3GPP LTE 中ofdma和sc-ofdma的比较

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3GPP LTE OFDMA和SC-FDMA多址接入方案的研究

摘 要

LTE在下行采用正交频分复用多址接入(OFDMA)技术，因为OFDMA具有较高的峰均功率比（PAPR）。这对发射机功放的线性度要求较高，使得发射机成本明显增加;其次OFDMA要求子载波严格正交，因此它对频率偏移会比较敏感。单载波频分多址接入技术(SC-FDMA)是OFDMA技术的改进,相较于OFDMA，两者的系统结构和性能比较相似，但它具有低PAPR特性与对频率偏移不敏感的优势，并同样能在接收端应用频域均衡技术来有效对抗多径衰落的影响。因此3GPP决定在LTE上行采用SC-FDMA技术作为多址接入方式。本文将给出一个关于正交频分多址(OFDMA)和单载波频分多址(SC-FDMA)的概述,并对两者进行比较，利用Matlab对二者的PAPR进行了仿真，验证了SC-FDMA比OFDMA有较低的PAPR。此外，还研究了不同均衡方式和不同信道模型下的SC-FDMA的误码性能并得出相关结论。

关键词：OFDMA；SC-FDMA；峰均功率比

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Study of Multiple Access Schemes in 3GPP LTE

OFDMA vs. SC-FDMA

ABSTRACT

With the continuously developing of wireless communication technique and the users' high demands to communication, 3GPP proposed LTE (Long Term Evolution) standard as the transition from3G to 4G while LTE downlink adopts orthogonal-frequency-division-multiplexing access (OFDMA) technique, OFDMA is not suitable for LTE uplink because of its disadvantages. The first main disadvantage is that OFDM signal's peak-to-average power ratio (PAPR) is very high, which decreases the power efficiency of mobile terminal and proposes higher demands on the linearity of transmitter power amplifier, which will increase the cost of transmitter. Secondly, OFDMA requires strict orthogonality among sub-carriers,Which makes it sensitive to frequency offset. Single-carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) technique is the improvability of OFDMA techniques. Possessing the similar structure and performance as OFDMA, SC-FDMA shows the advantage of lower PAPR feature and being not sensitive to frequency offset. Besides,SC-FDMA can adopt frequency equalization technique at the receiver to overcome the influence of multi-path fading. So, 3GPP decided to adopt SC-FDMA, to be the multiple access technique in the LTE uplink.In this paper, we give an overview of both OFDMA and SC-FDMA, then draw a comparison and analysis with them.using MATLAB on a combination of PAPR, verify that SC-FDMA had lower PAPR than OFDMA.we also studied different ways of balancing and SC-FDMA BER performance under different channel models and draw relevant conclusions.

Key words：OFDMA；SC-FDMA；PAPR

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目录

1 前言 ..................................................... 1

1.1 3GPP LTE的发展概况 ....................................... 1 1.2本文的研究内容和篇章结构 .................................. 1

2 OFDM技术简介及原理 ....................................... 2

2.1 OFDM技术简介 ............................................. 2 2.2 OFDM系统的算法和工作原理 ................................. 2

3. OFDMA技术 ................................................ 3

3.1 OFDMA技术简介 ............................................ 3 3.2 OFDMA的优缺点 ............................................ 3

4 SC-FDMA技术 ............................................... 4

4.1 SC-FDMA的基本原理 ........................................ 4 4.2 SC-FDMA子载波映射方式 .................................... 5 4.3 SC-FDMA的实现形式 ........................................ 6 4.3.1.时域信号产生 ............................................ 6 4.3.2 频域信号的产生 .......................................... 6 4.3.3 两种实现形式的比较 ...................................... 7

5 SC-FDMA与OFDMA的比较 ..................................... 7

5.1 峰值平均功率比 ........................................... 8 5.2仿真结果 .................................................. 9 5.2.1不同调制方式下OFDMA和IFDMA系统PAPR性能仿真 ............ 9 5.2.2不同子载波映射方式下的SC-FDMA系统PAPR性能仿真 ......... 10

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6 结论 ..................................................... 11 参考文献 ................................................... 11

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1 前言

1.1 3GPP LTE的发展概况

第一代移动通信系统起始于19世纪70年代，它采用频分多址(FDMA)技术的模拟移动通信系统，重要缺点是频带利用率低、保密性差、终端体积大且只能供给语音业务。第二代移动通信系统(2G)在上世纪90年代初投入商业运营，它是采用灵活、高效的时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术的数字蜂窝移动通信系统，主要业务包括数字移动电话和低速率数据业务，能够较好满足人们对语音的需求，因此在世界范围内广泛应用。随着全球移动通信的迅速发展和现代通信技术的日益进步以及网络传输业务的增加，2G系统的数据传输能力远远不能满足日益增长的宽带多媒体数据业务要求，因此，第三代移动通信(3G)及其所提供的多媒体业务走入人们的生活并形成了被国际社会认可的三个主要标准：WCDMA、CDMA2000和TD．SCDMA。第三代移动通信的目的为达到144kbps的车载通信速率、386kbps的步行通信速率和2Mbps的室内通信速率，在营业上注重多媒体业务。目前，3G已在世界范围内广泛应用，但是3G所提供的通信带宽并不能满足人们不断增长的需求，用户容量上也存在着很大的不足。因此，第三代移动通信系统称不上真正的宽带多媒体通信，不能满足移动通信的最终目标，于是，便有人提出了超3G(Beyond3G)或者E3G(Evolved3G)的无线传输技术研究。[1]

3 GPP开始启动长期演进(Long Term Evolution, LTE)项目。LTE项目以OFDM/FDMA为核心技术，通过对无线网络的架构和无线接口进行一些改良和优化，用于系统容量、增大覆盖范围、提高数据速率和降低时延扩展以及降低通信网络的业务本钱。

LTE标准化进程分成两个过程，第一个过程是从2004年12月到2006年9月的研项目(Study Item, SD过程，这期间主要完成的工作是进行技术的可行性研究以及提交各种研究报告。第二个过程是2006年9月到2007年6月的工作项目(Work Item, WD过程，这期间的重要工作是完成核心技术的规范化和标准化编制。LTE计划在2009年到2010年开始在市场上推出成熟的商用产品。

LTE项目工作由TSG RAN( Technical Specification Group Radio Access Network,技术规范组无线接入网络)工作组发起，LTE项目的空中接口物理层技术可行性研究由RAN1工作组负责，协议的可行性研究由RAN2工作组负责，无线接入网的网络架构及接口可行性研究由RAN3工作组负责。TSG RAN负责总结和整理这些工作组的研究结果作为LTE的阶段性成果。

LTE与传统移动通信系统相比，首要区别是LTE系统只有分组域，没有电路域，其话音业务将由VOIP(Voice over Internet Protocol，互联网语音协议)实现。另外，LTE系统能够支持多媒体广播与多播(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)技术。

2005年的TSG RAN #30会议上基本确定了LTE的上行物理层主要集中在对SC-FDMA的研究上，从而达到使终端发射的峰值平均功率比（peak-to-Average Power Ratio, PAPR)得以降低，减少终端体积和降低成本的目的。下行物理层则主要集中在正交频分复用多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)的研究，从而有效地提高了频谱效率[11]。上下行链路分别采用这两种技术，可以很好地发挥各自的优势。

1.2本文的研究内容和篇章结构

本文主要是对OFDMA和SC-FDMA这两种多址接入方案的对比研究。接下来论文的组织安排如下：第二章中对正交频分复用（OFDM）技术进行简单介绍，在第三章中对OFDMA原

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理以及优缺点进行介绍。接下来，在第四章中，将介绍SC-FDMA技术的分类、特点以及实现方式等内容。第五章则是OFDMA技术与SC-FDMA技术做一个简单的比较，利用Matlab对SC-FDMA和OFDMA的PAPR特性与误码性能进行研究，并对仿真结果进行分析比较。最后，在第六章中，将给出一些总结。

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2 OFDM技术简介及原理

2.1 OFDM技术简介

未来的无线多媒体业务首先要求较高数据传输速率，同时又要求较高的质量保证，这就要求所采用的调制解调技术不仅信元速率要高，还要求码元周期要长。基于这样的考虑，产生了OFDM技术。

OFDM的重要思想是：将传输信道分为若干正交子信道，并通过串并转把高速的数据符号流变换成并行的低速子数据流，进而调制到子信道上进行传输。通过接收端的相关技术接收处理后的正交信号，降低了子信道之间的载波干扰（Inter-Carrier Interference, ICI)。而且把原信道带宽划分成若干个子信道带宽而变窄，从而更有利于实现信道均衡。OFDM调制用IFFT来实现，接收端要用FFT来完成。

2.2 OFDM系统的算法和工作原理

OFDM系统模型如图2-1所示：[3]

信元（二进制数据） 信号映射 串并转换 IF F T 插入循环 串并转换 数模变换 恢信（进复号二制信号解映射 串并转换 均衡 AWGN 去掉循环 串并转换 数模变换 信道 F FT

图2-1 OFDM系统模型

设R为输入数据信元的速率，经由串并转换后，划分成N个并行的子数据流，每个子数据流的速率为R/N，将每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组上的比特的数量由对应子载波上的调制方式决定，如PSK, QAM等。N个并行的子数据信元进行IFFT(Inverse Fast Fourier Transform，快速傅立叶逆变换)，将频域信号转换为时域信号，IFFT输出的是N个时域样点，再将长度为Lp的循环前缀(Cyclic prefix, CP)加到N个样点前，形成循环扩展的OFDM信元，因此，实际发送的OFDM信元的长度为Lp十N，经过并串转换后去掉CP，当CP长度大于信道的记忆长度时，码间干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)仅影响CP，而不影响传输的有用数据，如果去掉CP也就彻底去消除了ISI的影响。由于CP使信号与信道响应的线性卷积变成循环卷积，进而接收机的设计简化了，进而，进行FFT变换且应用单抽头均衡器便可。

在传统的OFDM系统中，设输入到IFFT模块的频域数据符号为{x(k)} ，IFFT 模块输出的时域数据符号为{x(n)}；n，k∈[0，N-1]

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x(n)?IDFT{X(k)}??????????X(k)ek?0N?1j2?knN （2—1）

时域数据符号{x(n)}加上循环前缀经过多径衰落信道{h(n)}。在接收端处 理后，去掉接收信号的循环前缀，得出{y(n)}

y(n)?x(n)?h(n)?v(n) （2—2）

其中{v(n)}为加性高斯白噪声(AWGN)。 对{y(n)}做DFT变换

Y(k)?DFT{y(n)}1N?1?????????y(n)e?j2?kn/N （2—3） ?Nn?0?????????X(k)H(k)?V(k)此中，{V(k)}是高斯白噪声{v(n)}的傅里叶变换，{H(k)}是信道的频域响应函数。 OFDM在频域内把给定的信道分为多个正交子信道，在每个子信道上使用单个子载波都进行调制，并行传输各个子载波。经典的OFDM子载波频谱，如图2-2。

图2-2 OFDM子载波频谱

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3. OFDMA技术

3.1 OFDMA技术简介

因为正交频分复用（OFDM) 可以很好地降低无线传输环境中的频率选择性衰落，获得很高的频谱利用率，OFDM十分适用于无线宽带信道下的高速传输。通过给不同的用户分配子载波，OFDMA提供了自然的多址方式。因为可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提升性能来解决用户间信道衰落的独立性的问题，来达到服务质量（Quality of Service，QOS）的要求。目前，OFDMA已被广泛研究，并成为3GPP LTE的下行链路的多址方案。

T[d0,d1,...dM?1]假设一个用户的传输信号分配了M个子载波可用：D=来表示，用T表

示矩阵转置，用di代表调制信号。

经快速傅立叶反变换（IFFT）调制后，其中，信号向量S=

?FNTN,MD，TN,M代表子载波

?FN分配的映射矩阵，其元素是表示子载波的分布式或者集中式分配。是N点IFFT矩阵，*

代表共轭转置，并且FN?[f1T,f2T,...fNT]T。

经过衰落信道和快速傅立叶变换（FFT）信号处理后，频域的接收信号可以作如下表达：R=H

R?HTN,MD?n，其中H?diag(Hk)，HK是第k个子载波上的频域响应；n 是高

TR?[r(0),r(1)??????r(N?1)]斯噪声向量；，r(k)是第k个子载波上的接收信号。

3.2 OFDMA的优缺点

OFDMA将整个频带划分为许多个子载波，从而将频率选择性衰落信道转化为若干平坦

衰落子信道，进而能够有效地对抗无线移动环境中的频率选择性衰落。因为子载波重叠占用频谱，OFDMA可以提供较高的信息传输速率和较高的频谱利用率。通过给不同的用户分配不同的子载波，OFDMA提供了天然的多址方式， 并且由于占用不同的子载波，用户间满足相互正交，没有小区内干扰[4]。

由于OFDMA的时域信号是若干平行随机信号之和，因而容易导致较高PAPR[5]。由于基站端的功率限制相对较弱，可采用较为高昂的功率放大器，所以下行链路中，高PAPR不会带来特别严重的问题。然而，在上行链路中，因为用户终端的功率放大器要求成本低，且电池容量有限，因此PAPR过高将会将降低UE的功率利用率，减小上行的有效覆盖。为避免OFDM的上述缺点，必须降低PAPR。降低OFDM的PAPR 的技术有很多，比如选择性映射、削波和滤波等。已有文献[6]证明了通过削波和滤波，可以将PAPR降低到6 dB以下时，同时对OFDM的性能影响很小，而且带来的复杂度增加也是可以接受的。除了高PAPR外，OFDM还有对频偏和相位噪声敏感、自适应的调制技术使系统复杂度有所增加等缺点[7]。

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4 SC-FDMA技术

本章主要对SC-FDMA的基本原理进行介绍，给出了SC-FDMA系统模型框图，并对它的子载波映射方式、时域信号表示进行阐述，最后对本章进行总结。

4.1 SC-FDMA的基本原理

3 GPP LTE系统中主要讨论两种SC-FDMA多址方案，第一种多址方案是基于DFT扩展的OFDMA，它是SC-FDMA系统的频域实现方式[8];另一种多址方案为交织频分多址，它是SC-FDMA系统的时域实现方式[9]。

SC-FDMA和OFDMA系统发射端与接收端的结构框图如图4-1所示。发射端的和接收端的输入和输出都是复调制符号。实际的系统动态适应调制技术，在弱的信道中采用BPSK，在强的信道中里采用64-QAM[11]，来获得更好的信道质量，。

串并变换 子载波映射 M点IDFT 添加CP/PDAC/RF ???x? lN点DFxn 并串变换 ?~x? l?~xm? M点移除信道 检测 N点子载波逆映射/S-CDMAOFDMARF/ N

这里数据块由N个传输速率为Rsourse的复调制符号构成，N点DFT产生N个频域符号，然后每个符号通过子载波映射到M个子载波上，信道带宽为

Wchannnel?Mf0[HZ]

子载波间隔是f0。 信道的传输速率

Rchannel?MRsource(sps)N

带宽扩展因子Q为

Q?RchannelM?RsourceN

SC-FDMA传输符号的生成如图4-2.Xn(n=0,1,...N-1) 是已调的输入符号，

~Xl(l=0,1,...,N-1)是输入符号的DFT输出,X(l=0,1,...M-1)是子载波映射后的频域表示~形式，Xm(m=0,1,...,M-1)是经过IDFT后的时域信号。

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Xl(n)

??XneN?0N?1?j2?NlN

Xm(l)??Xlei?0M?1j2?mlM

?xn? ~?xl? xl 载DFT 子IDFT 映(N波(M 点) 射点)

图4-2 SC-FDMA传输符号的生成图

???~xm? 添加循环前缀可以抵制由多径传播造成的符号间干扰;脉冲成形的线性滤波是为了减

少带外的信号能量;一些熟知的均衡技术，如最小均方差均衡、判决反馈均衡和Turbo均衡等都可以应用在频域均衡，用来补偿信道失真[10]。

SC-FDMA系统原理为:调制的符号在发射端经离散傅立叶变换，由时域转变到频域，再经子载波映射后，重新变换到时域，然后在信道中发送。信号的接收过程与信号的发射过程相反，接收到的时域信号把它移除循环前缀，再进行M点的DFT，子载波逆映射，频域均衡，N点IDFT，最后在时域进行检测和译码[11]。

4.2 SC-FDMA子载波映射方式

SC-FDMA系统的子载波映射方式有两种:分布式子载波映射和集中式子载波映射[12]。集中式映射，就是输入信号的DFT输出映射到连续的子载波上;分布式映射，就是输入信号的DFT输出映射到离散的子载波上，等间隔地分散到整个系统带宽，中间补偿相同数量的0值，产生一段梳状频谱。图4-3为一个多用户子载波映射分配实例。此中共12个子载波，每个4个子载波构成用户，共包含3个用户。

?xn?

?xl? IFDMA ?xl?OFDMA LFDMA ?x x x x x x x x x 0 0 x 0 0 x 0 x 0 x 0 x 0 x 0 x x x x 0 0 0 0 0123Xl(n) 2? N?1?jNl? XneNN?0，N ?4 0123000120 x3 0 0 1230 0 0 0 1230 0 0 0 频率

图4-3 不同的子载波映射方案实例

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4.3 SC-FDMA的实现形式

单载波信号可以通过集中式的子载波映射或分布式的子载波映射来产生，但实现方式总有时域和频域两种。

4.3.1.时域信号产生

图4-4展示了单载波信号的生成过程，左侧的图是集中式单载波信号的生成过程，右侧的图是分布式单载波信号的生成过程。

分布式单载波信号的时域生成方式生成交织频分多址技术。基本原理:先把一个含有M个符号的串行数据块重复L次，时域数据块的重复就会在频域就形成“梳状频谱”，然后把上行用户的信号进行不同程度的相位旋转，使它在频域上产生不同程度的位移。同一个小区内不同上行用户信号产生不同的频域位移量，就可以避免各用户之间的信号在频域上的重叠，从而实现用户之间的正交多址。接着，在每个符号前插入循环前缀，并对信号进行脉冲成形滤波后发送[11]。

此外，对分布式单载波传输而言，脉冲成形滤波器的带宽相当于“梳子”扩展到的整个带宽(通常指系统的全部带宽)，等于集中式单载波脉冲成形滤波器带宽的L倍。

数据符号 M M （符号数 数据符-M） 块重复 号（符号数-M） 插入不同用户的不同旋转 插入 CP 脉冲形成 L*M 脉冲形成 Localized单载波

Distributed单载图4-4 单载波信号的时域生成

4.3.2 频域信号的产生

SC-FDMA信号的频域生成方法采用DFT-S-OFDM技术，其发射端结构如图2-6所示。 通过这种方式进而行之有效的将布式单载波和集中式单载波分在一个统一的发射机结构中实现。不管是分布式还是集中式单载波，都是由在IFFT模块前添加DFT模块进而实现的，只是在进行DFT变换时子载波经过不同的映射方式。

一个数据块有M个调制符号，其经过DFT变换后，能够形成M个频域上的采样，再通过N(N>M)个点的IFFT,把频域信号转换成所需的单载波时域信号。由此每个终端发射机在输入IFFT的N个子载波中，不仅要在DFT输出的M个子载波，还要在剩余的N-M个子载波上填0.单载波信号的类型由M个信号子载波在所有N个IFF T点中的映射位置确定。发

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射机在把M采样映射到频谱上时，若映射到M个等间隔的离散子载波上，即产生分布式单载波信号;若映射到M个连续的子载波，即产生集中式单载波信号。

不管是分布式还是集中式单载波信号，都要在频域滤波器进行频域成形滤波后才可以进行快速傅立叶逆变换。同时域脉冲成形一样，滤波器的参数配置，取决于系统的设计要求，主要是在PAPR和频谱效率之间得到一个平衡。发送信号的带宽扩展会受到频域成形滤波器滚降的影响。信号的边缘是通过在多余的带宽上填充循环重复的频域子载波，再经过频域成形后形成的。这跟时域成形滤波器中需要进行上采样是等同的。

M 插入 IF映频DF FT 射 域尺寸 形 尺寸 如果映射到连续的子载波，则形成集中式单载

如果映射到离散的子载波，则形成分配式单载

… 图4-5 单载波信号的频域生成方法

对频域生成的单载波系统，首先进行FFT变换，将时域信号转换回频域，然后采用频域均衡纠正信道扭曲，最后通过IDFT还原发射数据。可得到，频域方式实现的单载波传输就是DFT-S-OFDM技术。

4.3.3 两种实现形式的比较

IFDMA与DFT-S-OFDMA分别可以生成SC-FDMA的时域和频域信号。下面对IFDMA与DFT-S-OFDMA方案进行一个简单的总体性能比较[13]： 1）IFDMA

① 发射机实现方式简单；

② 能够供给更多的频率分集； ③ 用户间干扰相对紧张； ④ PAPR比较低。 2）DFT-S-OFDM

(1)集中式DFT-S-OFDM信号 ① 频率分集成效较差； ② 用户间干扰较轻；

③PAPR比IFDMA要高，但是低于OFDMA。 (2)分布式DFT-S-OFDM信号

① PAPR性能与传统OFDM相近；

② 频率分集效果比较好；

…

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5 SC-FDMA与OFDMA的比较

SC-FDMA在保持了OFDM的优点的基础上，又较好地降低了峰均功率比（PAPR）。同DFT-S-OFDMA系统相比较，可知OFDMA系统少了DFT模块，因此DFT-S-OFDMA称为DFT扩展的正交频分多址。

DFT-S-OFDMA和OFDMA系统相似之处：

——都是基于块的调制

——把传输带宽分成较小的子载波 ——插入循环前缀以抵抗块干扰 ——都进行频域信道均衡 不同之处为[15]：

OFDMA系统发射的信号是多个子载波信号叠加，同DFT-S-OFDMA相比，具有很高PAPR。从接收端检测来看，OFDMA对数据的检测是在频域上进行的，而DFT-S-OFDMA对数据的检测是在时域上进行的。

其次，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PAPR特性。当子载波均匀映射在系统子载波上时，SC-FDMA具有和输入信号完全一样的PAPR[16]。

图4-6[17]是OFDMA和SC-FDMA在传输QPSK符号序列时的对比。

图4-6 OFDMA和SC-FDMA传输QPSK符号

由图4-6可以看出，OFDMA每个子载波并行传输四个QPSK数据符号，而SC-FDMA每个QPSK符号占据N*15KHz的带宽，以四倍的数据速率传输。因此，可以很明显地看出，OFDMA是多载波，而SC-FDMA更像是单载波。

5.1 峰值平均功率比

正交频分多址的一个重大缺陷是有可能经历大量峰值，这因为由于它是n个独立复杂变量之和，信号显示的是一个随机变量，这些不同的运送者可能在某一瞬间排成一排，因此产成一个被峰均功率比量化的高峰。

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如果发射机包含非线性组件如功率放大器(PAS)，这就扭曲了传输信号，因为功率放大器在非线性区域是被迫操作，非线性效应可能导致带内或带外信号失真如光谱扩散,互调,或改变信号星座。

即使带内失真是可以忍受的带外失真也是有害的，为了无失真传播，功率放大器需要一个约等于峰均功率比的补偿。这不仅增加了成本，而且降低了功率放大器的效率，高峰均功率比通常需要高精度和范围的数字模拟转换器(DAC)和模拟-数字转换器(ADC)结果，减少了峰均功率比的实际利益

给予传输功率效率和峰均功率比之间的理论联系通过：

???max10PAPR20

当η为功率效率，?max为最大功率效率，则A类功率放大器的最大功率效率和功率效率分别是B类功率放大器的50%和78.5%

若X是长度N的数据向量，发射机中的时域矢量为X0=[X0,...,Xn-1].则峰均功率比值定义为[18]

PAPR?x?=XEX2?22??/N

E(·)表示期待.??和?2分别代表了无穷范数和二范数。因此?2=?2代表平均功率。当n增大时。输出时间矢量集中成正态分布，导致中心极限定理，因此峰均功率比高于阀值的概率被写成

不同于正交频分多址，峰均功率比的统计特性单载波调制并不容易分析。我们因此采取数值分析探讨峰均功率比。为了更好地描述PAPR特性，我们引入互补累计分布函数（CCDF）。CCDF是为了表示OFDM系统中的峰均值PAPR的统计特性互补累计分布函数所引入的概念，其定义为多载波传输系统中峰均值超过某一门限值z的概率。相当于PAPR的一种度量。

和正交频分多址相比，单载波频分多址最显著的优势就是有较低的峰均功率比，因为其固有的单一载体结构。较低的峰均功率比在移动终端为发射机的上行链路中传输中是极有益的，根据子载波映射方案，单载波频分多址的调制信号的时域样本是不同的。我们能通过不同的子载波映射方案预计不同峰均功率比的特征。

Pr?PAPR????1??1?e???N5.2仿真结果

5.2.1不同调制方式下OFDMA和IFDMA系统PAPR性能仿真

本小节将对OFDMA和IFDMA系统的PAPR性能进行仿真。具体的仿真参数见表5-1。

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河北大学工商学院14届本科生毕业论文（设计） 表5-1 OFDMA和IFDMA系统的PAPR性能仿真参数

参数 系统 子载波总数 块大小（符号数） 调制方式 编码估计方式 滤波器类型 迭代次数

数值 OFDMA/IFDMA 512 16 Q-PSK&16QAM 理想信道估计未编码 升余弦滤波器 10000 图5-1是Matlab仿真环境下，OFDMA和IFDMA系统PAPR的CCDF曲线。

100 16QAM-OFDMAQ-PSK-OFDMA16QAM-IFDMAQ-PSK-IFDMA10-1CCDF10-210-310 1-423456PAPR(dB)7891011

图5-1 OFDMA与IFDMA系统不同调制方式下PAPR

由上图仿真曲线可以看出，无论采用何种调制方式，IFDMA系统都比OFDMA系统有比较明显的PAPR优势。OFDMA系统中采用QPSK和16QAM两种调制方式下的PAPR性能相差很小。而对IFDMA系统而言，采用QPSK调制方式性能要略优于采用16QAM调制。因此3GPP最终采用SC-FDMA作为LTE上行多址接入方案，其较低的峰均功率比使得用户终端的电池寿命大大增加，同时终端设备的复杂度降低，实现手机制造商和用户双赢。

5.2.2不同子载波映射方式下的SC-FDMA系统PAPR性能仿真

SC-FDMA根据子载波映射方式的不同可分为LFDMA和DFDMA。其中IFDMA是一种特殊的分布式映射系统。本小节将对IFDMA、LFDMA、DFDMA以及OFDMA系统的PAPR进行分析研究。具体的仿真参数见表5-2。

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表5-2 SC-FDMA系统PAPR性能仿真参数

参数 系统 子载波总数 块大小（符号数） 调制方式 编码估计方式 滤波器类型 迭代次数

图5-2是上图仿真参数下的仿真结果。

100数值 OFDMA/IFDMA/DFDMA/LFDMA 512 16 16QAM 理想信道估计未编码 升余弦滤波器 10000 IFDMALFDMADFDMAOFDMA10-1CCDF10-210-310 2-43456PAPR(dB)78910

图5-2 SC-FDMA系统不同子载波映射方式下的PAPR

由上图仿真曲线可以看出，SC-FDMA系统无论采用何种子载波映射方式，都比OFDMA系统有比较明显的优势。三种子载波映射方式中，IFDMA的PAPR性能最好。当调制方式为16QAM时，IFDMA系统PAPR最大为7.8dB，LFDMA系统为8.2dB左右，DFDMA系统为8.5dB。

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6 结论

正交频分多址（OFDMA）是一种把OFDM自然延伸成同时为多个用户服务的多址方案。OFDMA能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落，但由于OFDMA信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，因此会产生较高的发射峰均功率比(PAPR)，在上行不宜采用OFDMA 技术。单载波频分多址（SC-FDMA）方案是可供选择的访问方案之一，相比OFDMA的高PAPR，它降低了PAPR。两项方案的关键区别是在SC-FDMA的发射端存在额外的离散傅里叶变换（DFT）。因此，SC-FDMA有时被称为DFT扩展或DFT预编码OFDMA。

本文对3GPP LTE的多址技术的发展和现状进行了一些了解。然后介绍了正交频分复用(OFDM)技术的原理及特点，研究了OFDMA与SC-FDMA多址接入技术原理，并对两种多址接入技术的传输特点进行了分析比较，并研究了SC-FDMA的不同实现形式并进行了比较。基于Matlab研究了OFDMA与SC-FDMA的PAPR，得出了SC-FDMA具有低PAPR，并对不同子载波映射方式下的SC-FDMA系统的PAPR进行了仿真，得出IFDMA的PAPR性能最好。基于Matlab研究了不同信道模型下SC-FDMA系统误码性能，仿真证明集中式映射比分布式映射具有更高的抗频偏、抗噪声能力。

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参考文献

[1] 高蕊.LTE物理层上行关键技术研究[D].西安:西安科技大学，2009,15-18. [2] 仲崇祥，武刚.S C-FDMA关键技术研究[J].电子科技大学，2007，6-33.

[3] Zou.W.Y. and Yiyan Wu. COFDM: An overview. IEEE Trans. on Broadcasting, 1995, 41(1):1-8. [4] 王勇3GPP LTE 中的OFDMA 和SC-FDMA 性能比较[J]．中兴通讯技术，2007， 13(4)：39～42. [5] 3GPP TSG-RAN Working Group 1．TR 25．814，Physical Layer Aspects for Evolve UTRA(Release

7)2006．

[6] 3GPP R1-05079． PAPR reduction for TDD uplink OFDMA [S] ．2005． [7] Tsealld D，Viswanath P．Fundamentals of Wireless Comlnunieation．Cambridge University Press，2005． [8] Frank T, Klein A, Costa E. IFDMA: A Scheme Combining the Advantages of OFDMA and CDMA [J].

IEEE Wireless Communications, 2007, 14(3): 9-17. [9] 张曦林，刘海涛，李道本.高速率的符号干扰传输及其编码的检测译码[[J].北京邮电大学学报，2007,

30 (6): 60-64. [10] 彭大芹，唐靓，陈娜等.SC-FDMA两种映射方式的PAPR比较分析[[J].电子测试，2009, 36(3): 26-29. [11] 李大军，刘伟.SC-FDMA系统中PAPR的降低和信道依赖调度[D].河南科技大学，2011，11-19. [12] 黎正航，张燕翔.抗干扰通信同步方案[fJl.电讯技术2004, 37(3): 147-151. [13] 沈嘉，索世强．3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计．北京：人民邮电出版社，2008年第一版. [14] Hyung G． Myung．Single Carrier Orthogonal Multiple Access Technique for Broadband Wireless

Communications，January 2007：23～45. [15] 陈娜，郑建宏．LTE上行多址接入技术PAPR研究．电子测试，2009：27～30. [16] 李菊林，张捷．LTE 中SC-FDMA 系统实现及性能分析．通信技术，2009：68～69. [17] 3GPP LTE：Introducing Single-Carrier FDMA. [18] 张鑫．3GPP_LTE物理层上行链路技术研究．南京：东南大学．2007：7～11.

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