LTE-Advanced中OFDM技術(shù)的研究進(jìn)展

(重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

1 引 言

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，無(wú)線衰落信道中的多徑傳播、散射引起的信號(hào)衰落以及大的多徑時(shí)延引起的符號(hào)間干擾，成為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高速率通信的技術(shù)難題。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)抗衰落和抗碼間干擾，提高通信質(zhì)量[1]，從一定程度上解決了這些問(wèn)題。

然而，OFDM技術(shù)存在對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感、功率峰值與均值比(PAPR)大等缺點(diǎn)[2-6]，很大程度上限制了其發(fā)展。為此，研究人員致力于改善OFDM對(duì)頻偏和相位噪聲敏感的問(wèn)題，降低其峰均比，促進(jìn)了OFDM技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

與此同時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)系統(tǒng)的容量、傳輸速率、小區(qū)邊緣用戶的性能等提出了更高的要求，單一的OFDM系統(tǒng)已不能滿足人們對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)的需求，于是人們力求在OFDM基礎(chǔ)上尋求與其它技術(shù)相結(jié)合的方案。

從增加系統(tǒng)容量角度來(lái)看，OFDM與其它多址技術(shù)相結(jié)合[7-18]能允許多個(gè)用戶共享有限的無(wú)線頻譜，提高系統(tǒng)容量；從提高傳輸速率來(lái)看，OFDM與MIMO技術(shù)結(jié)合[19-21]將頻率選擇性衰落轉(zhuǎn)換為子載波上的平坦衰落，信號(hào)通過(guò)多重切割之后，經(jīng)過(guò)多重天線進(jìn)行同步傳送，大大提高了傳輸速率；從提高小區(qū)邊緣用戶的性能來(lái)看，大唐在前期的B3G研究中提出的一種新的多址接入技術(shù)BR-OFDMA(Block Repeat-OFDMA)和聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)[22]，提高了小區(qū)邊緣用戶的性能。事實(shí)上，上述的處理技術(shù)會(huì)受到各種條件的約束。本文將對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行分析比較，為OFDM技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展提供了分析依據(jù)。

2 OFDM的研究現(xiàn)狀

2.1 OFDM技術(shù)與多址技術(shù)的結(jié)合

頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)是無(wú)線通信系統(tǒng)中共享有效帶寬的3種主要接入技術(shù)。OFDM和多址技術(shù)的結(jié)合能夠允許多個(gè)用戶同時(shí)共享有限的無(wú)線頻譜，從而獲得較高的系統(tǒng)容量。但是與OFDM相結(jié)合的多址技術(shù)，也存在著自身的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，本文對(duì)此進(jìn)行分析比較。參見(jiàn)表1，我們發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的與OFDM結(jié)合的多址方案，有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

但是，多址技術(shù)的相互結(jié)合不可避免地會(huì)引入新的問(wèn)題，我們應(yīng)該取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分利用它們的優(yōu)勢(shì)。為獲得更大的自由度和更好的性能，我們還可以考慮將多種多址技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用，未來(lái)通信系統(tǒng)可能采用的多址方案至少有如下3種[23]：

(1)將OFDM與FDMA、TDMA相結(jié)合，用時(shí)頻網(wǎng)格區(qū)分用戶；

(2)將OFDM與FDMA、CDMA相結(jié)合，用不同的子載波集上的不同碼字區(qū)分用戶；

(3)將OFDM與CDMA、TDMA相結(jié)合，聯(lián)合不同的時(shí)間符號(hào)和不同碼字來(lái)區(qū)分用戶。

此外，表1還對(duì)SDMA與OFDM技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了分析，SDMA通常都不是獨(dú)立使用的，而是與其它多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等結(jié)合使用；也就是說(shuō)，對(duì)于處于同一波束內(nèi)的不同用戶再用這些多址方式加以區(qū)分。但以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)并與多址技術(shù)相結(jié)合，必能在未來(lái)通信中占有一席之地。

表1 與OFDM相結(jié)合的多種多址方案的比較Table 1 The comparison of multiple access technology combining with OFDM

3GPP在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術(shù)，即下行采用OFDMA技術(shù)，上行SC(單載波)FDMA。ITM-Advanced根據(jù)ITU當(dāng)前規(guī)劃，2008年2月完成4G技術(shù)方案征集通函的制訂，2008年年中開(kāi)始4G候選方案的征集工作，2009年年中結(jié)束候選方案的征集，2010年年中完成候選方案的技術(shù)評(píng)估和融合，2012年前后發(fā)布4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方案。在技術(shù)上，ITM-Advanced將基于OFDM，在LTE(或相當(dāng))技術(shù)的基礎(chǔ)上，作進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.2 LTE-A中的OFDM與MIMO技術(shù)的結(jié)合

MIMO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)之一,而OFDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一就是實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)較簡(jiǎn)單。MIMO和 OFDM結(jié)合是無(wú)線通信領(lǐng)域的重大突破，其頻譜利用率高、信號(hào)傳輸穩(wěn)定、傳輸速率高等基本特性能夠滿足下一代無(wú)線傳輸網(wǎng)發(fā)展要求。MIMO-OFDM系統(tǒng)內(nèi)組合了多輸入和多輸出天線和正交頻分復(fù)用調(diào)制兩大關(guān)鍵技術(shù)。這種系統(tǒng)通過(guò)空間復(fù)用技術(shù)可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過(guò)空時(shí)分集和正交頻分復(fù)用達(dá)到很強(qiáng)的可靠性和頻譜利用率,成為4G中關(guān)鍵技術(shù)之一，是當(dāng)今移動(dòng)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

為了滿足未來(lái)移動(dòng)無(wú)線通信在高數(shù)據(jù)率和高系統(tǒng)容量方面的需求，LTE及LTE-A系統(tǒng)支持下行應(yīng)用多輸入多輸出技術(shù)，包括空間復(fù)用、波束賦形以及傳輸分集。這3種技術(shù)對(duì)空間信道的要求不同，其應(yīng)用的場(chǎng)景也有所不同。

(1)在低信噪比區(qū)域，應(yīng)用傳輸分集技術(shù)和波束賦形技術(shù)可以有效提高接收信號(hào)的信噪比，從而可提高傳輸速率或者覆蓋范圍；

(2)在高信噪比區(qū)域，容量曲線接近平坦，再提高信噪比也無(wú)法明顯改善傳輸速率，此時(shí)即可以應(yīng)用空間復(fù)用技術(shù)來(lái)提高傳輸速率。

然而在實(shí)際系統(tǒng)中，如何獲得復(fù)用和分集的折衷是目前需要解決的問(wèn)題。在現(xiàn)有空間復(fù)用和空時(shí)編碼都不能很好地獲得復(fù)用增益與分集增益之間的折衷的情況下，人們提出了一種統(tǒng)計(jì)預(yù)編碼方案，在對(duì)目前MIMO方案改變很小的情況下，可以獲得復(fù)用增益與分集增益之間更好的折衷。需要指出的是，引入復(fù)雜的預(yù)編碼方案，必然會(huì)對(duì)采用均衡技術(shù)的接收機(jī)提出更高的要求。

此外，在LTE系統(tǒng)的多種下行多天線模式基礎(chǔ)上，至少?gòu)囊环矫婵蛇M(jìn)行優(yōu)化，即將R8中采用的單流波束賦形擴(kuò)展到多流波束賦形[23]。如圖1所示，可將一個(gè)天線陣列形成兩個(gè)或多個(gè)波束，同時(shí)用于一個(gè)用戶端，形成基于波束賦形的SU-MIMO傳輸；如果將這多個(gè)波束分別用于多個(gè)用戶端，可形成基于波束賦形的MU-MIMO傳輸。

(a) 基于多流波束賦形的SU-MIMO

(b)基于多流波束賦形的MU-MIMO圖1 多流波束賦形Fig.1 Multi-stream beamforming

LTE-A要求支持的下行最高多天線配置規(guī)格為8×8，同時(shí)多用戶空分復(fù)用的增強(qiáng)被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)化的重點(diǎn)。LTE-A相對(duì)于LTE系統(tǒng)的上行增強(qiáng)可行方案，一方面從終端來(lái)看，可以利用終端的多個(gè)功率放大器，利用上行發(fā)射分集來(lái)增強(qiáng)覆蓋和上行空間復(fù)用來(lái)提高上行峰值速率等；另一方面，可以考慮在原有的MU-MIMO技術(shù)上，增加SU-MIMO、多天線發(fā)射分集和上行波束賦形等技術(shù)。

3 OFDM技術(shù)在LTE-A中的新發(fā)展及需要解決的問(wèn)題

3.1 LTE-A中的BR-OFDMA技術(shù)

小區(qū)邊緣和小區(qū)中心的性能差異，在LTE-Advanced系統(tǒng)中仍將是重大的難題。由于多天線技術(shù)的使用可以提高小區(qū)中心的數(shù)據(jù)率，卻很難提高小區(qū)邊緣的性能。另外，小區(qū)中心可以使用的高階調(diào)制方式很難在小區(qū)邊緣使用，這就造成小區(qū)中心和小區(qū)邊緣的性能差異越來(lái)越大。

3GPP最近推出了LTE TDD系統(tǒng)的演進(jìn)版本，即LTE+TDD方案。在此方案中，TD-SCDMA特色核心技術(shù)的擴(kuò)展和增強(qiáng)，與MIMO 、OFDMA主流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，顯著提高M(jìn)IMO OFDMA系統(tǒng)性能，包括大唐電信提出的BR-OFDMA、基于BR-OFDMA的聯(lián)合檢測(cè)。BR-OFDMA多址接入技術(shù)創(chuàng)新地提出通過(guò)塊重復(fù)和聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)克服小區(qū)間的干擾，提高小區(qū)容量和頻譜效率，提高小區(qū)邊緣用戶的傳輸速率。位于相鄰小區(qū)的兩個(gè)小區(qū)邊緣用戶占用同一時(shí)頻資源時(shí)，BR-OFDMA利用塊重復(fù)增益和基于BR-OFDMA的聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)能有效地減少兩者之間的干擾。與MC-CDMA技術(shù)相比，BR-OFDMA技術(shù)更能大大增強(qiáng)小區(qū)邊緣用戶的性能。

從技術(shù)需求上看，LTE-A的上下行峰值速率分別為L(zhǎng)TE的6.6倍和3.3倍，而上下行頻譜效率分別為L(zhǎng)TE的4倍和2倍，LTE的性能大為增強(qiáng)，徹底完成了3.9G到4G的轉(zhuǎn)變。3GPP標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的LTE-A仍然將OFDM作為空中接口技術(shù)，而B(niǎo)R-OFDMA是塊重復(fù)和OFDMA相結(jié)合的一種新的多址接入技術(shù)，必然推進(jìn)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。

3.2 LTE-A中的BR-OFDMA技術(shù)需要解決的問(wèn)題

BR-OFDMA技術(shù)能夠抑制和消除小區(qū)間的干擾，提高系統(tǒng)容量，更容易實(shí)現(xiàn)同頻組網(wǎng)，然而給出一個(gè)完整的基于BR-OFDMA技術(shù)的系統(tǒng)方案，還有大量的工作要做：

(1)在信號(hào)檢測(cè)方面，由于BR-OFDMA系統(tǒng)與CDMA系統(tǒng)一樣具有干擾受限的特征，其干擾主要來(lái)源于多址干擾(MAI)。為了進(jìn)一步提高BR-OFDMA系統(tǒng)容量，可采用多用戶檢測(cè)(MUD)技術(shù)來(lái)降低或消除多址干擾(MAI)，以改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)容量；

(2)在信道估計(jì)方面，應(yīng)研究導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)之間的干擾和消除干擾的問(wèn)題，以及在導(dǎo)頻設(shè)計(jì)中如何消除干擾。其次要進(jìn)行性能驗(yàn)證，同時(shí)給出具體的改進(jìn)措施；

(3)在小區(qū)間資源協(xié)調(diào)與調(diào)度方面，為了能夠更有效消除小區(qū)間多用戶的干擾，BR-OFDMA需要采用多小區(qū)多用戶聯(lián)合檢測(cè)算法。這就要求多小區(qū)用戶應(yīng)占用相同的時(shí)頻資源，不同用戶間盡量使用正交性優(yōu)良的重復(fù)碼，多小區(qū)間必須進(jìn)行信息交互，協(xié)調(diào)多小區(qū)邊緣用戶所占用的時(shí)頻資源和擾碼及重復(fù)碼；

(4)在信令設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)靈活高效的信令是一個(gè)重要的技術(shù)突破點(diǎn)，其中涉及到各種控制信令的編碼、調(diào)制、擴(kuò)頻等具體的增強(qiáng)技術(shù)?；谶@些信令增強(qiáng)技術(shù)，得到可靠的信令設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，要分析考慮信令的有效性及其資源占用冗余度問(wèn)題，盡量縮小信令開(kāi)銷，增強(qiáng)系統(tǒng)有效性。

另外，如何根據(jù)檢測(cè)出的一段時(shí)間內(nèi)小區(qū)的運(yùn)行環(huán)境，分配塊重復(fù)資源塊組(BRBG)中的塊重復(fù)資源塊(BRB)的數(shù)目。為減少外來(lái)的干擾，可以采取增加BRBG中BRB數(shù)目的方法，然而如上的處理必然會(huì)降低小區(qū)的運(yùn)行負(fù)荷。因此，我們應(yīng)該考慮到一種特殊的場(chǎng)景，在小區(qū)繁忙而外來(lái)干擾又比較嚴(yán)重的情況下，如何分配塊重復(fù)資源塊組(BRBG)中的塊重復(fù)資源塊(BRB)的數(shù)目，在最大可能的小區(qū)負(fù)荷情況下，盡可能地減少外來(lái)干擾。這就要求我們?cè)诟蓴_情況和小區(qū)運(yùn)行負(fù)荷折衷考慮分配BRBG中BRB的數(shù)目問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

眾所周知，LTE-A已成最具競(jìng)爭(zhēng)力的4G候選技術(shù)[24-25]。OFDM作為L(zhǎng)TE-A的核心技術(shù)，以后工作可從三方面展開(kāi)：

(1)對(duì)于OFDM本身技術(shù)來(lái)說(shuō)，如何進(jìn)一步降低OFDM系統(tǒng)的PAPR和對(duì)頻偏、相位噪聲較敏感的問(wèn)題；

(2)與OFDM相結(jié)合的新技術(shù)如MIMO技術(shù)，在達(dá)到LTE-A技術(shù)要求的同時(shí)，要對(duì)其兼容性、復(fù)雜度以及成本進(jìn)行探究與評(píng)估；

(3)從繼承性和后向兼容性考慮，對(duì)基于OFDMA的多址接入技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少原有的不足之處，從而滿足LTE-Advanced的需求。

OFDM技術(shù)能夠?qū)苟鄰剿ヂ洌岣哳l譜利用率，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，成為下一代無(wú)線通信中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，所以，對(duì)OFDM系統(tǒng)的進(jìn)一步研究尤為重要。本文對(duì)OFDM系統(tǒng)較前沿的技術(shù)進(jìn)行分析，并指出了下一步的工作方向，其中與其它技術(shù)如MIMO的結(jié)合應(yīng)用，必將成為一項(xiàng)極具發(fā)展前景的研究方向。

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