【摘 要】TD-LTE上下行傳輸技術(shù)直接決定了用戶(hù)在移動(dòng)通信中的感知度。通過(guò)對OFDM調制技術(shù)、TD-LTE上下行傳輸技術(shù)以及上下行資源映射進(jìn)行分析，從理論上較為全面地介紹了TD-LTE上下行技術(shù)，并提出一些參考性建議。
【關(guān)鍵詞】TD-LTE OFDM OFDMA DFT-S-OFDM
1 概述
多址接入是無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統中基站與多個(gè)終端間通過(guò)公共傳輸媒體建立多條無(wú)線(xiàn)信道連接的技術(shù)，是無(wú)線(xiàn)蜂窩通信系統的關(guān)鍵技術(shù)。TD-LTE的多址接入技術(shù)具有高速率、低時(shí)延和分組優(yōu)化的特點(diǎn)，既有合理的、可以接受的技術(shù)復雜度，又能提供更高的數據速率和頻譜利用率，還考慮了上行鏈路中因終端功率和處理能力的客觀(guān)限制對峰均比（PAPR，Peak-to-Average Power Ratio）的敏感性。TD-LTE因其采用了多天線(xiàn)信號處理技術(shù)，在取得較高頻譜效率的同時(shí)，也可為較寬頻譜帶寬提供更多的支持。由于采用快速傅里葉變換（FFT，Fast Fourier Transform）可將較大頻寬分割成許多較小的正交頻寬，采用快速傅里葉逆變換（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）還可重建這些頻帶，因此可簡(jiǎn)單地應用于不同頻寬。
TD-LTE的下行接入技術(shù)正交頻分多址（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access），通過(guò)給不同用戶(hù)分配不同子載波，可為更多用戶(hù)提供正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式的多址接入。一方面，由于用戶(hù)間信道衰落的獨立性，可利用聯(lián)合子載波分配帶來(lái)的多用戶(hù)分集增益提高系統性能，達到較高的服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）；另一方面，這種把高速數據流分散到多個(gè)正交子載波上傳輸，使單個(gè)子載波上的符號速率大大降低，符號持續時(shí)間大大加長(cháng)，對因多徑效應產(chǎn)生的時(shí)延擴展有較強的抵抗力，可以減少甚至消除符號間干擾（ISI，Inter-Symbol Interference）影響，因此使得OFDMA成為T(mén)D-LTE系統區分不同用戶(hù)的下行接入方式中的最佳多址接入技術(shù)[1]。
與基站相比，終端設計對成本和耗電更敏感、也更關(guān)注，尤其是TD-LTE的高帶寬、高速率和高性能，在為終端提供更為廣闊的應用空間的同時(shí)，也加劇了終端的成本和耗電的上升。為了滿(mǎn)足降低終端功放成本、提高終端功率效率、增加終端處理各類(lèi)應用軟件能力的設備設計目標，TD-LTE系統在無(wú)線(xiàn)傳輸上做了較大改進(jìn)，使基站的上行多址方式采用單載波頻分多址（SC-FDMA）技術(shù)。由于作為SC-FDMA單載波系統的擴展離散傅里葉變換正交頻分復用（DFT-S-OFDM）技術(shù)的單載波傳輸特性可以較大地降低設備的峰均比，因此可以降低終端的功放設計，這不僅滿(mǎn)足終端的設計理念，還使得TD-LTE的上下行傳輸保持了良好的技術(shù)一致性[2]。
2 OFDM調制技術(shù)分析[3]
OFDM既是調制技術(shù)，也是復用技術(shù)，可將一個(gè)寬帶信道轉變?yōu)槎鄠€(gè)并行的相互正交的窄帶信道，通過(guò)IFFT把需要傳輸的數據分成多個(gè)數據流，將其調制到這些窄帶信道對應的子載波上傳輸。這種正交頻分特點(diǎn)能夠很好地對抗無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境中的頻率選擇性衰落，獲得很高的頻譜利用率，是目前在數據傳輸中最先進(jìn)的頻率資源復用技術(shù)之一，非常適合TD-LTE無(wú)線(xiàn)寬帶信道下多址接入中的高速傳輸。
OFDM系統可以通過(guò)IFFT來(lái)實(shí)現調制，每個(gè)OFDM符號（OFDMA或DFT-S-OFDM符號）是多個(gè)經(jīng)過(guò)調制的子載波信號之和，其中每個(gè)子載波的調制方式可以選擇相移鍵控（PSK，Phase Shift Keying）或正交幅度調制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）。若用N表示子載波個(gè)數，T表示OFDM符號的時(shí)間間隔，di（i=0，1，…，N-1）是分配給每個(gè)子信道的數據符號，fc是第0個(gè)子載波頻率，則從t=ts開(kāi)始的用等效基帶信號描述的OFDM符號的輸出信號可表示如下：
（1）
其中，ts≤t
圖1所示為一個(gè)OFDM符號內的4個(gè)子載波（紅、綠、藍、黑色曲線(xiàn)分別表示對應的4個(gè)子載波波形），其中所有子載波都具有相同幅值和相位，在實(shí)際應用中根據數據符號調制方式，每個(gè)子載波幅值和相位都可能不同。此外，每個(gè)子載波在一個(gè)OFDM符號周期內都包含整數倍的周期，各個(gè)相鄰子載波間相差1個(gè)周期。因此，各子載波信號之間滿(mǎn)足正交性。
OFDM與傳統的頻分復用（FDM，Frequency Division Multiplexing）在頻譜圖上有非常明顯的區別，如圖2所示。在OFDM每個(gè)子載波的中心頻率處，其他子信道頻譜值恰好為0，這說(shuō)明OFDM各子載波信號間的正交性完全可避免子載波間干擾（ICI，Inter-Carrier Interference）的出現。此外，OFDM頻譜效率相比傳統FDM至少提高了一倍，是因為傳統FDM通常需要采用頻率保護間隔。因此，OFDM不僅具有較強的抗干擾性，還具有很高的頻率利用率。
子載波信號的調制解調過(guò)程分析如下：
在發(fā)送端，OFDM信號可以用IFFT變換實(shí)現調制。根據式（1），令ts=0，t=kT/N，則有：
（2）
其中，k=0，1，…，N-1，s（k）即為di的IFFT運算。
在接收端，為了恢復原始數據符號di，可通過(guò)FFT變換來(lái)對s（k）進(jìn)行解調，即：
（3）
其中，i=0，1，…，N-1，di即為s（k）的FFT運算。
總之，OFDM系統的調制解調分別由IFFT和FFT代替。發(fā)送端通過(guò)IFFT把頻域數據符號di變換為時(shí)域數據符號s（k），經(jīng)過(guò)載波調制后發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道中；在接收端，接收信號進(jìn)行相干解調后可將基帶信號通過(guò)FFT變換獲得發(fā)送數據符號di。因此，IFFT和FFT可以顯著(zhù)降低運算復雜度，進(jìn)而加速OFDM系統的調制解調速度。
3 TD-LTE上下行傳輸技術(shù)比較[4]
OFDM系統可給不同用戶(hù)分配不同的子載波，在下行信道OFDMA技術(shù)提供了天然的多址方式，在上行信道因DFT-S-OFDM技術(shù)具有較低的PAPR，可以大幅度降低終端功放成本。下面將分析OFDM系統的上下行傳輸技術(shù)的基本原理。
3.1 TD-LTE下行OFDMA基本原理
OFDMA把整個(gè)頻帶分割成許多子載波，將頻率選擇性衰落信道轉化為若干平坦衰落子信道，從而能夠有效地抵抗無(wú)線(xiàn)移動(dòng)環(huán)境中的頻率選擇性衰落。由于子載波重疊占用頻譜，OFDM能夠提供較高的頻譜利用率和信息傳輸速率。通過(guò)給不同的用戶(hù)分配不同的子載波，OFDMA提供了天然的多址方式，因占用不同的子載波，用戶(hù)間滿(mǎn)足相互正交，故沒(méi)有小區內干擾。由于OFDMA同時(shí)支持分布式和集中式子載波分配模式（子載波映射），可以利用不同子載波的頻率選擇性衰落的獨立性獲得分集增益。OFDMA下行鏈路系統簡(jiǎn)圖如圖3所示：
根據式（1），一個(gè)分配了M個(gè)子載波的用戶(hù)的傳輸信號可表示為D=[d0，d1，…，dM-1]T，其中T是矩陣轉置，di是調制信號。經(jīng)過(guò)IFFT調制后，信號向量S=FN*TN，MD，其中TN，M代表子載波分配的映射矩陣，其元素是表達子載波的分布式或集中式分配；FN*是N點(diǎn)的IFFT矩陣，*代表共軛轉置，并且FN=[f1T，f2T，…， fNT]T，其元素：
（4）
經(jīng)過(guò)衰落信道和FFT信號處理后，頻域的接收信號可以作為如下表達式：R=HTN，MD+n，其中H=diag（Hk）是主對角線(xiàn)上元素，Hk是第k個(gè)子載波上的頻域響應；n是高峰期噪聲向量；R=[r（0），r（1），…， r（N-1）]T，r（k）是第k個(gè)子載波的接收信號。由于OFDM的時(shí)域信號是若干平行隨機信號之和，因而容易導致高PAPR?；径说墓β氏鄬^弱，并可用較昂貴的功率放大器，所以在下行鏈路中，較高的PAPR不會(huì )帶來(lái)太大問(wèn)題。
3.2 TD-LTE上行DFT-S-OFDM基本原理
結合動(dòng)態(tài)帶寬分配的單載波傳輸技術(shù)的DFT-S-OFDM主要優(yōu)勢是具有較低的PAPR，正好滿(mǎn)足終端功率放大器對低成本、低功耗和技術(shù)含量不高的要求。DFT-S-OFDM是OFDM在IFFT調制前進(jìn)行了DFT預編碼。在上行鏈路中，沒(méi)有加循環(huán)前綴的傳輸信號可以表示為：S=FN*TN，MFMD，其中FM是M點(diǎn)的DFT。DFT-S-OFDM同樣具有集中式和分布式兩種模式，與OFDMA不同的是，DFT-S-OFDM的子載波映射只采用集中模式。DFT-S-OFDM上行鏈路系統簡(jiǎn)圖如圖4所示：
若設m1，m2，…，mM表示M個(gè)不同的調制器傳輸的比特數，f1，f2，…，fM表示N點(diǎn)IFFT的M路輸入。在發(fā)送端，先對塊長(cháng)為M的調制信號進(jìn)行M點(diǎn)DFT信號處理，再根據子載波映射模式將M點(diǎn)DFT的輸出信號映射到N個(gè)子載波上，經(jīng)過(guò)IFFT將信號轉變?yōu)闀r(shí)域信號之前，可以進(jìn)行頻域脈沖成型。與時(shí)域脈沖成型類(lèi)似，頻譜成型可以在頻譜的利用率和PAPR間折衷，如果滾降伏系數大于0，則使頻譜擴張，這與時(shí)域脈沖成型要求的采樣率相對應。在去掉保護間隔和N點(diǎn)FFT處理后，頻域的接收信號為R=HTN，MFMD+n，此時(shí)DFT-S-OFDM也能在頻域進(jìn)行均衡。
由圖3、圖4可知，上行DFT-S-OFDM只比下行OFDMA多了一個(gè)DFT變換，這個(gè)DFT沒(méi)有調制意義，而是時(shí)頻域變換的預編碼，其他部分上下行鏈路結構具有高度的技術(shù)一致性。眾所周知，OFDM技術(shù)之所以能夠在TD-LTE系統中應用，主要是IFFT/FFT技術(shù)和循環(huán)前綴CP技術(shù)的引入。從圖中不僅看到了作為調制技術(shù)的IFFT與解調技術(shù)的FFT、作為CP技術(shù)的加CP與去CP在上下行鏈路中的應用，更重要的是還看到了基站與終端間的上下行鏈路的互逆全過(guò)程。
4 TD-LTE上下行資源映射分析[5]
峰均比是一種對波形的測量參數，為C=|xpeak/xrms|。對于單載波，xpeak是單載波的峰值，xrms是單載波的有效值；對于多載波，xpeak是所有載波疊加在一起的峰值和，xrms是所有載波的平均值。顯然在一般情況下，N載波的峰均比約為單載波的N倍，這說(shuō)明在通信系統的調制技術(shù)和多載波技術(shù)中都有可能帶來(lái)較大的峰均比，而較大的峰均比會(huì )影響很多射頻器件的應用效率。因此，降低設備特別是終端設備的峰均比有著(zhù)非常重要的實(shí)際意義。
圖5所示是OFDMA和SC-FDMA（即DFT-S-OFDM）在資源映射方面的示意圖。OFDM在時(shí)域和頻域同時(shí)載荷信息，在時(shí)域上以OFDM符號為單位，在頻域上以子載波為單位。對于下行鏈路的OFDMA技術(shù)，頻域單位的子載波的帶寬定義為15kHz，時(shí)域單位是OFDMA符號；對于上行鏈路的SC-FDMA技術(shù)，頻域單位的子載波的帶寬是下行鏈路中某個(gè)用戶(hù)占用的所有子載波帶寬之和，如下行鏈路中某個(gè)用戶(hù)占用的子載波數是N個(gè)，則上行鏈路頻域單位的子載波的帶寬為（15×N）kHz，時(shí)域單位是SC-FDMA符號，但在1個(gè)SC-FDMA符號內可以處理N個(gè)調制信號。因此，可保證某用戶(hù)在通話(huà)時(shí)下行與上行信息的正常同步。
為方便分析，可設某用戶(hù)在下行通信時(shí)分配了4個(gè)子載波，每個(gè)子載波為15kHz，4個(gè)子載波占用的帶寬為60kHz。對于OFDMA，每個(gè)調制信號在頻域上占用一個(gè)子載波頻帶、時(shí)域上占用一個(gè)OFDMA符號，即在一個(gè)OFDMA符號內占用了4個(gè)調制信號或資源粒子。對于SC-FDMA，最初的調制信號也占用4個(gè)子載波頻帶，但因是單載波，每個(gè)SC-FDMA符號對應的子載波在頻域上占用了原OFDMA符號對應的4個(gè)子載波的頻帶，使其從原來(lái)的15kHz變成了60kHz，為了完成這4個(gè)調制信號，在時(shí)域上將每個(gè)調制信號壓縮為原來(lái)OFDMA符號的四分之一，從而時(shí)域上在原有一個(gè)SC-FDMA符號寬度內可處理4個(gè)調制信號或資源粒子。需要指出的是，圖5中所示的SC-FDMA的60kHz子載波是4個(gè)15kHz子載波的包絡(luò )，在這60kHz的子載波包絡(luò )中仍然有4個(gè)15kHz的子載波，只是這4個(gè)子載波載荷的是同一個(gè)調制信號。
顯然，用戶(hù)在通信過(guò)程中通過(guò)上下行傳輸完全可以將所占用的通信資源正常收發(fā)，因為它在同一個(gè)時(shí)域和頻域內完成了4個(gè)調制信號的上下行調制，說(shuō)明系統的上下行傳輸是完全等價(jià)的。在上行調制中，由于頻域內的子載波帶寬已變成原來(lái)的4倍，即4個(gè)子載波轉化成一個(gè)原子載波帶寬4倍的載波，因此SC-FDMA的峰均比只有OFDMA的四分之一，可以有效地降低上行設備的發(fā)射功率。
5 總結
本文從理論上較為詳細地分析了TD-LTE上下行鏈路的技術(shù)和原理。從功能框架結構圖上，可發(fā)現TD-LTE的上下行功能雖然有較大區別（下行是多載波傳輸，上行是單載波傳輸），但上下行技術(shù)結構卻沒(méi)有多少不同，僅僅是上行要比下行多增加一道DFT預編碼處理過(guò)程。由于DFT預編碼位于PSK或QAM調制與子載波映射之間，因此在對上行傳輸維護時(shí)，宏觀(guān)上可以參考下行傳輸情況與之比對。
顯然，不能采用上下行傳輸技術(shù)完全對稱(chēng)的GSM方法來(lái)簡(jiǎn)單地分析TD-LTE的上下行傳輸技術(shù)，從微觀(guān)上看，TD-LTE的上下行傳輸技術(shù)還有許多的不同，至少從資源映射方面就完全不一樣。IFFT、FFT、DFT模塊都是成熟技術(shù)，由于DFT算法的復數乘法次數是N2，所以從運算速度來(lái)看，存在IFFT>DFT、FFT>DFT的關(guān)系。如果能將預編碼DFT模塊改為FFT模塊，則可以提高上行傳輸的運算速度，因為在計算數學(xué)的算法理論上，離散傅里葉變換DFT與快速傅里葉變換FFT除了運算速度不同外，其他沒(méi)有多大區別。
參考文獻：
[1] 汪丁鼎，龔追飛. TD-SCDMA的長(cháng)期演進(jìn)——TD-LTE[J]. 移動(dòng)通信， 2008（17）： 33-38.
[2] 郭勇，董常富，徐輝. LTE上行多址接入系統DFT-S-GMC和DFT-S-OFDM性能研究[J]. 中國新通信， 2009（11）： 11-14.
[3] 胡芬芬. DFT-S-OFDM系統中峰均比和子載波映射技術(shù)研究[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2007.
[4] 王勇，劉光毅，張建華. 3GPP LTE中的OFDMA和SC-FDMA性能比較[J]. 中興通訊技術(shù)， 2007（4）： 39-42.
[5] Moray Rumney. 3GPP LTE： Introducing Single-Carrier FDMA[EB/OL]. [2012-03-01]. http：///p-083715703655.html.
