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3GPP LTE中的OFDMA和SC-FDMA性能比较

作者:时间:2007-08-16来源:通信世界网

通用陆地接入(UTRA)演进的目标是构建出高速率、低时延、分组优化的接入系统[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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/63405.htm

  在 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(),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)。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,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,降低上行链路的覆盖能力。由于单载波频分复用()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 LTE的下行链路的主流多址方案。然而,在上行链路的研究中,尽管成为主流的多址方式,但OFDM和之间的比较大多从 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,但它的链路级性能却不如OFDMA。

OFDMA的基本原理

  1  OFDMA和DFT-SOFDM的基本原理

  1.1OFDMA的基本原理

  OFDMA将整个频带分割成许多子载波,将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道,从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱,OFDM能够提供较高的频谱利用率和较高的信息传输速率。通过给不同的用户分配不同的子载波,OFDMA提供了天然的多址方式,并且由于占用不同的子载波,用户间满足相互正交,没有小区内干扰(如图1所示)。同时,OFDMA可支持两种子载波分配模式:分布式和集中式。在子载波分布式分配的模式中,可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性而获得分集增益。

  此外,因为OFDMA已成为下行链路的主流方案,上行链路如也采用OFDMA,LTE的上下行链路将具有最大的一致性,可以简化终端的设计。

  一个分配了M个子载波的用户的传输信号可表示为:D =[d 0,d 1……d M-1]T,其中,T代表矩阵转置,di是调制信号。

  经过快速傅立叶反变换(IFFT)调制后,信号向量S =F N* T N,M D,其中TN,M代表子载波分配的映射矩阵,其元素是表达子载波的分布式或者集中式分配。F*N是N点IFFT矩阵,*代表共轭转置,并且FN=[f 1T,f 2T……f NT]T,

  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),r (1) ……r (N-1)]T,r (k)是第k个子载波上的接收信号。

  由于OFDM的时域信号是若干平行随机信号之和,因而容易导致高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器,所以在下行链路中,高PAPR不会带来太大的问题。然而,在上行链路中,由于用户终端的功率放大器要求低成本,并且电池的容量有限,因而高PAPR会将降低UE的功率利用率,减小上行的有效覆盖。为避免OFDM的上述缺点,必须降低PAPR。

  降低OFDM的PAPR的技术有很多,比如选择性映射、削波和滤波等等。文献[6]中证明了通过削波和滤波,可以将PAPR降低到6 dB以下时,同时对OFDM的性能影响很小,而且带来的复杂度增加也是可以接受的。因此,本文将主要研究不同多址方案的链路级性能的比较。

   1.2DFT-SOFDM的基本原理


  结合动态带宽分配的单载波传输技术已成为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,提高功率的利用率。

  DFT-S OFDM可以认为是SC-FDMA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编码。不加循环前缀的传输信号可以表达为:S=FN* TN,M FM D,其中FM是M点FFT。

  DFT-S OFDM也具有两种模式:集中式和分布式。图2是集中式DFT-S OFDM的示例,其中m 1……m M表示M个不同的调制器传输的比特数,而f 1……f M表示N点IFFT的M路输入。在发送端,先对块长为M的调制信号进行M点FFT信号处理,再根据子载波映射模式将M点FFT的输出信号映射到N个子载波上,经过IFFT将信号转变为时域信号之前,可以进行频域脉冲成型。与时域脉冲成型类似,频谱成型可以在频谱的利用率和PAPR间折衷,如果滚降系数大于 0,则使频谱扩张,这与时域脉冲成型要求的过采样率相对应。

集中式DFT-S OFDM

  接收端为图2的逆过程。在去保护间隔和N点FF


T处理以后,频域的接收信号为:R=HTN,M FM D +n,此时DFT-S OFDM也能在频域进行均衡。


  2  系统参数设定和均衡器

  在 LTE的提案中,很多仿真结果都是在3GPP步行环境B类信道(PB)3 km/h或者车载环境A类信道(VA)120 km/h的情况下。不论是OFDMA还是DFT-S OFDM,在经过这样的衰落信道后,其接收信号都将成为频率选择性信号。如果用户所占用的子载波上的信道不是常值的话,就需要频域均衡器来恢复信号。本文中采用迫零(ZF)均衡器。

  对于OFDMA系统,在经过ZF均衡后,信号可以表达为:

  其中n'=H*Wn,W是对角矩阵,定义为:

  

  在OFDMA的接收端,经过均衡后,恢复的数据直接送入软解调和解码单元。很明显,由于信道是频率选择性的,可以获得频率分集增益。信道的频率选择性越强,则OFDMA能获得的频率分集增益越大。在下节中,仿真结果将证实我们的分析。

  对于DFT-SOFDM系统,在进行最小均方误差(MMSE)均衡后,信号可表示为:R=H*W(HTN,MFMD+n)=H*WHTN,MFMD+n',其中公式3

  比较D和R,可以看到DFT-SOFDM在频域均衡后,在解调和解码单元前,还需要进行M点的IFFT(与发送端相对应)。经过M点IFFT后,信号可表示为:

  其中。已恢复的数据D送入DFT-S OFDM接收端的软解调和解码单元。DFT-S OFDM的优势在于其信号的时域实现能够在一定程度上降低PAPR。但是,由于解码也是在时域进行的,DFT-S OFDM只能利用时域选择性衰落。

  表1 给出了本文仿真的公共参数[7]。

仿真的公共参数

  3  仿真结果的比较

  DFT-S OFDM和OFDMA两种上行多址方式的链路级仿真结果如图3所示。当每用户分配300个相邻子载波时,两种多址方式的未编码系统的误码率(BER)性能分别如图3中红色和蓝色线所示,这里,两者都是理想信道估计,均采用ZF均衡。


  可以看到,DFT-S OFDM性能劣于OFDMA,原因在于信道是频率选择性的。OFDMA在频域进行解调,其性能取决于深衰落的子载波;而对于DFT-S OFDM,解调是在时域进行的,并且其信号是IFFT之前信号的平均,不能有效利用信道频率选择性,所以其性能劣于OFDMA。然而。DFT-S OFDM对信噪比(SNR)更为敏感,随着SNR的增加,OFDMA和DFT-S OFDM性能会逐渐接近。

  图4给出了每用户分配300个相邻子载波、16相正交幅度调制(16QAM)调制时,两种多址方式的编码系统的误块率(BLER)性能。这里 OFDMA采用了ZF均衡,而DFT-S OFDM采用了MMSE均衡。可以看到,当BLER为10-2时,OFDM与DFT-S OFDM相比,具有3 dB的增益。原因在于信道是频率选择性的,OFDMA能有效利用信道的频率选择性。所以,结合编码的OFDM系统与时域编码系统相比,能获得明显的增益。

  在实际系统中,接收端需要进行信道估计。图5是实际信道估计下的两种多址方案在120 km/h信道中的性能比较,采用了文献[8]中对OFDMA和DFT-SOFDM定义的系统框图。对于两种多址方案,信道估计误差都会降低其性能。 OFDMA优于DFT-S OFDM,在BLER为10-2并采用16QAM调制时,OFDMA有5 dB的增益。

    多输入多输出(MIMO) 技术也是LTE的候选技术,它可以改善性能和提供频谱利用率。图6是两种多址方案在理想信道估计时,结合MIMO技术的性能。这里,发送端采用了空时分组码(STBC);在接收端,OFDMA和DFT-SOFDM分别采用了ZF均衡和MMSE均衡。从仿真结果可以看到,在BER为10-2、采用正交相移键控(QPSK)调制时,OFDMA有2 dB的增益。当增加调制阶数,由QPSK变为16QAM后,OFDMA与DFT-SOFDM相比,增益增加到6.5 dB。因此,尽管MIMO技术能明显改善DFT-S OFDM的性能,由于不能利用频率选择性,结合MIMO的系统中,DFT-S OFDM的性能仍劣于OFDMA。

  4  结束语

  本文阐述了OFDMA和DFT-S OFDM的基本原理,比较了两者的基本性能。仿真结果表明,在未编码的条件下,当BER为10-3 、12个子载波被占用时,OFDMA优于DFT-S OFDM 1 dB;在采用Turbo编码的条件下,当BER为10-3时,OFDMA与DFT-S OFDM相比,有将近3 dB的增益;在结合MIMO的系统中,OFDMA对DFT-S OFDM的链路级性能的优势将扩大。由于OFDMA的PAPR可以降低到3 GPP要求的6 dB以下,而性能降低小于0.5 dB[6],因此从链路级性能来看,OFDMA的性能优于DFT-S OFDM。



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