LTE中上行SC-FDMA技术性能分析与仿真

重庆邮电大学本科毕业设计（论文） 编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：LTE中上行SC-FDMA技术性能分析与仿真学 院 名 称 ：通信与信息工程学 生 姓 名 ：罗 程 专 业 ：通信工程班 级 ：0110910学 号 ：2009210124指 导 教 师 ：王 永 答辩组 负责人 ：填表时间：2013年 6 月重庆邮电大学教务58摘 要为了满足移动高速率数据业务的需求，同时也为了与新兴的无线网络接入技术竞争，第三代合作伙伴技术（3GPP）组织在3G技术的基础上提出3G的长期演进，即LTE。LTE作为准4G标准，它能够实现在20MHz的带宽下，实现上下行的高速率传输，具有前所未有的优势。同时LTE具有良好的抗多径性能，高的频谱利用率，大的系统容量等优点，使得LTE系统很具有研究价值。LTE下行链路采用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术，具有很好的抗多径性能，但是OFDA系统的PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰均比）特性逊色于SC-FDMA（Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址）技术，出于低的PAPR具有高的功率效率的考虑，最终选定了单载波频分多址技术作为LTE上行链路的方案。本文主要的研究工作体现在三个方面：第一部分是OFDM与SC-FDE（Single Carrier-Frequency Domain Equalization，单载波频域均衡）的基本原理与系统模型进行分析，比较了二者的优缺点与对偶性，并简单介绍了线性均衡与非线性均衡技术，分析了SC-FDE的帧结构；第二部分简单介绍了LTE的上下行信道的类型与功能，简单分析了PUSCH信道，介绍了SC-FDMA的系统模型，子载波映射方式与帧结构，对集中式（LFDMA）与分布式子载波映射（以IFDMA为代表）进行了误码率性能分析，分析了起始符号占用首位与第15位的误码率性能。仿真结果表明：在理想信道下，LFDMA与IFDMA的误码性能相当；而在其他信道条件下，LFDMA的性能都要好过IFDMA的误码率性能，起始符号占用首位子载波的LFDMA误码率性能最佳。第三部分，首先给出了PAPR的定义，给出了PAPR特性的分析方法，引入了CCDF（互补累积分布函数），分析了PAPR与功率效率的关系，让我们了解了低PAPR的优势，根据相关参数，搭建SC-FDMA的PAPR仿真平台。仿真分析了在不同调制方式下，LFDMA，IFDMA，DFDMA与OFDM的PAPR特性的差异。仿真中通过设置不同的滚降系数与不同的脉冲成形滤波器类型，分析其对SC-FDMA信号的PAPR特性的影响，得出结论就是随着滚降系数的增大，SC-FDMA的PAPR会减小，QPSK的PAPR性能优于16QAM调制。结论总结为SC-FDMA的PAPR特性优于OFDM系统。【关键词】长期演进 正交频分复用 单载波频域均衡 子载波映射 单载波频分多址 峰均比 误码率ABSTRACTIn order to meet the demands of the mobile high-speed data services, and compete with emerging wireless network access technology, Third Generation Partnership Project (3GPP) has proposed the 3G long term evolution (3G LTE), which is originated in 3G. Owning the great performance at resistance to multipath effect, high data rates within 20MHz bandwidth, and high system capacity, LTE has play an important role in telecommunication study.3GPP Working Group designates OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) as the downlink transmission scheme. OFDM has a good anti-multipath performance, but it has an unsatisfactory PAPR (Peak to Average Power Ratio), whats more, high PAPR will degrade the power efficiency. The Working Group picks SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access) out, the low PAPR of SC-FDMA contribute to the designation that SC-FDMA becomes LTE uplink transmission scheme.The major research work of this paper reflected in three aspects. In the first part, the basic principle and system of OFDM and SC-FDE (Single Carrier-Frequency Domain Equalization) are introduced first. Then comparing the advantages and duality of two systems, the linear and nonlinear equalizer and the frame structure of SC-FDE are introduced. The second part describes the type and function of LTE uplink and downlink channels, makes a simple analysis of the PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) and frame structure of SC-FDMA, then intrudes two subcarriers mapping , i.e. localized and distributed. Then the simulation of BER performance of LFDMA and IFMDA are provided. Simulation results show that the BER performance of LFDMA and LFDAM is considerable in the ideal channel, while in other channels, the performance of LFDMA is outstanding compared with IFDMA. In last, the results show that signals starting symbol occupying the first and the 15th subcarrier has a different BER performance, LFDMA that signals starting symbol occupying the first subcarrier has the best performance. The last section first gives the definition of the PAPR, and introduces CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) to analyze PAPR. Then it gives a glance at the relationship of low PAPR and high power efficiency. The results of simulation that describes the characteristics of PAPR in different modulations, roll-off factors, subcarrier mappings and different types of pulse shaping filter, show that the characteristics of PAPR IFDMA is excellent, the characteristics of PAPR of QPSK modulation is better than 16QAM modulation in same condition, and PAPR of SC-FDMA will decrease with the increase of roll-off factor. In a word, the PAPR characteristics of SC-FDMAs are better than OFDMs.【Key words】LTE OFDM SC-FDE subcarrier mapping optimization SC-FDMA PAPR BER目 录前 言1第一章 LTE技术的简单介绍2第一节 LTE技术的发展背景2一、UMTS长期演进的背景2二、LTE的需求和目标3三、LTE项目时间4第二节 LTE上行多址技术的研究现状4第三节 本文主要研究内容以及结构5第四节 本章小结6第二章 单载波频域均衡（SC-FDE）技术7第一节 OFDM技术7一、OFDM技术的发展7二、OFDM技术的基本原理7三、OFDM的优缺点9四、OFDM的参数设置10第二节 OFDM与SC-FDE的比较12一、SC-FDE技术的基本原理12二、OFDM与SC-FDE的对偶性13三、OFDM与SC-FDE的同异14第三节 均衡技术15第四节 SC-FDE的帧结构16第五节 本章小结17第三章 单载波频分多址（SC-FDMA）技术19第一节 PUSCH信道的简单介绍19一、LTE上下行信道的简单介绍19二、PUSCH的产生框图19三、PUSCH发送端的流程21第二节 SC-FDMA的基本原理22第三节 子载波映射方式24第四节 SC-FDMA的帧结构26一、FDD LTE上行帧结构26二、SC-FDMA帧结构27第五节 集中式与分布式子载波映射的性能比较28第六节 本章小结34第四章 SC-FDMA的PAPR仿真35第一节 PAPR（峰均比）的定义35一、PAPR的定义35二、PAPR的衡量标准36三、PAPR与功率效率的关系36第二节 SC-FDMA的PAPR分析36第三节 SC-FDMA与OFDM的PAPR仿真分析38第四节 本章小结44结 论46致 谢48参考文献49前 言LTE（即Long Term Evolution，长期演进计划）也就是我们所说的准第四代移动通信技术，它是介于3G与4G之间的一个过渡技术。LTE通过采用OFDM，MIMO，SC-FDMA等多种技术手段，进而得以大幅度提高移动通信网络的整体效率与能力。同时也必须看到，LTE也是基于GSM与CDMA的共同演进，LTE的标准化是由3GPP组织主导完成的，3GPP发布的TS36系列版本标准的协议使得LTE标准体系得到进一步的完善与发展。3GPP Release 8标准版本，简称R8标准版本，在2008年得到批准与审核，而后发布的R9（Release 9）版本则是对LTE R8版本的一个补充1。LTE是现有3G移动通信技术在4G应用前的一个最终版本，它采用了很多原计划用于4G的技术新技术如OFDM、MIMO等，所以在一定程度上可以说LTE是4G技术在3G频段上的一种应用。LTE和现有的3G及3G+技术相比，它除了具有技术上的优越性之外，同时也提供了更加接近4G的一个舞台，使得移动通信向未来4G的演进相对比较平滑，然而LTE也是现有3G技术向4G演进的必由之路。同时也必须看到，LTE在与WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，即全球微波互联接入，的竞争中产生，那么它在未来也将在与WiMAX的竞争中不断地向前发展，可以断言这种竞争的强度还会不断地加大力度。目前，WiMAX的802.16e标准（移动宽带无线接入的标准），也正在积极申请加入3G标准，以此期望获得全球统一的频率使用权。在未来的移动通信市场中，WiMAX技术将会是LTE的一个强劲的竞争对手，LTE将会在和WiMAX技术的激烈竞争中逐步发展壮大。LTE的性能也是显著的，在20MHZ频谱宽带下，能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率，并且改善了小区边缘用户的性能，提高了小区的容量，降低了系统延迟。可以说LTE是对3G很大的一种改进，同时LTE还支持移动高清电视和互动游戏等业务，更高的宽带也预示着移动多媒体时代的到来。LTE的接入网不但能够提高对新的物理层传输技术的支持，而且还带来网络建设和运维过程中的低时延，低复杂度，低成本等等好处。这是原有的3G网络所无法满足的要求，然而通过LTE的调整和演进，使得需求得到满足。LTE在接入网这一块采用了扁平化的IP架构，适应了更多业务的诉求。第一章 LTE技术的简单介绍第1节 LTE技术的发展背景一、UMTS长期演进的背景19世纪末期，赫兹发明了无线电。而在1897年，M.G.马可尼第一次演示在固定站与一艘拖船之间进行的通信，距离为18海里（33km）。这一事件标志着移动通信的开创。从20世纪七十年代后期开始，蜂窝网便正式开放供公众使用，全世界的移动通信总数开始持续高速增长。人们都期盼着使用新的无线通信方法和手段，这就极大地促进了移动通信在数字化和设备制造技术方面的快速进步，移动通信正朝着小型化，高集成化，更可靠，低成本方向发展。到目前为止，UMTS（Universal Mobile Telecom System，即通用移动通信系统 ）共经历了3个发展阶段2：第一阶段：模拟语音第一代模拟通信（1G）。第一代移动通信采用的是模拟技术和频分多址等技术。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。第一代移动通信由于受到传输带宽的限制，仅属于一种区域性的移动通信系统，所以不能进行移动通信的长途漫游。第一代移动通信有很多不足之处也比较多，如通话质量不高、保密性差、制式太多、互不兼容、容量有限、不能提供自动漫游和不能提供数据业务等。第二阶段：数据语音第二代移动通信（2G）。第二代移动通信主要采用的是数字化的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术，具有标准化程度高，提供丰富的业务，能频谱利用率高，保密性强等优点，这就使得移动通信得到了前所未有的发展。我国应用的第二代蜂窝系统为GSM系统（俗称G网）和窄带CDMA系统（俗称C网）。第二代移动通信系统的提供的主要业务有：语音业务及低速数据业务。它弥补了第一代模拟移动通信系统的不足之处，在语音质量、保密性能等方面得到大幅度的提高，并可以进行自动漫游。不过由于第二代移动通信系统带宽有限，限制了大流量高速率数据业务的应用，因此无法实现高速率的业务，例如移动的多媒体业务。第三阶段：数字语音+数据第三代移动通信（3G）。3G系统的三大主流无线接口标准由国际电信联盟（ITU）于2000年5月正式确定，包含由中国主导的TD-SCDMA、美国的CDMA2000和欧洲的WCDMA三种制式。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统能提供更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游，并为能够提供融合视频、数据和语音等丰富的多媒体业务。随着3G技术在全球范围内的推广与应用，带来了前所未有的移动数据支持，但是，3G并非完美。伴随着全球经济的高速发展，商用、民用的移动通信业务需求和范围都在日益地膨胀，对于移动通信系统也提出了更高的要求。用户不仅仅对语音质量以及数据速率都有更高的要求，而且还要求移动通信系统提供更高的多媒体服务，然而这些要求已经超出了现有3G网络的承载能力。寻求一种新的高速数据业务支持的移动通信标准势在必行。因此，3G建网运营，与此同时，ITU也提出了移动通信系统的进一步演进计划，以满足新的移动通信业务需求。2003年，由ITU主持的B3G(Beyond Third Generation，即超3G)标准化开始实施。2005年10月，ITU将B3G正式命名为IMT-Advanced。2008年3月，ITU向全球发出了征集IMT-A技术的通函，征集工作也于2009年底截止。2010年年底，完成了后续的针对标准版本的评估与新增工作，提交了第一个版本的标准IMT.Ges3。LTE延续了3GPP中GSM和UMTS家族的技术演进，目的是为了应对宽带接入的挑战，同时满足新型业务的需求。第三代合作伙伴计划（3GPP）在2004年年底启动了长期演进技术的标准化工作。LTE的获益源于HSPA以及HSPA+的技术发展和最新的理解。LTE采用了先进的技术，具有很好的后向兼容性，同时载波带宽等限制因素也不需要再考虑，但是必须考虑到LTE对于频谱灵活性的要求。在系统整体框架上，与LTE相应的SAE（System Architecture Evolved，即系统架构演进）项目推出了崭新的EPS（Evolved Packet System，即演进分组系统）。虽然LTE系统可以部署于3G（IMT-2000）的现有频谱上，但是不管是网络层面，还是在终端方面都要进行重大的改革与更近。二、LTE的需求和目标2004年在雅典的会议上，3GPP确定了一个LTE项目的总体目标。这个总体目标就是高速率、低时延和数据包优化的无线网络技术。LTE的相关需求指标可以概括如下：（1） 支持1.25MHz20MHz的带宽配置，支持对称和不对称的频谱分配。LTE支持1.24兆赫兹，1.6兆赫兹，2.5兆赫兹，5兆赫兹，10兆赫兹，15兆赫兹和20兆赫兹的带宽配置。继而在技术上使得LTE系统具有优异的后向兼容能力。（2） 在系统性能方面4：实现峰值数据率上行50Mbps，下行100Mbps。频谱效率达到3GPP R6的24倍。低时延：用户面延迟（单面）小于5ms，控制面延迟小于100ms。（3） 提高小区边缘的比特率，增强LTE系统的覆盖性能，保证业务的一致性。（4） 实现现有带宽和新增频带的更加灵活的使用。（5） 简化网络构架，缩减建网成本。（6） 无缝移动性要求，能够在不同的接入网技术中使用。（7） 实现MT（移动终端）的合理功耗。与现有系统相比，提高LTE系统性能是网路运营商的主要诉求，以确保LTE的竞争力。三、LTE项目时间对LTE系统需求的研究，早自2004年年底就已经通过研讨会（Workshop）的方式开始了，这可以看做LTE项目的开始时间。2005年4月，RAN1最先发起了针对LTE的正式技术学术讨论。由于WiMAX在标准化上领先，LTE制定了相当激进的标准化时间表，整个标准化时间被压缩到两年半的时间内完成。但即使火力全开，整个计划还是需要更多的时间酝酿，最终原定于2006年6月完工的LTE研究阶段（SI Study Item）还是不得不推迟了三个月。而工作阶段（WI Work Item）本应该在2007年6月完工，最终也超期了，迟到了半年，到2008年底才完成。尽管如此，学界对LTE的研究也如同雨后春笋般，蓬勃发展。从RAN1文稿数量可见一斑，数据量如表1.1所示，可以看出自2005后，研究著作大批涌现。表1.1 RAN1文稿数年份20002001200220032004200520062007RAN1文稿数目14981354144114401535162636245116第2节 LTE上行多址技术的研究现状在3GPP LTE标准化的进程中，北电、诺基亚等公司都提交了自己的若干多址方案。其中包括，MC-WCDMA（Multicarrier-Wideband Code Division Multiple Access，即多载波宽带码分多址），MC-TD-SCDMA（Multicarrier-Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，即多载波时分同步码分多址），OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即正交频分多址），IFDMA（交织频分多址）以及DFT-SOFDM（基于傅里叶变化扩展的频分复用）5。为了达到预期的LTE系统性能目标必须在上述的技术中做出选择，才得以在复杂合理的情况下，提供更高的数据速率以及频谱的利用率。而在上行链路中需要跟多的考虑的就是终端的处理能力以及它的功耗。所以在性能、设计复杂度以及PARA上都需要考虑。由于采用了多载波频分复用技术的OFDMA具有能支持高速数据传输的优点，同时它还可以克服多径效应，提高了系统性能及频谱利用率。因此在下行信道选择了OFDMA技术，而在上行链路上，OFDMA也成为了备选方案。在LTE系统设计的角度上，很多方面上行链路都有别于下行链路。设计的初衷就在于，移动终端的能量是有限的，必须在UE（User Equipment，即用户设备）功耗上更多考虑。下行链路采取了OFDM调制技术，带来则是高峰均值比（PARA）和效率的降低等问题，当然由于下行链路是由基站功能，在功耗上是没有必要太多考虑的，而在上行链路上OFDM势必是不行的。最终LTE系统选定SC-FDMA技术作为上行链路的方案。纵观LTE上行物理层，可以发现与下行也有很多类似的地方。LTE上行物理层面临一些问题与挑战，具体说来有以下几点需求如表1.2所示：表2.1 LTE上行物理层的问题与挑战充分利用最大20MHz的宽带信道带来的频率分集增益，低速率数据传输也可以满足这一条件；频率选择性调度的支持；支持先进多天线技术，增强上行链路的容量；足够的低峰均值比的上行发射波形，继而避免给终端放大器设计带来的麻烦；支持更大范围数据速率的灵活性，并能够根据信干噪比自适应调整数据速率；不同终端需要发射正交的上行信号以获取最小的小区干扰和最大的系统容量。第3节 本文主要研究内容以及结构本文通过前两节对LTE的发展背景，以及LTE上行多址的演技现状有了进一步的了解。分析了SC-FDMA作为LTE上行多址方案的合理性，SC-FDMA相较于OFDMA的优势突出体现在PAPR上面，SC-FDMA具有较低的PAPR，从而满足了终端的功率要求。这些优点与SC-FDMA本身的载波结构是密不可分的，它作为一种具有吸引力的技术受到了全球的瞩目，尤其对于终端功率要求低的上行链路，低PAPR意味着低的发射功率以及终端生产成本的降低。SC-FDMA有两种子载波映射方式，第一种是集中式，第二种是分布式。在第一种映射方式中，可以通过信道依赖调度获得频率选择性增益；在第二种分布式映射方式中，可以获得频率分集增益。SC-FDMA继承了OFDM技术的各种优势。本文研究LTE上行链路的SC-FDMA技术。并通过研究LTE上行PUSCH物理层技术；以及对SC-FDE（Single Carrier-Frequency Domain Equalization，单载波频域均衡）系统和OFDM系统做出相关的理论研究，比较二者的技术性能；分析比较不同均衡技术的性能；对比不同调制技术，多址技术（IFDMA，LFDMA，DFDMA）的峰均值比。针对文章的主演研究内容，对文章的结构作以下安排：第1章 ：介绍UMTS长期演进的历史背景，得出LTE技术的性能需求和性能目标。介绍研究现状，对比OFDM技术，得出SC-FDMA作为LTE上行多址的合理性。第2章 ：其是第三章的基础，为SC-FDMA的研究分析奠定了基础。本章介绍作为SC-FDMA技术基础的SC-FDE和OFDM技术，针对SC-FDE系统与OFDM系统进行多方面性能进行比较。第3章 ：首先介绍PUSCH物理层技术，介绍SC-FDMA技术，从以下三个方面入手：子载波映射，系统模型，帧结构。针对SC-FDMA的两种不同的子载波映射方式，即集中式与分布式，在不同的信道和均衡技术下，做出误码性能比较。第4章 ：给出PAPR的定义，以CCDF的方式分析PAPR，分析SC-FDMA的PAPR特性，最后仿真比较SC-FDMA的三种信号的PAPR功能，并与OFDM技术的性能进行仿真比较，针对不同滚降系数与不同的脉冲滤波器类型以及不同的子载波映射方式进行比较。第5章 ：结论与展望，总结论文的内容与结论。第4节 本章小结本章作为全文的绪论部分，介绍UMTS长期演进的历史背景，得出LTE技术的性能需求和性能目标。介绍研究现状，对比OFDM技术，得出SC-FDMA作为LTE上行多址的合理性。最后列出了本文的研究目的，研究内容以及结构安排。第2章 单载波频域均衡（SC-FDE）技术第1节 OFDM技术一、OFDM技术的发展OFDM技术在1971年的时候被相关标准化组织提出的，之后随着数字信号处理技术的快速发展，OFDM系统就可以采用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)来对数据进行调制和解调。1980年Ruiz提出了循环前缀(Cyclic Prefix，CP)的概念，这样就可以消除当信道的最大时延小于采用的CP长度时，正是因为CP的引入，即使经过多径衰落信道后的OFDM系统的性能也会比较好。目前OFDM己经应用于很多通信技术：如高清晰度数字电视(HDTV），欧洲数字化音频广播(DAB)和数字化视频广播(DVB)，采用IEEE 802.16标准的中国移动多媒体广播(CMMB)等。二、OFDM技术的基本原理OFDM的基本思想就是把传输信道分成若干正交子信道，再通过串并转换把高速率的串行数据流变成低速率的并行数据流，之后再调制到子信道上进行传输。由于接受端接受到的是正交的信号，这样就降低了信道间的载波干扰，原信道的带宽由于相互的压缩而变小，提高了带宽的利用率。通常，多载波方案是把信号划分为若干的并行信道，其原理如图2.1所示6。在理想的情况下，每个子信道采用的频率没有选择性，也就是说它将具有良好地频率平坦增益，这样的话，接受机能够很容易在频域上给各个子信道增益补偿。OFDM的作为具有吸引力的多载波技术，其主要体现如图2.1所示。这样的划分避免了需要利用保护带宽来分割载波，从而进一步地提高了频率的利用率，在频率资源有限的情况下，OFDM无疑带了更多的实惠。而恰恰因为OFDM的子信道能在接收端完全分离，这样就降低了接收机设计的复杂度，使得OFDM技术在LTE系统的高速率的传输的下行链路中同样具有不可小觑的吸引力。图2.1 传统多载波与OFDM系统频谱下面是OFDM系统的模型图7：图2.2 OFDM模型图从图2.2可以看出，信元产生的二进制比特流经过映射（一般采用PSK，QAM映射）后形成频域的调制信号，再进行串并转换得到并行的数据。而这些数据块我们可以看成是长度为N的数据块，其中N为OFDM符号子载波的个数。之后再进行N点IFFT变换，得到时域数据符号。N为0，1，2，N-1；K为0,1,2，N-1。 （2-1）时域信号再加上长度为的循环前缀，得到OFDM符号序列， （2-2）之后s(n)经过多径信道，加上高斯白噪声，受到两者的干扰，接受端的信号为可以表示为： (2-3)其中h(n)为多径信道的冲激响应，v(n)为加性高斯白噪声，为循环卷积。在接收端去掉前缀得到： (2-4)之后对做FFT变换，变成频域信号，其为： (2-5)数组为信道的频率响应，H(k)为对应信道在第k个子载波上的频率响应，为加性高斯白噪声的傅里叶变换。最后进行串并变换，符号映射恢复二进制信号。三、OFDM的优缺点由上面的OFDM的基本原理的解析可以知道，OFDM采用了IDFT（离散傅里叶反变换）与DFT（离散傅里叶变化）对子载波进行调制与解调。而为了达到于简化运算，降低对设备的要求的目的，通常在各个子信道上的子载波的调制与解调采用IFFT（快速傅里叶反变换）与FFT（快速傅里叶变换）。随着大规模集成电路以及DSP技术的发展，实现FFT与IFFT变得更加容易8。1OFDM的优点OFDM技术能够有效地抑制多径效应造成的频率选择性衰落；OFDM相较于CDM（码分复用），TMD（时分复用）以及FMD（频分复用）具有较高的频谱利用率；OFDM可以通过简单的加入CP（循环前缀）消除ISI（符间干扰）；通过分配不同的数量的子载波，可以方便调节OFDM的上行与下行链路的速率。2OFDM的缺点由于OFDM系统存在多个正交的子载波，所以输出的是多个子载波的叠加，相比单载波系统，OFDM容易受到频率偏差的影响，而且具有很高的PAPR。四、OFDM的参数设置OFDM的参数设置过程有三个重要的参数9，子载波的时间间隔，CP的长度以及系统的子载波数。1的设置（1） 作为子载波间隔，不能太大在给定的带宽的条件下，选择较大的，将导致系统最大子载波数目的减少，从而降低了系统的容量。OFDM系统为了克服无线传播环境中的频率选择性衰落，这样就要求远远小于无线信道的带宽（即）。如果较大，将导致OFDM的FFT的时间长度变小，由于CP本身不携带任何信息，这样就会使得数据传输效率降低，也会进一步降低系统容量。（2） 作为子载波间隔，不能太小是不是越小越好呢？事实并非如此。过小，会导致OFDM系统对频率偏差变得很敏感，这样就会使得系统不稳定。在给定的系统带宽下，过小将会使得系统的最大的子载波数目过大，这样加大了系统的处理的复杂度。目前，主流的LTE系统一般都采用最大子载波数为2048点，这已经相当复杂了。减小将导致变大，使得OFDM符号的FFT时间远远大于移动无线信道的相关时间，与此同时的值也远小于多普勒扩展。这样将会使得信号失真，破坏了OFDM的正交性。2CP的长度的设置典型的小区半径的单播系统中，LTE采用了长度为4.6875的常规CP；在大小区单播和混合载波MBMS中采用长度为16.67的CP；在独立载波的MBMS系统中，延长为33.33综合分析起来，如下图所示：图2.3 下行OFDM采用的三种循环前缀结构LTE下行信道的配置如下表2.18所示，长度如下：表2.1 LTE下行OFDM CP长度的设置配置循环前缀长度（）常规CP=15kHz160 L=0144 L=1,2,6扩展CP=15kHz512 L=0,1,5=7.5kHz1024 L=0,1,23子载波数目的配置在理想的OFDM系统中，可以认为是最大子载波数为IFFT/FFT的点数N。由于矩形脉冲具有很大的带外杂散，以及旁瓣衰落慢的的问题，所以为了克服这个问题，通常采用时域加窗的办法解决。在实际的运用当中，OFDM系统预留了10%的保护带宽，所以子载波数会小于最大可用子载波数N。系统的配置带宽有：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz，相应的子载波时间间隔采用频率，子载波数目以及IFFT大小的配置如下表2-2所示：表2.2 LTE下行传输方案参数表信道带宽1.4MHz3MHz5MHz10MHz15MHz20MHz子帧周期1ms子载波间隔15kHz采用频率1.92MHz3.84MHz7.68MHz15.36MHz23.04MHz30.72MHzIFFT大小128256512102415362048资源块数615255075100子载波数731813016019011201第2节 OFDM与SC-FDE的比较一、SC-FDE技术的基本原理单载波频率均衡系统的原理10如下图2.4所示，介于文本尺寸的限制，省略了信号编码模块，FFT，IFFT，符号映射以及前后的串并，并串转换模块。信号的处理流程：输入符号长度为Ng的前缀以后，从而形成长度为N的符号（数据块），将其送入信道；接收端进行同步后，去掉前缀，把每个传输符号变换成频域信号，进行均衡，之后再变成时域信号，得到接受的信息。图2.4 单载波频率均衡系统框图SC/FDE是一种类似OFDM系统信号处理方式的高效的对抗多径的宽带数字传输方案。该方案有效地改善了OFDM技术上的不足，并且可以达到和OFDM系统近似的性能。SC/FDE技术将传统的单载波传输接收端的均衡结构由时域均衡变为频域均衡。SC/FDE系统发送的是调制后的高速率单载波信号，接收端通过FFT和IFFT变换来实现频域均衡，实际上是对接收信号的频域分析。下面对SC-DE系统框图的各个模块输出表达式进行推导，首先做出如下两点假设：第一发送和接受端是理想同步的，第二信道衰落足够慢，信道在一个符号时域内可以看成是恒定的。假设为输入端的信源序列经过串并转换后的数据块，长度为。信道冲击响应为，方差为，高斯白噪声为，接受端的信号为。可以表示为： (2-6)其中为卷积，经过FFT变换，其中为的FFT变换，为信道的频率响应，为加性高斯白噪声的FFT变换，得到，为时域信号： (2-7)假设信道同步以及信道的估计都很理想，经过频域均衡处理，得到，其中为前馈滤波器系数： (2-8)再对做IFFT变换，将信号恢复到时域。之后对的到的信号进行判决以及信号映射得到发送端的原信号，表达式为： (2-9)二、OFDM与SC-FDE的对偶性由图2.5可知，此图为OFDM与线性FDE的SC系统共存的框图，在双模系统中，客户端由一个OFDM接收机，一个FFT处理模块，以及一个SC-FDE发射机构成；而在基站端，则是由一个FFT，两个IFFT模块，SC-FDE接收机，OFDN发射机构成。我们把二者系统的双向传输共存模型称为OFDM与SC-FDE的对偶性。图2.6 SC-FED和OFDM系统共存的双向传输系统三、OFDM与SC-FDE的同异1相同之处对比图2.3（OFDM的模型图）与图2.4（单载波频率均衡系统框图），可以发现OFDM系统与SC-FDE系统有很多相似的地方。二者都要对数据进行映射，串并转换，得到数据块后进行操作；而在对消除符号间干扰的处理上，二者都引入了CP来达到这个目的；二者都采用了IFFT与FFT进行时域与频域运算，之后在频域内进行信道均衡。2相异之处OFDM与SC-FDE的主要区别在于，IFFT运算在发射端还是在接受端。在SC-FED系统当中，IFFT模块在接受端；而在OFDM系统中，IFFT模块在发射端。虽然在对同样长度的DFT数据块进行处理时，OFDM系统与SC-FDE系统的频域均衡能力是一样的。但是，OFDM系统在接受判决时，其是在不同子载波上独立完成的，这种判决对于那些深度幅度衰落处的载波就显得不是那么可靠了。SC-FDE系统能够有效地减轻OFDM在检测是出现的问题11。3SC-FDE相对于OFDM技术的优缺点(1) 优点：SC-FDE相较于OFDM系统具有良好的抗载波频率偏移能力；降低了运算的复杂度，其运算的复杂度取决于多径扩散的对数；SC-FDE系统不用采用编码技术客服频率选择性信道的影响；SC-FDE降低了PAPR，降低了系统的复杂度，降低了成本；即使信道的时延扩展很大时，SC-FDE依然具有来良好地频域均衡性能；(2) 缺点：而SC-FDE相对于OFDM技术的缺点就是，OFDM技术采用了自适应频域分配到不同的子载波，而SC-FDE不能进行自适应功率分配和自适应比特加载。所以OFDM比SC-FDE技术具有更高的频谱效率。第三节 均衡技术均衡技术是指对信道特性的均衡，也就是说接受机均衡器与信道的特性正好相反，以此来抵消信道多径传播带来的码间干扰。在信号的传播过程中由于受到多径效应的影响，造成符号间的干扰，也就是我们前面说的ISI。通过增强平均信号电平的方法，并不可行，只有采用适当的均衡技术才能够抵消或者降低ISI。均衡可以认为是把传输码元扩展符号的能量放回到这个码元的时隙中去。这种方法相当于，用一个插入的滤波器，使得多径信道与该路一起组成的等效信道具有恒等幅度与线性相位的特点。均衡器可以消除信道的频域与时域选择性，由于信道是时变的，这样需要均衡器具有自动适应信道特性的能力，通常称为自适应均衡。均衡技术旨在解决多径引起的ISI，适用于时延扩展远大于符号宽度与信号不可分离多径的情况。均衡器可以分为时域与频域均衡两种。时域均衡能够使冲击响应满足于码间干扰；而频域使得总的传输函数满足无失真传输的要求。均衡技术可以分为线性与非线性两大类，每种不同的均衡器都具有不同参数以及结构，自适应准则。具体如下图12所示：图2.6 均衡分类框图以下将简单介绍几种均衡技术：迫零均衡技术在理想的信道模型下，通过调整均衡器的抽头系数，使得均衡器与信道的联合冲激响应的抽样的取值在采样周期的采样点上。这样一来的话，除了0以外的其他抽样点都为零，消除了码间干扰。但是迫零均衡带来一个问题就是会放大噪声，尤其在信道响应的零点。最小均方误差均衡它的基本思想是使得均衡器的期望输出值与实际输出值之间的误差最小化。非线性均衡技术当线性的均衡技术已经不能满足需求时，则使用这类均衡技术。非线性均衡器能够弥补失真频谱，对周围的失真频段进行修复，获得一定的增益。通常有判决均衡，最大似然符号检测均衡以及最大似然估值均衡。第四节 SC-FDE的帧结构根据保护间隔的不同，SC-FDE的帧结构可以划分为几种不同的格式，在保护间隔的划分上一般分为循环前缀（CP）与零填充两种。CP在之前已经介绍过来，这里不再赘述，零填充顾名思义就是在两个符号间直接填充零以达到消除ISI的目的。在实际的运用当中，一般采用CP的方式13。在Hyung G. Myung的论文中，我们可以发现，在SC-FDE系统中，用了一种特殊字段来表示CP，那就是独享字段（Unique Word，简称UW）。UW这个特殊字段与CP又有什么不同，它们的不同之处在于以下两点如图2.8所示：UW是独享字段，如果数据帧不同，那么UW也不一样；去掉UW的过程在均衡之后，而CP的处理是在接收端均衡之前。图2.7 SC-FDE中采用CP和UW保护间隔的SC-FDE帧结构由图2.7可以看出，UW与CP的都是为了保护间隔的作用，都是循环前缀。而它们的不同之处在于，UW是提前设置好的数据块，每个SC-FDE的UW是一样的；CP则是复制数据的一部分形成循环结构，因此CP的数据块是不同的。第五节 本章小结本章主要论述了SC-FDMA的基础技术OFDM与SC-FDE技术，分别研究了SC-FDE与OFDM系统，分析了二者的对偶性，以及OFDM的参数设置。之后介绍了均衡技术，最后介绍了SC-FDE的帧结构。第3章 单载波频分多址（SC-FDMA）技术第一节 PUSCH信道的简单介绍一、LTE上下行信道的简单介绍首先介绍LTE信道分为上下两种信道，其功能种类分类如下表14（表3.1）所示：表3.1 LTE上行下行信道类别名称承载的功能上行信道PUCCH物理上行控制信道承载上行控制信息。PUSCH物理上行共享信道承载上行业务数据信息，上行参考信号与上行控制信息。PARCH物理随机接入信道RRC的建立。下行信道PDSCH物理下行共享信道承载非多播单频网（MBSFN）模式下的下行数据。PSCH物理广播信道传输系统信息块。PDCCH物理下行控制信道承载调度以及下行控制信息。PCFICH物理控制格式指示信道其携带的信息的意义在于表征PDCCH的OFDM符号数。PHICH物理HAPQ指示信道承载eNode B对上行发射信号做出的NACK/ACK反馈信息。PMCH物理多播信道承载MBSFN模式下的下行数据。其中PU