基于LTE的单载波频分多址调制技术研究

摘要：针对移动通信中，对于手持终端能耗的要求较高的特点，单载波频分多址作为一种单载波调制方式，以其与生俱来的优点，被3GPP LTE标准采用为上行调制方式。该文对单载波频分多址进行了简要的介绍，对3GPP相关标准进行解析，简要说明了在LTE上行信道中的编码调制方式和帧结构，并结合标准进行仿真，给出仿真信号频谱，在峰均比性能上与OFDM进行了对比，说明了单载波频分多址在峰均比方面与OFDM比较，可以将峰均比提高2个单位以上，满足移动通信中低功率的要求。
关键词：LTE；单载波频分多址；峰均比；3GPP标准；帧结构

    在第三代移动通信的发展过程中，随着R99、R4、R5、R6和R7各个系统版本技术规范的发布，第三代合作伙伴计划(3GPP：3rd Generat-ion Partnership proiect)作为WCDMA和TD—SCDMA这两个系统进行国际标准化工作的主要组织，为基于CDMA技术的第三代移动通信技术的发展发挥了重要的作用，近年来这些系统逐渐进入了商用的进程。2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过了关于“Evolved UTRA and UTRAN”，又称为Long Term Evolution(LTE)即“3G长期演进”的立项工作。LTE在2005年12月召开的技术规范组无线接入网(TSGRAN)第30次全会上，最终决定物理层可行性研究技术将集中在上行单载波频分多址(SC—FDMA，Single Carrier Frequency Division Multiple Access，如DFT—S—OFDM，DFT Spread OFDM)和下行正交频分多址(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)上。
    SC—FDMA是一种单载波调制方式，基本的处理方法可分为DFT-S-GMC和DFT—S—OFDM，其中，3GPP标准中规定采用DFT-S-OFDM方式，即DFT扩展的OFDM方式，这种方式将每个载波能量分配到每个时隙中，可有效的降低峰值平均功率比。本文首先介绍了在3GPP标准下所规定的帧格式，调制编码方式对于相同的信号源，本文分别进行了SC—FDMA和OFDM的MATLAB仿真，并比较得出结论。

1 SC-FDMA编码原理
    SC—FDMA和OFDMA的相似之处包括，基于数据库的数据调制和处理，传输带宽到窄带的分集方式，信道的频域均衡处理和CP的用法。二者在接收端的不同的检测处理和不同点符号调制方式，SC—FDMA在进行检测处理之前要经过一个IDFT的过程。OFDMA并行同步传输数据符号，而SC—FDMA的每个符号要先分成若干个小的数据块，然后再和其他符号构成的数据块按一定的顺序组合。
    SC—FDMA编码主要包括：CRC校验，Turbo编码，内部交织，网格结尾和速率匹配。编码流程翻如图1所示。

    首先，将CRC校验前的数据表示为a0，a1，…，aA-1，并将校验比特表示为pO，p1，…，pL-1，则校验比特由以下其中一个循环生成多项式生成：
   
   
    然后，经过码块分割并且进行CRC校验码添加，将数据分成r块，每个块后面加上校验比特。
    将r块数据分别经过Turbo编码器，该Turbo编码器的结构如图2所示。

    数据序列ck'是ck经过交织后的结果，交织过程如下：

    速率匹配过程分为子块交织，比特类集，选择和传送，先将数据补零形成32行的矩阵，进行列交织；然后将分别交织后的三列数据汇集成一列数据，并根据冗余版本要求输出不同长度的序列。

2 SC-FDMA调制原理
    SC—FDMA调制基带过程主要包括以下步骤：
    1)串并变换
    将串行比特流变换成并行数据，通常，若星座映射为QPSK，变成2 M个并行比特，若为16QAM，则变成4 M个并行比特；
    2)比特到星座映射
    将M个并行比特分别进行星座映射，QPSK方式下，每2比特映射一个虚数字节，16QAM下，每4比特映射一个虚数字节；
    3)M点DFT扩展
    DFT扩展是SC—FDMA有别于OFDM的重要特征，经过DFT扩展后的时域数据变换到频域上进行处理；
    4)子载波映射
    子载波映射分为两种方式，分别是分布式子载波映射(DFDMA)和集中式子载波映射(LFDMA)。除此之外，还有一种交织式子载波映射由于其分集效应较大一般不应用于DFT-S-OFDM，而是应用于另一种单载波频分多址方式DFT-S-GMC；
    5)N点IFFT
    经过扩展后的数据在频域上占有一定带宽，再进行IFFT将其变换到时域进行处理；
    6)加循环前缀
    SC—FDMA标准中所要求的循环前缀有两种，一种是常规CP，每时隙第一个符号里为5．2μs，所有其他时隙为4．69μs，一种是扩展CP，所有符号里均为16．67μs，扩展CP对于具有较大信道时延扩展特点的部署以及大的小区是有益的；
    7)并串变换
    并行数据变换为串行，基带调制完成。
    分布式子载波映射如图3(a)所示。子载波映射将M个等间距的子载波(例如，每第L个子载波)分配给用户。(L-1)个零插入到M点DFT的输出样值之间，额外的零添加到IFFT之前的DFT输出的边带(ML<N)。和集中形式一样，添加到DFT输出边带的零提供了上采样或sinc内插，而插到
DFT输出样值之间的零是波形在时域上重复。这就导致发送信号类似于具有重复因子L和“sinc”脉冲成型滤波的时域IFDMA。

    集中式子载波如图3(b)所示。通过子载波映射将一组M个连续的子载波分配给一个用户。由于M<N，DFT输出要添零，这使得原始的MQAM数据符号在OFDM调制器的IFFT的输出端产生上采样／内插版本。因此发送信号类似于一个具有CP(等价于重复因子L=1的时域生成)和sinc脉冲成型滤波(循环滤波)的窄带单载波信号。
    在3GPPLTE标准中，规定采用集中式，即采用连续子载波块。从而简化了传输方案，并使相同的RB结构能够用于下行链路。唯一采用分布式传输的是用于上行链路的探测参考信号(SRS)，传输这一信号使得eNode B能够进行上行链路频率选择性调度。

3 LTE上行帧结构
    对于LTE上行帧来说，每个时间单位Ts=1／(150 000x048)s。每一帧长度为Tf=307 200xTs=10 ms。传输帧结构如图4所示。

    这种帧结构形式适用于全双工及半双工FDD，每个帧长度是10 ms，并包括20个时隙，每个时隙持续0．5 ms，每个子帧由两个时隙组成。
    每个时隙可以表示为一个橱格结构，包括个子载波，个SC-FDMA符号。栅格结构如图5所示。

   
    其中，分别对应于最小和最大上行带宽，并在文献中有说明。栅格中每个元素成为一个资源元素，以(k，l)表示，其中，的值由下表给出，每个屋里资源块包括个资源元素，相当于时域的一个时隙，以及频域的180 kHz。

4 仿真结果
    对SC—FDMA和OFDM分别进行MATLAB仿真。输入一组随机数据进行调制，如图6(a)所示，数据调制后如图6(b)所示，由于调制阶段才用的是集中式子载波映射方式，所以频谱多集中在一个频带内。在一定带宽内有数据信号。图7中可以看出，相同的信噪比条件下，SC—FDMA的PAPR相对OFDM要小的多，QPSK情况下，在RSN=10-3附近，OFDM调制的PAPR=9．7，而SC—FDMA调制的PAPR=7．1；在RSN=10-1附近，OFDM调制的PAPR=7．5，而SC—FDMA调制的PAPR=5．6。SC—FDMA的PAPR性能远优于OFDM，这就符合了设计的初衷。

5 结论
    本文介绍了基于LTE的单载波频分多址调制技术的原理，并结合3GPP协议内容，对上行传输中帧结构进行了说明，具体介绍了上行帧格式，最后，对QPSK和16QAM调制方式下的SC—FDMA和OFDM调制方式分别进行仿真，得出SC—FDMA方式比OFDM方式峰均比低，可以满足低功耗要
求，更适用于上行传输。