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【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終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
【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終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