LTE关键技术研究-(OFDMA,SC-FDMA,MIMO)

【摘要】OFDMA技术能有效对抗频率选择性衰落，提高数据传输效率；SC-FDMA技术能有效降低峰均比，降低硬件需求门槛，提高终端电池使用时间；MIMO技术能提高数据传输数率，增大系统传输容量。本文全面叙述了OFDMA； SC-FDMA和MIMO技术及其特点。先将OFDMA技术与SC-FDMA技术对比，阐述两者在不同条件下的各自优缺点及各自的适用的链路情况。随后，分析MIMO技术带来的传输容量的增益效果，分析不同环境下MIMO自适应模式间的转换并结合分析MIMO容量和收发信天线数量的关系。最后，展现MIMO，OFDMA，SC-FDMA技术结合的优点。这三者取长补短，推动LTE移动通信技术向着更高速率、更大容量、更好性能的方向发展。

【关键词】OFDMASC-FDMAMIMO

一、LTE关键技术概述

LTE（Long Term Evolution）项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术。通过运用OFDMA，SC-FDMA，MIMO这三种技术有效结合，达到3GPP LTE项目规定的主要性能指标。

二、OFDMA技术

2.1OFDMA技术原理

OFDMA：正交频分多址Orthogonal Frequency Division Multiple Access（OFDMA）：主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输，然后在部分子载波上加载传输数据。OFDMA技术优点：频谱效率高，来源于正交传输；采用CP回避用户间干扰，频谱效率高。OFDMA技术克服的是由于多径效应产生的频率选择性衰弱。

由上图分析表明：采用IFFT产生OFDM信号决定了：子载波间隔f=1/T（T为OFDM符号周期）。f不能太小：必须能容忍一定车速下的多普勒频移动效应，起到分隔干扰效果。f不能太大：T过小，则对应CP开销过大，增加系统负担。典型f值：10-20kHZ，LTE实际经验建议值：15kHZ（符号长度66.67us）。CP不能太小：必须能覆盖主要多径的时延扩展，容忍一定的定时误差。CP不能太大：信令开销限制了CP不能无限扩大。CP可以采用多个选项：LTE：常规CP：4.687ms扩展CP：16.67ms超长CP： 33.33。

三、SC-FDMA技术

3.1SC-FDMA技术原理

SC-FDMA（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址），是LTE推荐的上行链路多址技术。SC-FDMA产生方法：是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展， SC-FDMA由于采用单载波的方式，与OFDMA相比之下具有较低的PAPR（峰值/平均功率比，peak-to-average power ratio），比多载波的PAPR低1-3dB左右。较低的PAPR可以使手机降低硬件集成度门槛，减少突发性的高功耗硬件，进而可以延长手机电池的使用时间。

4.4MIMO容量与天线数关系

根据这两幅图各四条不同的曲线我们可以得出结论：

1.当Y轴为定量时，信噪比不变的情况下，信道容量随天线数量的增加而增大。MIMO发射天线在发射天线数量0到5的区间内的斜率较大，说明在该区间随着发射天线的增加，容量的发射提升效果显著。

2.当X轴为定量时，即发射天线和接收天线的数量为定值时，信道容量随信噪比的增大而增大。

3.接收天线在SNR=15这一曲线，随着天线数量增加保持着较高的斜率：较高的容量增长率，其增长率远大于SNR=10，5，0的曲线，这就说明了在信噪比好的情况下，手机的传输速率将会获得质的飞跃，速率将仅受限于网络侧的处理能力，而不再受限于无线信道的传输环境。

4. MIMO发射天线在发射天线5到10天线区间，提升曲线略有提升，而随着天线数量的增加，硬件正本急剧增加。10到15的区间内，提升曲线斜率趋于平缓，即超过10天线的MIMO系统会有硬件成本高，而容量提升不明显的特点。

综上所述，这一实验结论论证了：3GPP提出的MIMO-LTE系统建议天线区间为0到8的这一经验理论，这是综合考虑了MIMO容量提升和硬件成本的结果。

4.5MIMO-OFDMA-SCFDMA技术结合及总结

MIMO技术利用空间维度资源在发射端和接收端同时采用多天线技术，而OFDMA技术的实现又帮助弥补了MIMO系统中由于分集产生的时延而带来的选择性衰弱，这两者优缺点完美互补，提高系统容量，提升用户感知。同时在上行链路中采用SC-FDMA，就降低终端的硬件需求，起到延长终端电池使用时间的效果。这三个技术的结合使LTE通信向着更高速率、更大容量、更好性能的方向发展。

参考文献

[1] Schulze，H.，Luders，C. Theory and Applications of OFDMA and CDMA，Wiley

[2] Myung，H.G.，Goodman，D.J.， Single Carrier FDMA：A New Air Interface for Long Term Evolution，Wiley

[3] H.Yang， A Road to Future Broadband Wireless Access： MIMO-OFDM-Based Air Interface ，IEEE Communication Magazine，pp.553-560

[4] Harri Holma，Antti Toskala，LTE for UMTS-OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access