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lte的多址接入技术外文翻译

中文2180字

201x届本科毕业设计（外文翻译）

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完成时间：

二〇一四年三月

LTE的多址接入技术

LTE的多址接入

OFDM传输

正交频分复用（OFDM）是一种多载波传输技术，已被采纳为3gpplong长期演化（LTE）的下行链路传输方案，也可用于其他几个无线技术，例如：

wimax和DVB广播技术。

它的特点是在一个频域内分布着许多带有间隔的子载波△f=1/Tu其中，Tu是每个子载波的调制符号时间。

如图2-1所示，“OFDM子载波间隔”。

OFDM的传输是基于块的。

每个OFDM符号间隔之间，调制符号是并行发送的。

调制符号可以通过调制字母表得到，如QPSK，16QAM或64QAM，对于3GPP组织LTE，子载波间隔是相等的为15kHz。

另一方面，子载波的数目取决于传输带宽，在一个10MHZ的频谱分配下，600个子载波可以有序传输。

当然，带宽减小了，子载波数目也相应减少，带宽增加了，子载波数目也相应增加。

图2-1OFDM子载波间隔

在OFDM传输时，物理资源经常被描述成一个时域—频域的网格坐标图。

在这个坐标图里一列对应一个OFDM子载波，一行对应一个OFDM子载波。

如图2-2所示，“OFDM时频网格”。

尽管子载波的频谱有重叠，但在理想情况下，是对OFDM子载波解调后不引起任何干扰的，这是因为对每一个子载波间隔的特殊选择，让它等于相应的解调符号率。

图2-2 OFDM时频网格

以一定的频率fs=N×△f进行采样的OFDM信号，是该size-N的逆离散傅立叶变换（IDFT）的调制符号块a0,a1,...aN-1。

因此，OFDM调制可以通过IDFT处理再到数字-模拟的转换来实现。

（见图2-3，“OFDM调制”）。

在实际中，OFDM调制是以快速傅立叶反变换（IFFT）方式实现简单和快速的处理，通过选择IDFTsizeN等于2m（m为整数）。

在接收端，对接收信号以fs=N×△f的频率采样，高效的FFT处理是用来实现OFDM的解调和检索调制符号块a0,a1,...aN-1。

（参见图2-4，“OFDM解调”）。

图2-3 OFDM调制

图2-4 OFDM解调

正如上面提到的，一个无干扰的OFDM信号可以解调出无任何子载波间干扰的信号。

然而，在一个时间色散信道的情况下（如多径无线信道），子载波之间的正交性丢失，造成符号间干扰（ISI）。

这是因为，解调器相关区间的一条路径将与不同路径的符号边界有重叠。

（见图2-5，“时间的分散性和相应的接收信号”）。

图2-5次分散和相应的接收信号

要解决这个问题，使OFDM信号在无线信道传播时对时间色散完全不敏感，所谓的插入循环前缀通常被使用。

如图2-6所示，“插入循环前缀”。

循环前缀

插入就意味着OFDM符号的最后部分（第N个cp）被复制并且被插入到OFDM块的开始部分。

因此，OFDM符号的长度从TU到TU+TCP,其中TCP=NCPTU是循环前缀的长度。

作为一个结果，OFDM符号率是减少的。

因此，在时间色散信道里，只要时间色散的跨度小于循环前缀的长度，子载波的正交性就能被保持。

图2-6插入循环前缀

循环前缀插入的缺点是，在整个信号带宽没有减少，OFDM符号率减少的情况下，就意味着在吞吐量方面有相应的损失。

OFDM调制组合（IFFT处理），一个（分散的）无线信道，以及解调（FFT处理）可以被看作是一个频域信道。

如图2-7，“频域模型的OFDM传输接收”，其中每个OFDM符号的时间期间，N个不同的调制码元被发送，每一个在相应的子载波上，在对比单一宽带载波系统时，如WCDMAwhere，每个调制符号被传输在整个带宽上。

图2-7频率的OFDM传输接收域模型

在频道k上，调制符号ak被缩放和相位转移，通过复杂的信道系数Hk（频域）。

在接收端，解调后允许发送的信息准确解码。

在接收端需要一个频域的信道抽头估计H0，H1，...，HN-1。

这可以通过在OFDM时频网格内以一定规律的间隔插入已知参考符号来实现，有时也称作导频符号或导频器。

运用参考符号的相关知识，接收机可以估计信道抽头（频域）用于解码的必要。

OFDM信号带宽

一个OFDM信号的带宽等于N×△f，这就是说：

子载波数乘以子载波间隔数。

另一方面，通过设置这个传输符号从一侧组相邻子载波到零，这个基带被减少到NC×△f,其中NC是非空子载波数目。

然而，OFDM信号的频谱脱落到基本带宽以外的速度是很慢的，尤其比一个WCDMA信号慢的多。

因此，在实际中，一个OFDM需要10%的保护间隔。

这也就是说，举个例子，在一个5MHZ的频谱分配中，OFDM基本带宽NC×f大约是4.5MHZ。

做一个假设，例如，为LTE选择一个15KHZ的子载波间隔，那么，在5MHZ内应对应于300个子载波。

DFTOFDM传输

离散的傅里叶变换扩展的正交频分复用（DFTS-OFDM）已被用作LTE上行链路的传输方案。

DFTS-OFDM传输的基本原理在图2-8，“DFT的OFDM信号生成”中说明。

类似于OFDM调制，DFTS-OFDM依赖于基于块的信号生成。

在DFTS-OFDM中，一个M调制符号块来自于一些调制字母表，比如，QPSK或者16QAM,第一次被应用到size-mDTF。

这个DFT输出被应用到一个size-N的逆DFT的连续输入当中。

其中，N>M且未使用的输入（N-M）设置为零。

和OFDM一样，每个传输块插入一个循环前缀。

图2-8 DFT的OFDM信号的产生

与图2-8，“DFT的OFDM信号生成”相比，基于IFFTOFDM调制的实现，很显然，DFTS-OFDM可以看作是OFDM调制之前的DFT运算。

如果DFT的M的大小等于IDFT的N的大小，那么级联DFT和IDFT的块图2-8“DFT的OFDM信号生成”将完全抵消。

如果M小于N且IDFT的剩余输入被设置为零，则IDFT的输出将是一个低功率变化的信号，类似于一个单载波信号。

此外，不同块大小为m的瞬时带宽发送的信号可以是多种多样的，允许灵活的带宽分配。

与DFTS-OFDM的主要好处想比，多载波传输方案，如OFDM,减少变化的瞬时发射功率，对提高功率放大器效率是可能的。

功率的变化一般根据测得的峰值平均功率比（PRPA）来判断。

定义为在峰值功率一个OFDM符号的平均信号功率的归一化。

对于DFTS-OFDM,PRPA明显降低，相比OFDM,再考虑到移动终端的电源能力，这种传输技术在上行链路的传输中是非常有用的。

DFTS-OFDM信号解调的基本原理如图2-9所示，“DFT的OFDM解调”。

这些操作和图2-9“DFT的OFDM解调”基本上是相反的。

即size-n离散傅里叶变换处理中，和接受信号不对应的频率采样会被移除。

图2-9DFTSOFDM调制

LTEmultipleaccesstechniques

LTEmultipleaccess

OFDMtransmission

OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）isamulticarriertransmission

techniquethathasbeenadoptedasthedownlinktransmissionschemeforthe3GPP

Long-TermEvolution（LTE）andisalsousedforseveralotherradiotechnologies,e.g.

WiMAXandtheDVBbroadcasttechnologies.

Itischaracterizedbyatightfrequency-domainpackingofthesubcarrierswithasubcarrierspacingf=1/Tu,whereTuistheper-subcarriermodulation-symboltime.（SeeFigure2-1,“OFDMsubcarrierspacing”）.

OFDMtransmissionisblock-based.DuringeachOFDMsymbolinterval,modulation

symbolsaretransmittedinparallel.Themodulationsymbolscanbefromanymodulationalphabet,suchasQPSK,16QAM,or64QAM.

For3GPPLTE,thebasicsubcarrierspacingequals15kHz.Ontheotherhand,the

numberofsubcarriersdependsonthetransmissionbandwidth,withintheorderof600subcarriersincaseofoperationina10MHzspectrumallocationandcorrespondinglyfewer/moresubcarriersincaseofsmaller/largeroveralltransmissionbandwidths.

Figure2-1OFDMsubcarrierspacing

ThephysicalresourceincaseofOFDMtransmissionisoftenillustratedasa

time-frequencygridwhereacolumncorrespondstooneOFDMsymbol（time）andarowcorrespondstooneOFDMsubcarrier,asillustratedin（seeFigure2-2,“OFDMtime-frequencygrid”）.

Intheidealcase,despitethefactthatthespectrumofneighborsubcarriersdooverlap,theOFDMsubcarriersdonotcauseanyinterferencetoeachotherafterdemodulationduetothespecificchoiceofasubcarrierspacingfequaltothemodulationsymbolrate.

Figure2-2OFDMtime-frequencygrid

AnOFDMsignalsampledataratefs=N×fisthesize-NInverseDiscreteFourier

Transform（IDFT）oftheblockofmodulationsymbolsa0,a1,...aN-1.Thus,OFDM

modulationcanbeimplementedbymeansofIDFTprocessingfollowedby

digital-to-analogconversion（seeFigure2-3,“OFDMmodulation”）.Inpractice,theOFDMmodulationcanbeimplementedbymeansofInverseFastFourierTransform（IFFT）easyandfastprocessing,byselectingtheIDFTsizeNequalto2mforsomeintegerm.Atthereceiver,bysamplingthereceivedsignalattheratefs=N×f,efficientFFTprocessingisusedtoachieveOFDMdemodulationandretrievetheblockofmodulationsymbolsa0,a1,...aN-1（seeFigure2-4,“OFDMdemodulation”）.

Figure2-3OFDMmodulation

Figure2-4OFDMdemodulation

Asmentionedabove,anuncorruptedOFDMsignalcanbedemodulatedwithoutany

interferencebetweensubcarriers.However,incaseofatime-dispersivechannel（suchasmultipathradiochannels）,theorthogonalitybetweenthesubcarriersislost,causingInterSymbolInterference（ISI）.Thereasonforthisisthatthedemodulatorcorrelationintervalforonepathwilloverlapwiththesymbolboundaryofadifferentpath（seeFigure2-5,“Timedispersionandcorrespondingreceivedsignal”）

Figure2-5Timedispersionandcorrespondingreceivedsignal

TodealwiththisproblemandmakeanOFDMsignaltrulyinsensitivetotimedispersionontheradiochannel,so-calledCyclicPrefixinsertionistypicallyusedincaseofOFDMtransmission.Asillustratedin（seeFigure2-6,“CyclicPrefixinsertion”）,cyclic-prefixinsertionimpliesthatthelastpartoftheOFDMsymbol（thelastNcpsymbols）iscopiedandinsertedatthebeginningoftheOFDMblock,increasingthusthelengthoftheOFDMsymbolfromTutoTu+Tcp,whereTcp=Ncp,Tuisthelengthofthecyclicprefix.

TheOFDMsymbolrateasisreducedasaconsequence.Thus,subcarrierorthogonalityispreservedincaseofatime-dispersivechannel,aslongasthespanofthetimedispersionisshorterthanthecyclic-prefixlength.

Figure2-6CyclicPrefixinsertion

Thedrawbackofcyclic-prefixinsertionisthatitimpliesacorrespondinglossintermsofthroughputastheOFDMsymbolrateisreducedwithoutacorrespondingreductionintheoverallsignalbandwidth.

ThecombinationofOFDMmodulation（IFFTprocessing）,a（time-dispersive）radio

channel,andOFDMdemodulation（FFTprocessing）canthenbeseenasa

frequency-domainchannelasillustratedin（seeFigure2-7,“FrequencydomainmodelofOFDMtransmissionreception”）,whereduringeachOFDMsymboltimeperiod,Ndifferentmodulationsymbolsaretransmitted,eachonagivensubcarrieroverthecorrespondingsub-band,incontrasttosinglewidebandcarriersystems,suchasaWCDMAwhereeachmodulationsymbolistransmittedovertheentirebandwidth.

Figure2-7FrequencydomainmodelofOFDMtransmissionreception

Onfrequencychannelk,modulationsymbolakisscaledandphaserotatedbythe

complex（frequency-domain）channelcoefficientHk.Atthereceiverside,toallowfor

properdecodingofthetransmittedinformationafterdemodulation,thereceiverneedsanestimateofthefrequency-domainchanneltapsH0,H1,...,HN-1.Thiscanbedonebyinsertingknownreferencesymbols,sometimesalsoreferredtoaspilotsymbolsorpilots,atregularintervalswithintheOFDMtime/frequencygrid.Usingknowledgeaboutthereferencesymbols,thereceivercanestimatethe（frequency-domain）channeltapsnecessaryforthedecoding.

OFDMsignalbandwidth

ThebasicbandwidthofanOFDMsignalequalsN×f,i.e.thenumberofsubcarriers

multipliedbythesubcarrierspacing.Ontheotherhand,bysettingthesymbolstobe

transmittedonagroupofsidecontiguoussubcarrierstozero,thebasicbandwidthis

reducedtoNc×fwhereNcisthenumberofnon-nullsubcarriers.However,thespectrumofanOFDMsignalfallsoffslowlyoutsidethebasicOFDMbandwidthandespeciallymuchslowerthanforaWCDMAsignal.Thus,inpractice,typicallyintheorderof10%guard-bandisneededforanOFDMsignal,implyingthat,asanexample,inaspectrumallocationof5MHz,thebasicOFDMbandwidthNc×fcouldbeintheorderof4.5MHz.Assuming,forexample,asubcarrierspacingof15kHzasselectedforLTE,thiscorrespondsto300subcarriersin5MHz.

DFTSOFDMtransmission

DiscreteFourierTransformSpreadOFDM（DFTS-OFDM）isatransmissionschemethathasbeenselectedastheuplinktransmissionschemeforLTE.ThebasicprincipleofDFTS-OFDMtransmissionisillustratedin（seeFigure2-8,“DFTSOFDMsignalgeneration”）.SimilartoOFDMmodulation,DFTS-OFDMreliesonblock-basedsignalgeneration.IncaseofDFTS-OFDM,ablockofMmodulationsymbolsfromsomemodulationalphabet,e.g.QPSKor16QAM,isfirstappliedtoasize-MDFT.TheoutputoftheDFTisthenappliedtoconsecutiveinputsofasize-NinverseDFTwhereN>Mandwherethe（N-M）unusedinputsoftheIDFTaresettozero.AlsosimilartoOFDM,acyclicprefixisinsertedforeachtransmittedblock.

Figure2-8DFTSOFDMsignalgeneration

Comparing（seeFigure2-8,“DFTSOFDMsignalgeneration”）,withtheIFFT-basedimplementationofOFDMmodulation,itis