摘要：針對(duì)移動(dòng)通信中，對(duì)于手持終端能耗的要求較高的特點(diǎn)，單載波頻分多址作為一種單載波調(diào)制方式，以其與生俱來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，被3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)采用為上行調(diào)制方式。該文對(duì)單載波頻分多址進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，對(duì)3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解析，簡(jiǎn)要說(shuō)明了在LTE上行信道中的編碼調(diào)制方式和幀結(jié)構(gòu)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真，給出仿真信號(hào)頻譜，在峰均比性能上與OFDM進(jìn)行了對(duì)比，說(shuō)明了單載波頻分多址在峰均比方面與OFDM比較，可以將峰均比提高2個(gè)單位以上，滿足移動(dòng)通信中低功率的要求。
關(guān)鍵詞：LTE；單載波頻分多址；峰均比；3GPP標(biāo)準(zhǔn)；幀結(jié)構(gòu)

    在第三代移動(dòng)通信的發(fā)展過(guò)程中，隨著R99、R4、R5、R6和R7各個(gè)系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范的發(fā)布，第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP：3rd Generat-ion Partnership proiect)作為WCDMA和TD—SCDMA這兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要組織，為基于CDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，近年來(lái)這些系統(tǒng)逐漸進(jìn)入了商用的進(jìn)程。2004年11月，根據(jù)眾多移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商、制造商和研究機(jī)構(gòu)的要求，3GPP通過(guò)了關(guān)于“Evolved UTRA and UTRAN”，又稱為L(zhǎng)ong Term Evolution(LTE)即“3G長(zhǎng)期演進(jìn)”的立項(xiàng)工作。LTE在2005年12月召開(kāi)的技術(shù)規(guī)范組無(wú)線接入網(wǎng)(TSGRAN)第30次全會(huì)上，最終決定物理層可行性研究技術(shù)將集中在上行單載波頻分多址(SC—FDMA，Single Carrier Frequency Division Multiple Access，如DFT—S—OFDM，DFT Spread OFDM)和下行正交頻分多址(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)上。
    SC—FDMA是一種單載波調(diào)制方式，基本的處理方法可分為DFT-S-GMC和DFT—S—OFDM，其中，3GPP標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用DFT-S-OFDM方式，即DFT擴(kuò)展的OFDM方式，這種方式將每個(gè)載波能量分配到每個(gè)時(shí)隙中，可有效的降低峰值平均功率比。本文首先介紹了在3GPP標(biāo)準(zhǔn)下所規(guī)定的幀格式，調(diào)制編碼方式對(duì)于相同的信號(hào)源，本文分別進(jìn)行了SC—FDMA和OFDM的MATLAB仿真，并比較得出結(jié)論。

1 SC-FDMA編碼原理
    SC—FDMA和OFDMA的相似之處包括，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)調(diào)制和處理，傳輸帶寬到窄帶的分集方式，信道的頻域均衡處理和CP的用法。二者在接收端的不同的檢測(cè)處理和不同點(diǎn)符號(hào)調(diào)制方式，SC—FDMA在進(jìn)行檢測(cè)處理之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)IDFT的過(guò)程。OFDMA并行同步傳輸數(shù)據(jù)符號(hào)，而SC—FDMA的每個(gè)符號(hào)要先分成若干個(gè)小的數(shù)據(jù)塊，然后再和其他符號(hào)構(gòu)成的數(shù)據(jù)塊按一定的順序組合。
    SC—FDMA編碼主要包括：CRC校驗(yàn)，Turbo編碼，內(nèi)部交織，網(wǎng)格結(jié)尾和速率匹配。編碼流程翻如圖1所示。

    首先，將CRC校驗(yàn)前的數(shù)據(jù)表示為a0，a1，…，aA-1，并將校驗(yàn)比特表示為pO，p1，…，pL-1，則校驗(yàn)比特由以下其中一個(gè)循環(huán)生成多項(xiàng)式生成：
   
   
    然后，經(jīng)過(guò)碼塊分割并且進(jìn)行CRC校驗(yàn)碼添加，將數(shù)據(jù)分成r塊，每個(gè)塊后面加上校驗(yàn)比特。
    將r塊數(shù)據(jù)分別經(jīng)過(guò)Turbo編碼器，該Turbo編碼器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    數(shù)據(jù)序列ck'是ck經(jīng)過(guò)交織后的結(jié)果，交織過(guò)程如下：

    速率匹配過(guò)程分為子塊交織，比特類集，選擇和傳送，先將數(shù)據(jù)補(bǔ)零形成32行的矩陣，進(jìn)行列交織；然后將分別交織后的三列數(shù)據(jù)匯集成一列數(shù)據(jù)，并根據(jù)冗余版本要求輸出不同長(zhǎng)度的序列。

2 SC-FDMA調(diào)制原理
    SC—FDMA調(diào)制基帶過(guò)程主要包括以下步驟：
    1)串并變換
    將串行比特流變換成并行數(shù)據(jù)，通常，若星座映射為QPSK，變成2 M個(gè)并行比特，若為16QAM，則變成4 M個(gè)并行比特；
    2)比特到星座映射
    將M個(gè)并行比特分別進(jìn)行星座映射，QPSK方式下，每2比特映射一個(gè)虛數(shù)字節(jié)，16QAM下，每4比特映射一個(gè)虛數(shù)字節(jié)；
    3)M點(diǎn)DFT擴(kuò)展
    DFT擴(kuò)展是SC—FDMA有別于OFDM的重要特征，經(jīng)過(guò)DFT擴(kuò)展后的時(shí)域數(shù)據(jù)變換到頻域上進(jìn)行處理；
    4)子載波映射
    子載波映射分為兩種方式，分別是分布式子載波映射(DFDMA)和集中式子載波映射(LFDMA)。除此之外，還有一種交織式子載波映射由于其分集效應(yīng)較大一般不應(yīng)用于DFT-S-OFDM，而是應(yīng)用于另一種單載波頻分多址方式DFT-S-GMC；
    5)N點(diǎn)IFFT
    經(jīng)過(guò)擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)在頻域上占有一定帶寬，再進(jìn)行IFFT將其變換到時(shí)域進(jìn)行處理；
    6)加循環(huán)前綴
    SC—FDMA標(biāo)準(zhǔn)中所要求的循環(huán)前綴有兩種，一種是常規(guī)CP，每時(shí)隙第一個(gè)符號(hào)里為5．2μs，所有其他時(shí)隙為4．69μs，一種是擴(kuò)展CP，所有符號(hào)里均為16．67μs，擴(kuò)展CP對(duì)于具有較大信道時(shí)延擴(kuò)展特點(diǎn)的部署以及大的小區(qū)是有益的；
    7)并串變換
    并行數(shù)據(jù)變換為串行，基帶調(diào)制完成。
    分布式子載波映射如圖3(a)所示。子載波映射將M個(gè)等間距的子載波(例如，每第L個(gè)子載波)分配給用戶。(L-1)個(gè)零插入到M點(diǎn)DFT的輸出樣值之間，額外的零添加到IFFT之前的DFT輸出的邊帶(ML<N)。和集中形式一樣，添加到DFT輸出邊帶的零提供了上采樣或sinc內(nèi)插，而插到
DFT輸出樣值之間的零是波形在時(shí)域上重復(fù)。這就導(dǎo)致發(fā)送信號(hào)類似于具有重復(fù)因子L和“sinc”脈沖成型濾波的時(shí)域IFDMA。

    集中式子載波如圖3(b)所示。通過(guò)子載波映射將一組M個(gè)連續(xù)的子載波分配給一個(gè)用戶。由于M<N，DFT輸出要添零，這使得原始的MQAM數(shù)據(jù)符號(hào)在OFDM調(diào)制器的IFFT的輸出端產(chǎn)生上采樣／內(nèi)插版本。因此發(fā)送信號(hào)類似于一個(gè)具有CP(等價(jià)于重復(fù)因子L=1的時(shí)域生成)和sinc脈沖成型濾波(循環(huán)濾波)的窄帶單載波信號(hào)。
    在3GPPLTE標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定采用集中式，即采用連續(xù)子載波塊。從而簡(jiǎn)化了傳輸方案，并使相同的RB結(jié)構(gòu)能夠用于下行鏈路。唯一采用分布式傳輸?shù)氖怯糜谏闲墟溌返奶綔y(cè)參考信號(hào)(SRS)，傳輸這一信號(hào)使得eNode B能夠進(jìn)行上行鏈路頻率選擇性調(diào)度。

3 LTE上行幀結(jié)構(gòu)
    對(duì)于LTE上行幀來(lái)說(shuō)，每個(gè)時(shí)間單位Ts=1／(150 000x048)s。每一幀長(zhǎng)度為Tf=307 200xTs=10 ms。傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    這種幀結(jié)構(gòu)形式適用于全雙工及半雙工FDD，每個(gè)幀長(zhǎng)度是10 ms，并包括20個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙持續(xù)0．5 ms，每個(gè)子幀由兩個(gè)時(shí)隙組成。
    每個(gè)時(shí)隙可以表示為一個(gè)櫥格結(jié)構(gòu)，包括個(gè)子載波，個(gè)SC-FDMA符號(hào)。柵格結(jié)構(gòu)如圖5所示。

   
    其中，分別對(duì)應(yīng)于最小和最大上行帶寬，并在文獻(xiàn)中有說(shuō)明。柵格中每個(gè)元素成為一個(gè)資源元素，以(k，l)表示，其中，的值由下表給出，每個(gè)屋里資源塊包括個(gè)資源元素，相當(dāng)于時(shí)域的一個(gè)時(shí)隙，以及頻域的180 kHz。

4 仿真結(jié)果
    對(duì)SC—FDMA和OFDM分別進(jìn)行MATLAB仿真。輸入一組隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，如圖6(a)所示，數(shù)據(jù)調(diào)制后如圖6(b)所示，由于調(diào)制階段才用的是集中式子載波映射方式，所以頻譜多集中在一個(gè)頻帶內(nèi)。在一定帶寬內(nèi)有數(shù)據(jù)信號(hào)。圖7中可以看出，相同的信噪比條件下，SC—FDMA的PAPR相對(duì)OFDM要小的多，QPSK情況下，在RSN=10-3附近，OFDM調(diào)制的PAPR=9．7，而SC—FDMA調(diào)制的PAPR=7．1；在RSN=10-1附近，OFDM調(diào)制的PAPR=7．5，而SC—FDMA調(diào)制的PAPR=5．6。SC—FDMA的PAPR性能遠(yuǎn)優(yōu)于OFDM，這就符合了設(shè)計(jì)的初衷。

5 結(jié)論
    本文介紹了基于LTE的單載波頻分多址調(diào)制技術(shù)的原理，并結(jié)合3GPP協(xié)議內(nèi)容，對(duì)上行傳輸中幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明，具體介紹了上行幀格式，最后，對(duì)QPSK和16QAM調(diào)制方式下的SC—FDMA和OFDM調(diào)制方式分別進(jìn)行仿真，得出SC—FDMA方式比OFDM方式峰均比低，可以滿足低功耗要
求，更適用于上行傳輸。