LTE物理层概述（5）-- LTE之OFDM多载波传输

1、OFDM传输概述

在LTE标准中，下行采用OFDM方案传输载波，上行采用SC-FDM。

OFDM将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享，从而实现不同用户之间的多址接入。
利用DFTS-OFDM的特性，可以方便实现SC-FDM的多址接入方式。通过改变不同用户的 DFT的输出到 IDFT 输入端的对应关系，输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置，从而实现多用户多址接入。

图1 OFDM传输示例

OFDM信号生成包括多个步骤。首先，调制数据被映射到由频域组织和分配的资源网格中。每个调制符号 a_k 对应频轴上的一个子载波。当 N 个子载波以 △f 间隔占据带宽时，带宽和子载波间隔的关系为： $BW\, =\, N_{rb}\, \: \Delta f$

每个子载波 f_k 可以认为是多个子载波间隔的集合，即序号k也代表： $f_k = k\cdot \bigtriangleup f$

2、OFDM收发机结构

2.1 OFDM调制框图及数学表达式

图2 OFDM发射机结构

经过信道编码后的数据比特，通过串并变换和星座映射后，可视为频域信号。然后将这些调制符号映射到M个子载波上，并通过逆快速傅里叶变换（IFFT），将这M个并行子载波上的频域信号转换到时域上。

IFFT 输出的符号为有N个采样点的时域信号，N为IFFT长度，且 N ≥ M，也是M个子载波上时域信号的合并波形。因此，OFDM输出信号可以表示为：

$x(n)=\sum_{k=1}^{N}a_k\cdot e^{j2\pi f_k\, t}=\sum_{k=1}^{N}a_k\cdot e^{j2\pi k\Delta f\cdot t}$ （1）

假设信号采样率为fs，信道采样间隔 ts = 1/fs，则OFDM的离散时域分布可以表示为：

$x(n)=\sum_{k=1}^{N}a_k\cdot e^{j2\pi k\Delta f\cdot n/N}$ （2）

2.2 循环前缀CP的加入

在将此时域信号调制到载波之前，还要在每个OFDM信号之前插入一个循环前缀（Cyclic Prefix，CP），用以在多径衰落环境下保证子载波之间的正交性。所谓插入CP，就是将OFDM符号结尾处的若干采样点，移至此OFDM 符号之前，CP长度必须长于主要多径分量的时延扩展。

最后，经过并串转换将多个子载波的时域信号进行叠加，形成OFDM发送信号。详细处理流程如图3所示：

图3 OFDM系统流程框图（加CP后）

我们再回顾一下 LTE 下行帧结构：

图4 LTE帧结构

LTE标准包含三个不同的循环前缀：

普通前缀 4.68us；
对间隔15 KHz 子载波的扩展，16.67us；
对间隔7.5 KHz 子载波的扩展，33 us；

需要注意的是，间隔7.5KHz 子载波在组播/广播时使用。4.68us 的普通前缀可以匹配大多数城乡通信环境，反应这些环境里延时扩散的一般值。

2.3 子载波间隔

很小的子载波间隔，可以保证每个子载波的衰落是非频率选择性的。研究表明，在使用锁相环（PLL）和压控振荡器（VCO）的系统中，相位噪声对载波间干扰的影响并不大。只要子载波间隔在10KHz以上，相位噪声就可以降低到影响较小的水平上。相对而言，多普勒频移的影响远大于相位噪声，因此，子载波间隔主要考虑多普勒频移的影响。

研究表明，在高速移动（350 km / h）的情况下，只要子载波间隔大于 11KHz，多普勒频移就不会造成严重性能下降。由于15KHz 使得 E - UTRA 和 UTRA 系统具有相同的码片速率，某种程度上可以降低开发成本。因此， LTE最终决定在单播（Unicast）系统中采用15KHz 的子载波间隔，相应的符号长度为 66.67 us （不包括CP）。