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基于OFDMA的LTE下行多址接入方案
□西南交通大学信息工程学院 余彩虹
摘要：文章介绍了基于正交频分复用多址（OFDMA）的长期演进（LTE）下行链路多址接入方案，阐述了OFDM技术的基本原理，分析了OFDM技术的优势，从而引出 OFDMA多址方案，并简要介绍3GPP建议的其他下行多址接入方案。
关键词：LTE 下行多址接入 OFDM OFDMA
1 引言
在LTE系统刚刚开始时，有关多址接入方式的讨论就已经进行，其讨论的范围主要包括与OFDM技术相结合的多址方式，基于单载波频域均衡（SC-FDE）的多址方式，以及与CDMA相结合的多址方式等。3GPP经过激烈的讨论，最终决定LTE的多址方案采用下行正交频分多址（OFDMA），上行单载波频分多址（SC-FDMA）的方式。
本文主要讨论基于OFDMA的下行多址接入方案。它最大的优点是能够抵抗频率选择性衰落，同时能够有效地提高频谱效率。作为OFDMA技术的基础，正交频分复用（OFDM）的基本思想是将高速输入的串行比特流在发送端转化成若干并行的低速数据流，并映射到等频率间隔的多个正交子载波上进行传输。
2 OFDM技术的基本原理
OFDM是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术。每个OFDM符号是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键控（PSK）或者正交幅度调制（QAM）。如果用N表示子信道的个数，T表示OFDM符号的宽度，di(i=0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号，fc是载波频率，则从t=ts开始的OFDM符号可以表示为
（1）
在很多文献中，经常采用如下所示的复等效基带信号来描述OFDM的输出信号：
（2）
其中，式（1-2）的实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。
从频域角度上看，OFDM符号的频谱实际上可以满足无符号间干扰的奈奎斯特准则。参考图1可见，部分重叠的子载波排列可以大大提高频谱效率。

图1 OFDM的频谱
若对式（1-2）中定义的复等效基带信号s(t)进行T/N的速率进行采样，即t=kT/N，可得到：
（3）
式（1-3）中，s(k)即为di的IDFT运算。在接收端，为了恢复出原始的数据符号di，可以对s(k)进行DFT变换，得到：
（4）
根据以上分析可以得到这样的结论：OFDM系统的调制解调可以分别利用IDFT和DFT来实现。通过N点的IDFT运算，将频域数据符号di变换为时域数据符号s(k),经过载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N点DFT运算，即可获得发送的数据符号di。
为了最大限度地消除符号间干扰，且保持子载波之间的正交性，还可以在每个OFDM符号之间加入循环前缀（Cyclic Prefix，CP）。插入CP就是将OFDM符号结尾处的若干采样点复制到此OFDM符号之前，CP长度必须长于主要多径分量的时延扩展。
加入循环前缀之后基于IDFT/DFT的OFDM系统框图见图2。
串/并变换
星座映射
并/串变换

D/A变换
星座解调

DFT
变换
A/D变换
并/串变换
n(t)
多径衰落信道
IDFT变换

加CP

去CP

串/并变换

图2 加入循环前缀之后基于IDFT/DFT的OFDM系统框图
3 OFDM技术的优势
OFDM技术有以下优点：
（1） 频谱利用率高
OFDM系统中各个子载波的正交性使子信道的频谱可以重叠，因此OFDM系统的频谱利用率得到了大大提高。
（2） 带宽扩展强
OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波数量，因此具有很好的带宽扩展性，但并不会明显增加FFT尺寸带来的系统复杂度。
（3） 抗多径衰落
通过对高速数据流进行串并转换，每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，因此每个子载波上的信道可以看成是平坦衰落信道，有效地对抗多径干扰。
（4） 自适应调制和动态信道分配
OFDM系统的一个显著特点是可以在不同的频带采用不同的调制编码方式以更好地适应信道的频率选择性。另一方面，通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比高的子信道，从而提高系统性能。
（5） 实现MIMO技术较简单
由于MIMO技术的天线之间的干扰（IAI）和符号间干扰（ISI）混合在一起，采用OFDM与MIMO相结合的技术，可以降低MIMO接收和信道均衡混合处理的接收机复杂度。
尽管如此，OFDM技术还存在过高的峰均功率比（PAPR）、对频率偏移非常敏感等缺点，这是在OFDM系统设计中需要特别注意的问题。
4 正交频分多址（OFDMA）
正交频分多址（OFDMA）的概念类似于FDMA，是在OFDM技术基础上发展起来的，应用于下行链路时又可以被称为多用户OFDM（Multiuser OFDM）。
由于OFDM技术中各个子载波之间相互独立，每个子载波都可以被指定一个特定的调制方式和发射功率电平，所以OFDMA技术可以给每一个用户分配符号内部分可用的子载波。从这一点上来说，它和FDMA是等价的；然而OFDMA技术中各个子载波频谱互相混叠，采用基于载波频率正交的快速傅立叶变换（FFT）调制，由于各个载波的中心频点处没有其他载波的频谱分量，所以能够实现各个载波间的正交，并不需要在用户之间设置保护频带从而避免了频率资源的浪费。
OFDMA技术中各个用户所使用的子载波也并不一定连续，而是允许以子载波为单位任意分配，因而具有比FDMA更高的灵活性，大大提高了频带利用率，这在频谱资源日益紧张的今天显得尤为重要。
5 其他下行多址技术方案
LTE下行多址技术主要是在基于OFDMA技术和基于CDMA技术之间进行选择。下面简单介绍一下LTE曾考虑到其他几种下行多址技术方案。
（1）VSF-OFDM技术方案
可变扩频系数OFDM（VSF-OFDM）技术的核心是在OFDM调制之前，采用CDMA或低码率信道编码进行码域扩频，以抑制小区间干扰。通过简单地调整信道码率和扩频系数，灵活针对不同的应用场景进行优化，满足运营商的各种部署需求。
（2）OFDM/OQAM技术方案
OFDM/OQAM也称作滤波OFDM。3G LTE系统采用基于IOTA（Isotropic Orthogonal Transform Algorithm，等方性正交传输算法）的滤波器，利用其良好的时频定位特性和正交特性，实现在不加循环前缀的条件下有效减小码间干扰和载波间干扰。
（3）多载波WCDMA（MC-WCDMA）技术方案
MC-WCDMA方案的支持者建议基于原有的CDMA技术，通过对接收机技术的改进和扩展，满足LTE的需求。这种演进路线可以更好地保持与原有系统的频谱兼容性，充分利用产业界的现有成果，也有利于更快地将LTE技术推向市场。
（4）多载波TD-SCDMA（MC-TD-SCDMA）技术方案
此方案和MC-WCDMA方案相似，只是在TD-SCDMA基础上进行多载波增强。
6 总结
本文介绍了3GPP LTE采用的基于OFDMA技术的下行多址接入方案，虽然LTE最后选择OFDMA作为下行多址接入技术方案，但并未证明OFDM比CDMA技术频谱效率高。即便是针对OFDMA的各种改进技术，3GPP也没有确认这些技术确实能提供显著的增益并解决现实中的各种问题。因此，对于3GPP LTE下行多址接入方案，仍存在许多可供研究的空间。

参考文献
[1] 郑侃,赵慧,王文博等. 3G长期演进技术与系统设计. 电子工业出版社. 2007:62-98.
[2] 沈嘉,索士强,全海洋,赵训威,胡海静,姜怡华.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计.人民邮电出版社.2008:130-143.
[3] 3GPP TS 36.201 v8.1.0. LTE Physical Layer – General Description (Release 8).
[4] 3GPP TS 36.211 v8.4.0. Physical Channel and Modulation (Release 8).