2007年第8期，第40卷 通 信 技 术 Vol.40，No.08,2007 总第188期Communications Technology No.188,Totally
两种LTE上行SC-OFDMA信号生成方式
王 熹, 谢显中, 师 阳
（重庆邮电学大学 移动通信信息产业部重点实验室，重庆 400065）
【摘要】首先讨论了Long Term Evolution（LTE）上行传输方案的提出的需求背景，然后简要介绍集中式单载波和分散式单载波概念，研究了它们分别在时域和频域的生成方式，最后分析比较两种方案的优缺点。
【关键词】长期演进; 单载波; 集中式单载波; 分散式单载波
【中图分类号】TN914.51 【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2007)08-0009-03
Generation of SC-OFDMA Signal for LTE Uplink
WANG Xi, XIE Xian-zhong, SHI Yang
(MII Key Lab. of Mobile Communications Technology Chongqing University of Posts
and Telecommunications, Chongqing 400065,China)
【Abstract】This paper first introduces the background of the Long Term Evolution(LTE) uplink and the concept of the localized and distributed single-carrier, then discusses their time-domain and frequency-domain generation respectively. Finally it compares advantages and disadvantages of those schemes.
【Key words】long term evolution；single carrier；localized single-carrier transmission；distributed single-carrier transmission
0 引言
正当人们惊讶WiMAX技术的迅猛崛起时，3GPP也开始了第三代移动通信技术的长期演进（LTE，Long Term Evolution）项目。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3G”（E3G，Evolved 3G）。演进型3G(E3G)技术是3GPP LTE(长期演进)和3GPP2 AIE(空中接口演进)项目的统称。这项技术名为“演进”，实际上是一场技术“革命”，LTE和3GPP2空中接口演进（AIE）、WiMAX，以及最新出现的IEEE 802.20MBFDD/MBTDD等技术，由于已经具有某些“4G”特征，甚至可以被看作是“准4G”技术。
2004年11月在加拿大多伦多3GPP召开了的LTE专题会议，正式拉开了第三代移动通信向更高的频谱利用率、更大的传输速率/吞吐量、更好的性能和更低的业务成本方向长期演进的序幕。自2004年11月以来，3GPP以频繁的会议全力推进此项工作，仅半年时间就完成了对需求的制定，到2006年已基本完成技术可行性研究和系统评估的研究项目(SI)。目前LTE物理层基本技术的选择已经完成，网络结构已经确定。按3GPP计划，将于2007年9月完成LTE标准的制定（测试规范在2008年3月完成），预计2010年左右可以商用。
有着动态带宽分配方案的基于FDMA的单载波（SC-FDMA），已经被确定为LTE的上行传输方案[1]。采用这种单载波方案的最主要原因在于相对于多载波而言，它能有效地降低峰均比（PAPR）、改善对功率放大器的要求，同时由于所采用的频分多址(FDMA)技术能提供较方便的频域资源分配和小区内的正交性，克服了小区边界容量和性能下降，扩大小区覆盖范围。SC-FDMA信号可以通过集中式单载波（Localized Single-Carrier）和分散式单载波（Distributed Single-Carrier）两种基本方案得到[2]。文中首先介绍集中式单载波和分散式单载波概念，然后研究了它们在时域和频域的生成方式，最后分析比较两种方案的优缺点。
1 集中式单载波与分散式单载波
单载波调制包括正交幅度调制(QAM)和无载波幅度相位
收稿日期：2007-04-10。
基金项目：国家自然科技基金资助项目(60572089)；重庆市科委自然科学基金和重庆市教委应用基础研究基金资助项目。
作者简介：王 熹（1981- ），男，在读硕士研究生，主要研究方向为移动通信技术；谢显中（1966- ），男，博士，教授，硕士生导师，主要从事移动通信技术方面的科研工作；师 阳（1981- ），女，在读硕士研究生，主要研究方向为移动通信技术。
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(CAP)调制等。在应用单载波调制时，通过把连续的数个比特位映射成星座点来使比特流编码成为符号，这些星座点经过调制、滤波在预先分配的信道带宽上进行传输。由于信道会使发送的信号衰减并引起邻近符号的互相干扰，即产生符号间干扰（ISI），一般在接收端用一个有限长度均衡器来减小ISI，以提高系统的性能。均衡器恢复传输数据流的能力取决于多种因素，包括均衡器的类型、滤波器的长度等。性能最优的均衡器是判决反馈均衡器（DFE），这是一种非线性均衡器，使用两个滤波器和一个判决器来重建所需信号。DFE 的缺点是符号判决器产生的误差被反馈回去产生后续的残余ISI的预测，单个误差可能会影响其后的多个信号的判决，引起错误扩散。
由于传统OFDM峰频比（PAPR）较高，在上行链路中使用会导致终端功放成本过高及耗电量过大，低PAPR的单载波技术成为上行链路使用的主流方案，这样LTE的上行传输方案采用带循环前缀的SC-FDMA，使用DFT获得频域信号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT。这个过程简写为DFT-SOFDM，其目的是，上行用户间能在频域相互正交，以及在接收机一侧得到有效的频域均衡。在每一单个时隔里，基站为终端分配惟一频率用于发射用户数据并确保信元间的正交性，从而避免信元间的干扰。基站通过在传输信号中插入一个循环前缀来处理多径广播带来的干扰，传输参数、编码及调制方式与下行链路类似，这样做的好处是降低终端耗电量和扩大覆盖范围。
子载波映射决定哪一部分频谱资源被用来传输上行数据，而其他部分则被插入若干个零值。频谱资源的分配有两种方式：1)集中式传输，即DFT的输出映射到连续的子载波上；2)分散式传输，即DFT的输出映射到离散的子载波上。集中式单载波在整个可利用的频谱上占用一段连续的频谱，传输信号的不同符号速率对应着不同的带宽。分散式单载波在整个可利用的频谱上并不占用一段连续的频谱而是占用一段梳型频谱。尽管分散式单载波信号分布在整个频谱上，但它所占用的总带宽与集中式相同。进一步讲，对于一个高/低符号率，它仅仅是在梳型频谱数量上有所不同，但对于每一个梳型频谱的带宽都是一样的。集中式单载波和分散式单载波频谱如图1所示。
图1 集中式单载波和分散式单载波频谱 另外，上行单用户MIMO天线的基本配置是在UE有两个发射天线，在基站有两个接收天线。考虑到UE配置两个发射天线受到限制，在上行传输中一种特殊的被称为虚拟（Virtual）MIMO的技术在LTE中被采纳。通常是2×2的虚拟MIMO，两个UE各自有一个发射天线，并共享相同的时—频域资源。这些UE采用相互正交的参考信号图谱，以简化基站的处理。从UE的角度看，2×2虚拟MIMO与单天线传输的不同之处，仅仅在于参考信号图谱的应用必须与其他UE配对。但从基站的角度看，确实是一个2×2的MIMO系统，接收机可以对这两个UE发送的信号进行联合检测。
2 时域生成方法
图2指明了一个单载波信号在时域产生的过程[3]。图2左图描述的是一个集中式单载波的产生过程。它以块的形式进行，系在一个M大小的调制信号（QPSK 16QAM等）前加上循环前缀形成。这有点类似于OFDM传输，在单载波信号中加入循环前缀，目的在于与当在接收端将循环前缀去除后，把在无线信道中的线性卷积（包括在任何在发射端或接收端的时域滤波器）表示成循环卷积，这更有利于接收端的频域均衡（FDE）。
加入循环前缀后再进行脉冲整形，应注意集中式单载波的带宽与脉冲整形滤波器带宽都是根据传送的符号速率来确定的。准确地讲脉冲整形滤波器采用何种滚降系数与传输单载波信号的频谱利用率和PAPR
有着密切的关系。
图2 集中式单载波和分散式单载波的时域生成 图2右图描述的是一个分散式单载波的产生过程。在分散式单载波中首先将大小为M的调制信号重复L次（块大小仍然为M），在频域产生一个梳型形状的频谱，然后进行一个特定用户的旋转将“comb”搬移到它所对应的一个特定频率上，这将在FDMA中实现多用户复用从而成倍地增加用户数。旋转后进行类似于集中式单载波中的循环前缀插入和脉冲整形，注意在分散式单载波传输中，脉冲整形滤波器应该在整个传输带宽上都有响应，比如它的相应带宽就应该是集中式单载波相应带宽的L倍。
图2右半部分的分散式单载波的产生有时候也被认为是Interleaved FDMA(IFDMA)交织FDMA。同样，它在某些方面也同VSCRF-CDMA（Variable Spreading and Chip Repetition Factors－CDMA）相类似。VSCRF-CDMA在块复制前先进行直序列扩展（Direct-Sequence Spreading），在这里是将码块复制前的输入符号当作“码片”而不是调制符号。尽管这样，扩展在实际应用中也等同于循环编码，VSCRF-CDMA可以简单
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认为是信道编码＋IFDMA。
3 频域生成方法
由图3可以看出单载波也同样可以在频域产生[2][5]。对于集中式单载波和分散式单载波，首先将大小为M的调制符号块进行一个大小为M的DFT变换，将调制信号变换到频域，然后在每个频率样本间插入-1
L个零。这里当1
L=时（映射为一个连续的频率样本）对应于集中式单载波情况，当1
L>
时对应于分散式单载波的情况。
对于集中式和分散式单载波传输，在IFFT将信号变换到时域前要进行频域的频谱整形。频谱整形类似于时域整形，也是用来平衡频谱效率和PAPR的关系。图3中的频谱整形包括了一个滚降系数大于0的带宽扩展，这意味着信号的带宽将大于符号速率。实际上，它是通过在信号频谱整形前对频域信号进行循环扩展来实现。它相当于时域脉冲整形
中的上采样部分。
图3 集中式单载波和分散式单载波的时域生成 在接收机端，处理过程与发射端类似，它是一个图3的反转过程。比如进行一个大小为N的FFT变换之后紧接着一个大小为M的IDFT变换。显然， 经过频率选择性信道后大小为M的调制符号块响应会发生扭曲，这将影响频率采样序列，这时就需要在接收端设置一个频域均衡来恢复信号。图3的单载波传输系统有时候也被看作DFT-spread OFDM或 DFTS-OFDM。
4 总结
虽然时域和频域产生的单载波信号很类似，但除了执行方式不同外，实际上它们之间有着很明显的区别： （1）在时域处理中，脉冲整形是在插入循环前缀之后进行的，而在频域处理中频谱整形是在插入循环前缀之前。由此可以得出，频域产生的方法对脉冲/频谱整形的选择有更大的自由度。在实际中，更大的自由度就意味着能在频谱利用效率和PAPR之间达到更好的平衡。
（2）从参数的角度看，一套特定的参数总是与某一种生成法相适应的，要么匹配于时域要么匹配于频域产生法。
（3）相对于时域产生法，频域产生法在相同的无线参数下能达到最大的采样频率和子载波间隔(最小的频率间隔)。
（4）频域产生法能获得更大的频谱利用率。
参考文献
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3 3GPP, R1-050765,Some aspects of single-carrier transmission
for E-UTRA[S].2005.
4 3GPP, REV-WS025,Technologies for Super 3G[S].2004.
5 3GPP, R1-051038，Spectrum shaping filtering in DFT-spread
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6 谢显中,李祥明,唐宏,等.基于TDD的第四代移动通信技术[M].北京：电子工业出版社，2005
（上接第8页）.
为文献[6]中式（2－118）。
4 结语
文中采用矩函数的方法，推出了在莱斯信道下成对差错概率的表达式，虽然只是瑞利信道一个推广，但据作者所知，还没有这样一个公式，因此，是一个新的的结果。该结果将为研究空时编码在莱斯信道提供很好的性能分析依据。关于空时编码系统在Nakagami信道下研究，到目前还是未知的，这将在作者进一步的研究中体现。
参考文献
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