郎為民 李建軍 胡東華 高泳洪
(解放軍通信指揮學院 武漢 430010)
在上行鏈路方向,3GPP LTE采用SC-FDMA作為多址技術(shù),該技術(shù)有助于實現(xiàn)較高的功率放大器效率,且對于FDD和TDD工作模式都是適用的。SCFDMA的基本形式可以看作與QAM調(diào)制等價,它每次發(fā)送一個符號的工作方式與時分多址(TDMA)系統(tǒng)(如GSM)類似。
頻域信號生成過程如圖1所示,與具有常規(guī)QAM調(diào)制器的時域信號生成過程相比,它增加了良好的OFDMA頻譜波形特性。這樣,與下行鏈路OFDMA原理相似,不同用戶之間不再需要保護頻段。與OFDMA系統(tǒng)中的情形類似,SC-FDMA也需要周期性地在傳輸過程中添加循環(huán)前綴(由于SC-FDMA時域中的符號速率比OFDMA高,因而不需要在每個符號后添加循環(huán)前綴),以避免符號間干擾,簡化接收機設(shè)計。循環(huán)前綴能夠防止符號塊之間的符號間干擾,但在循環(huán)前綴之間仍存在著符號間干擾,因而接收機仍需要處理符號間干擾。對于符號塊來說,接收機通過啟動均衡器,直到能夠防止符號間干擾深度傳播的循環(huán)前綴。
圖1 具有頻域信號生成功能的SC-FDMA發(fā)射機和接收機
傳輸過程會持續(xù)占用分配給用戶的部分頻譜,對于LTE來說,系統(tǒng)推薦采用1ms的分配周期。假定系統(tǒng)開銷一定,則當頻域中的資源分配加倍時,數(shù)據(jù)速率也加倍。每次傳輸(具有調(diào)制功能)在時域縮短,但在頻域變寬,如圖2所示。圖2中的實例假定在新的資源分配過程中,保持現(xiàn)有的頻率資源不變,并分配相同數(shù)量的額外傳輸頻譜,這樣傳輸容量就增加了1倍。在實踐中,這種分配不需要考慮頻域的連續(xù)性,但需要對頻域資源連續(xù)分配進行設(shè)置。實際信令限制條件規(guī)定,最多只能對180kHz的資源塊進行分配。最大分配帶寬取決于系統(tǒng)使用的帶寬,系統(tǒng)帶寬可達20MHz。由此得出的最大分配帶寬要稍微小一些,因為系統(tǒng)帶寬定義包含了指向鄰近運營商的保護頻段。例如假定系統(tǒng)信道帶寬為10MHz,最大資源分配等于50個資源塊,則傳輸帶寬為9MHz。
圖2 SC-FDMA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率調(diào)整
與頻域信號生成有關(guān)的SC-FDMA資源塊是使用與OFDMA下行鏈路相同的值進行定義的,子載波間距取值為15kHz。這樣,即使實際傳輸采用的是一個單載波,其實信號生成階段使用了子載波項。最簡單的情形是,最小分配資源使用了12個子載波,因而帶寬等于180kHz。資源塊中的參考符號(或控制信息)不要求將攜帶數(shù)據(jù)的復值調(diào)制符號分配給資源要素,如圖3所示。當資源映射完成后,信號進入到時域信號生成過程,該過程將生成SC-FDMA信號,包括循環(huán)前綴的選定長度。圖3中的實例假定特征前綴具有兩種不同長度。
圖3 SC-FDMA中的資源映射
如圖3所示,參考符號通常位于時隙的中間。接收機使用這些參考符號來完成信道估計工作。對于參考符號的選擇有多種不同的方案,有時可以選用參考符號跳頻模式。對于那些用于提供基站接收機頻譜信息以實現(xiàn)上行鏈路方向頻域調(diào)度的數(shù)據(jù)來說,探測參考信號可以隨時在高帶寬上傳輸,而不是需要時才進行傳輸。
這樣,不同用戶就可以共享時域和頻域中的資源。時域中的分配粒度是1ms,而頻域中的分配粒度是180kHz?;拘枰獙γ看蝹鬏斶M行控制,以確保它們不會在資源塊中出現(xiàn)重疊。同時,基站的控制也能夠避免使用冗長的保護時間、定時提前。通過修正IFFT輸入,發(fā)射機能夠?qū)鬏斝D(zhuǎn)在頻率的理想位置,如圖4所示。基站接收機能夠檢測到來自于正確頻域/時域資源的傳輸信息。除了隨機接入信道之外,由于所有上行鏈路利用率是建立在基站調(diào)度的基礎(chǔ)上,因而基站通常知道哪個用戶希望得到哪些資源。
圖4 SC-FDMA頻域中具有資源共享功能的多址技術(shù)以及頻域信號生成過程
由于在時域傳輸過程中,一次僅傳輸一個符號,因而系統(tǒng)能夠保持良好的包絡(luò)特性,波形特性是由所采用的調(diào)制方法控制的。它支持SC-FDMA實現(xiàn)較低的信號峰均比(PAR),更為重要的是,CM有助于在設(shè)備中設(shè)計實現(xiàn)高效的功率放大器。立方量度(CM)值是使用不同調(diào)制方法的滾降特性的函數(shù),如圖5所示。使用諸如正交相移鍵控(QPSK)的低CM調(diào)制方法,由于CM值較低,因而功率放大器能夠工作在具有最小功率回退的最大功率值附近(如圖5所示)。它支持功率放大器擁有較高功率轉(zhuǎn)換效率,因而能夠有效降低設(shè)備功耗。需要注意的是,pi/2-BPSK(二進制相移鍵控)最初設(shè)計用于3GPP網(wǎng)絡(luò),但由于3GPP性能要求使用QPSK來實現(xiàn)最大功率(23dBm),因而使用pi/2-BPSK就沒有其它優(yōu)勢,因而對于用戶數(shù)據(jù)來說,3GPP標準并未對pi/2-BPSK做出規(guī)定。LTE中調(diào)制方法是根據(jù)符號傳輸用途來選擇的,符號既可以為物理層控制信息服務(wù),也可以為高層數(shù)據(jù)(用戶數(shù)據(jù)或高層控制信令)服務(wù)。
圖5 OFDMA和SC-FDMA的立方量度
在設(shè)備端,與OFDMA接收機相比,SC-FDMA的基站接收機稍微復雜一些,尤其是在考慮能夠?qū)崿F(xiàn)與OFDMA接收機相當性能的接收機(均衡器)設(shè)計時。顯而易見,接收機要能夠處理符號間干擾,該干擾終止于某個符號塊后,而不是終止于OFDMA中每個(長)符號后。由此帶來了對處理能力的高要求,與設(shè)備設(shè)計限制條件相比,基站的處理能力還不成為問題,目前急需解決的問題是要發(fā)揮SC-FDMA上行鏈路范圍的優(yōu)勢,并設(shè)法延長設(shè)備電源的壽命。分配周期為1ms的動態(tài)資源使用優(yōu)勢在于:雖然對于每個UE來說,沒有備用的基帶接收機,但需要傳送數(shù)據(jù)的用戶可以動態(tài)地使用基站接收機。在任何情況下,隨著數(shù)據(jù)速率的提高,上行鏈路和下行鏈路接收機鏈中最消耗資源的部分是信道解碼(Turbo解碼)。