2.3 OFDMA

2.3.1 OFDMA

正交频分复用（Orthogonal Frequently Division Multiplexing，OFDM）的原理是将大的频谱分为若干小的子载波，各相邻子载波相互重叠，通过傅里叶变换使相邻子载波互相正交，从而使各子载波间重叠但不干扰。

如图2-10所示，OFDM和传统的FDM多载波调制技术存在较大差异。FDM的各载波是分开的，载波之间有保护间隔，而OFDM的子载波则是重叠在一起的，既节省了带宽，又可以统一调度。

OFDM的子载波小于信道相干带宽，可以克服频率选择性衰落，带宽越小，衰落越一致。一个OFDM符号的时间小于相干时间，可以克服时间选择性衰落，等效于一个线性时不变系统。

OFDM是一种频分技术，而OFDMA则是利用这种频分技术实现的多址技术，即OFDMA=OFDM+FDMA+TDMA，从而实现区分用户的目的OFDM发射图如图2-11所示。

LTE的下行方向采用OFDMA作为多址技术，其关键流程主要包括以下两点。

（1）将高速串行数据流转化为并行，实现串并转换，生成和傅里叶变换长度一致的并行数据流。

（2）将每一路数据流调制到各个子载波上，子载波再经过快速傅里叶变换FFT（或者IFFT）实现互相正交。

OFDMA继承了OFDM的特点，具有信号随着带宽的增加仍能保持正交的特点。同时可以轻松实现频域调度，避免了传统FDMA技术的调度和协调难题，同时支持MIMO。

OFDMA的带宽配置灵活，LTE网络支持6种带宽（见表2-1），在网络部署时可以根据实际需要灵活使用，可以大大提高频谱利用率。

OFDMA的子载波分配方式分为集中式和分布式。集中式是指将连续的子载波都分给1个用户，而分布式则是交叉分布，如图2-12所示。两种方式各有优缺点，现网多用集中式，调度简单高效。

2.3.2 SC-FDMA

SC-FDMA的基本原理与OFDMA类似，其在OFDMA的基础上，在子载波映射之前增加了一个DFT模块，因此SC-FDMA也称为DFT扩展OFDM（DFT-S-OFDM）。SC-FDMA的发射和接收框架如图2-13所示，SC-FDMA与OFDMA的区别主要有两个方面。

第一，OFDMA经过串并转换后将时域信号独立地分配到多个子载波上，而SC-FDMA则经过DFT将时域信号变换到UE当前占用的全部发射频带上，所以SC-FDMA本质上是一种宽带技术。

第二，OFDMA直接通过IDFT变换实现多个子载波调制，各个子载波叠加后并行输出，而SC-FDMA通过一个DFT-IDFT变换对，使IDFT变换后的输出为输入符号或是输入符号的加权叠加，使SC-FDMA具有单载波独有的低峰均比（PAPR）特性，降低了对硬件的要求，也降低了功耗。因此LTE网络上行链路的多址方式为SC-FDMA。

与OFDMA系统中的情形类似，SC-FDMA也需要周期性地在传输过程中添加循环前缀，以避免符号间干扰，简化接收机设计。由于SC-FDMA时域中的符号速率比OFDMA高，因而不需要在每个符号后添加循环前缀。循环前缀能够防止符号块之间的符号间干扰，但在循环前缀之间仍存在着符号间干扰，因而接收机仍需要处理符号间干扰。对于符号块来说，接收机通过启动均衡器，直到能够防止符号间干扰深度传播的循环前缀。

2.3.3 CP循环前缀

信号在空间的传递会经过反射和折射，一路信号到达接收端会变成几路，这几路会存在时延导致互相干扰。

典型的多径导致符号间干扰如图2-14所示，由于第2径的第一个信号延迟，一部分落到第1径的第二个符号上，导致第二个符号正交性破坏从而失去正交性而无法解调。

为了避免这种状况，在符号间增加了保护间隔，通过在每个信号之前增加一个间隔，时延小于间隔时就不会互相影响，如图2-15所示。

加入了保护间隔后，虽然第2径第一个信号延迟了，但是刚好落入第1径的第二个符号的保护间隔内，在解调时会随着CP一起抛弃，不会干扰到第二个符号。第2径的第二个符号的保护间隔落入了第1径的第二个符号内，会产生干扰，需要加入循环前缀CP解决。

循环前缀CP就是保护间隔不用传统的全0，而是将符号的最后一部分拿出来放到前面当保护间隔。由于保护间隔是信号的一部分，所以不会破坏符号本身的正交性。此外，循环前缀CP可以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样，一方面时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生符号干扰（ISI），另一方面时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生信道间干扰（ICI）。CP的作用就是消除符号干扰（ISI）和信道间干扰（ICI）。

由于基站覆盖的距离远近不同，多径延迟也不同，相应的CP也分3种：常规、扩展和超长扩展。每种CP应用范围也不同，一般来说超长扩展CP只用在海边等特殊场景，常用的CP就是常规和扩展2种。

CP的长度会影响物理层资源块的大小，间接影响速率。其长度和应用场景如图2-16所示。