太大的问题。然而， 在上行链路
映 射 模 式 将 Ｍ点 ＦＦＴ的 输 出 信 号 映 射
谱 ， ＯＦＤＭ能 够 提 供 较 高 的 频 谱 利 用 率 和 较 高 的 信 息 传 输 速 率 。通 过 给 不
ＰＡＰＲ 。基 站 端 的 功 率 限 制 相 对 较 弱 ， 并且可以采用较为昂贵的功率放大
ｆ １…… ｆ Ｍ表 示 Ｎ点 ＩＦＦＴ的 Ｍ路 输 入 。在 发 送 端 ， 先 对 块 长 为 Ｍ的 调 制 信 号 进
王 勇／ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ １ 刘 光 毅／ＬＩＵ Ｇｕａｎｇ －ｙｉ ２ 张 建 华／ＺＨＡＮＧ Ｊ ｉａｎ －ｈｕａ １
（１． 北京邮电大学无线新技术研究所， 北京 １００８７６ ； ２． 中国移动通信有限公司研究院， 北京 １０００５３ ） （ １ ． Ｗｉｒｅｌｅｓ ｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ （ ＷＴＩ） ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｉｔｙ ｏｆ Ｐ ｏｓ ｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７６ ， Ｃｈｉｎａ ； ２ ． Ｒｅｓ ｅａｒｃｈ Ｉｎｓ ｔｉｔｕｔｅ ， Ｃｈｉｎａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００５３ ， Ｃｈｉｎａ ）
用不同的子载波， 用户间满足相互正
中， 由于用户终端的功率放大器要求
到 Ｎ个 子 载 波 上 ， 经 过 ＩＦＦＴ将 信 号 转
交 ， 没 有 小 区 内 干 扰 （如 图１所 示）。 同
低成本， 并且电池的容量有限， 因而
变为时域信号之前， 可以进行频域脉
时 ， ＯＦＤＭＡ可 支 持 两 种 子 载 波 分 配 模
在 ３ＧＰＰ ＬＴＥ 的 标 准 化 过 程 中 ， 诺 基 亚 、北 电 等 公 司 提 交 了 若 干 多 址 方 案 ， 如 多 载 波 （ＭＣ）－ ＷＣＤＭＡ， ＭＣ－ ＴＤ－ ＳＣＤＭＡ， 正 交 频 分 多 址 接 入 （ＯＦＤＭＡ）， 交 织 频 分 复 用 （ＩＦＤＭＡ）和 基 于傅立叶变换扩展的正交频分复用 （ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ）。ＯＦＤＭＡ已 成 为 下 行 链 路的主流多址方案， 并且是上行链路 的热门候选方案， 其中， 北电公司的
Ｋｅ ｙ ｗ ｏ ｒｄ ｓ ： ＯＦＤＭＡ； ＳＣ－ ＦＤＭＡ； ＬＴＥ； ＤＦＴ Ｓ－ ＯＦＤＭ
方 案 支 持 频 分 双 工 （ＦＤＤ）方 式 ［３］， 信 息 产业部电信传输研究所的方案支持 时 分 双 工 （ＴＤＤ）方 式 ［４］。
由 于 正 交 频 分 复 用 （ＯＦＤＭ） 能 够 很好地对抗无线传输环境中的频率 选择性衰落， 可以获得很高的频谱利 用 率 ， ＯＦＤＭ非 常 适 用 于 无 线 宽 带 信 道 下 的 高 速 传 输 。通 过 给 不 同 的 用 户 分 配 不 同 的 子 载 波 ， ＯＦＤＭＡ提 供 了 天 然 的 多 址 方 式 。由 于 用 户 间 信 道 衰 落 的 独 立 性 ［１］， 可 以 利 用 联 合 子 载 波 分 配带来的多用户分集增益提高性能， 达 到 服 务 质 量 （ＱｏＳ）要 求 。 然 而 ， 为 了 降 低 成 本 ， 在 用 户 设 备 （ＵＥ）端 通 常 使 用 低 成 本 的 功 率 放 大 器 ， ＯＦＤＭ中 较 高 的 ＰＡＰＲ 将 降 低 ＵＥ 的 功 率 利 用 率 ，
通用 陆 地 无 线 接 入 （ＵＴＲＡ）演 进 的 目 标 是 构 建 出 高 速 率 、低 时 延 、 分 组 优 化 的 无 线 接 入 系 统 ［１］。 演 进 的 ＵＴＲＡ致 力 于 建 立 一 个 上 行 速 率 达 到 ５０ ＭＨｚ、下 行 速 率 达 到 １００ ＭＨｚ、频 谱 利 用 率 为 ３Ｇ Ｒ６ 的 ３ ～ ４ 倍 ［２］ 的 高 速 率 系统。为达到上述目标， 多址方案的 选择应该考虑在复杂度合理的情况 下， 提供更高的数据速率和频谱利用 率。在上行链路中， 由于终端功率和 处理能力的限制， 多址方案的设计更 具挑战性， 除了性能和复杂度， 还需 要 考 虑 峰 值 平 均 功 率 比 （ＰＡＰＲ） 对 功 率效率的影响。
Ａｕｇ． ２００７ Ｖｏｌ．１３ Ｎｏ．４
３ ９ 中兴通讯技术
２００７年８月 第１３卷 第４期
运营应用
王 勇 等 ： ３ＧＰ Ｐ ＬＴＥ 中 的 ＯＦＤＭＡ和 Ｓ Ｃ－ ＦＤＭＡ性 能 比 较
ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
带来的复杂度增加也是可以接受的。
０
因此， 本文将主要研究不同多址方案
的链路级性能的比较。
用户数据 串 并 变 换
调制 调制
ＩＦＦＴ
串
并
循环
变
前缀
换
１ ． ２ ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ的 基 本 原 理 结合动态带宽分配的单载波传
０ ＩＦＦＴ： 快 速 傅 立 叶 反 变 换
!图１ ＯＦＤＭＡ 系 统 发 送 端结构图
输 技 术 已 成 为 ＬＴＥ 上 行 链 路 的 主 要 候 选 多 址 方 案 ［１］， 其 主 要 优 势 是 具 有 较 低 的 ＰＡＰＲ 。与 多 载 波 信 号 相 比 ， 单 载 波技术可以降低对终端功放的要求，
降 低 上 行 链 路 的 覆 盖 能 力 。由 于 单 载 波 频 分 复 用 （ＳＣ－ ＦＤＭＡ）具 有 的 较 低 的 ＰＡＰＲ ， 它 被 提 议 成 为 候 选 的 多 址 方 案 ［５］。
目 前 ， ＯＦＤＭＡ 已 被 广 泛 研 究 ， 并 已 成 为 ３ＧＰＰ ＬＴＥ 的 下 行 链 路 的 主 流 多址方案。然而， 在上行链路的研究 中 ， 尽 管 ＳＣ－ ＦＤＭＡ成 为 主 流 的 多 址 方 式 ， 但 ＯＦＤＭ和 ＳＣ－ ＦＤＭＡ之 间 的 比 较 大 多 从 ＰＡＰＲ 的 角 度 进 行 ， 而 没 有 考 虑两者的链路性能， 更没有充分地考 虑 ＰＡＰＲ 和 性 能 的 折 衷 。 本 文 比 较 了 ＯＦＤＭＡ 和 ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ的 基 本 原 理 ， 并仿真了它们在无线信道中的基本 性 能 。 仿 真 结 果 表 明 ： 尽 管 ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ具 有 较 低 的 ＰＡＰＲ ， 但 它 的 链 路
运营应用 王 勇 等 ： ３ＧＰＰ ＬＴＥ 中 的 ＯＦＤＭＡ和 ＳＣ－ ＦＤＭＡ性 能 比 较 ＺＴＥ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ
３ＧＰＰ ＬＴＥ中的ＯＦＤＭＡ和 ＳＣ－ ＦＤＭＡ性能比较
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｎ ＯＦＤＭＡ ａｎｄ ＳＣ－ ＦＤＭＡ ｉｎ ３ＧＰＰ ＬＴＥ
级 性 能 却 不 如 ＯＦＤＭＡ。
１ ＯＦＤＭＡ和ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ 的基本原理
［ ］ ｆ
ｌ＝
１ Ｎ
０，
ｅ ， －
ｊ
２π Ｎ
ｌ
ｅ－

ｊ
２π Ｎ
２，ｌ
…
，
ｅ－
ｊ
２π Ｎ
（
Ｎ
－ １）ｌ
。
经过衰落信道和快速傅立叶变
换 （ＦＦＴ）信 号 处 理 后 ， 频 域 的 接 收 信 号
提高功率的利用率。 ＤＦＴ－ Ｓ ＯＦＤＭ可 以 认 为 是 ＳＣ－ ＦＤ－
ＭＡ的 频 域 产 生 方 式 ， 是 ＯＦＤＭ在 ＩＦＦＴ 调制前进行了基于傅立叶变换的预
１ ． １ ＯＦＤＭＡ的 基 本 原 理 ＯＦＤＭＡ 将 整 个 频 带 分 割 成 许 多
可 以 作 如 下 表 达 ： Ｒ＝ＨＴＮ， Ｍ Ｄ＋ｎ ， 其 中 Ｈ＝ｄｉａｇ（Ｈｋ）， Ｈｋ 是 第 ｋ 个 子 载 波 上 的 频 域 响 应 ； ｎ 是 高 斯 噪 声 向 量 ； Ｒ＝ ［ｒ （０ ），