【摘 要】TD-LTE上下行传输技术直接决定了用户在移动通信中的感知度。通过对OFDM调制技术、TD-LTE上下行传输技术以及上下行资源映射进行分析，从理论上较为全面地介绍了TD-LTE上下行技术，并提出一些参考性建议。
【关键词】TD-LTE OFDM OFDMA DFT-S-OFDM
1 概述
多址接入是无线蜂窝通信系统中基站与多个终端间通过公共传输媒体建立多条无线信道连接的技术，是无线蜂窝通信系统的关键技术。TD-LTE的多址接入技术具有高速率、低时延和分组优化的特点，既有合理的、可以接受的技术复杂度，又能提供更高的数据速率和频谱利用率，还考虑了上行链路中因终端功率和处理能力的客观限制对峰均比（PAPR，Peak-to-Average Power Ratio）的敏感性。TD-LTE因其采用了多天线信号处理技术，在取得较高频谱效率的同时，也可为较宽频谱带宽提供更多的支持。由于采用快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）可将较大频宽分割成许多较小的正交频宽，采用快速傅里叶逆变换（IFFT，Inverse Fast Fourier Transform）还可重建这些频带，因此可简单地应用于不同频宽。
TD-LTE的下行接入技术正交频分多址（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access），通过给不同用户分配不同子载波，可为更多用户提供正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式的多址接入。一方面，由于用户间信道衰落的独立性，可利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高系统性能，达到较高的服务质量（QoS，Quality of Service）；另一方面，这种把高速数据流分散到多个正交子载波上传输，使单个子载波上的符号速率大大降低，符号持续时间大大加长，对因多径效应产生的时延扩展有较强的抵抗力，可以减少甚至消除符号间干扰（ISI，Inter-Symbol Interference）影响，因此使得OFDMA成为TD-LTE系统区分不同用户的下行接入方式中的最佳多址接入技术[1]。
与基站相比，终端设计对成本和耗电更敏感、也更关注，尤其是TD-LTE的高带宽、高速率和高性能，在为终端提供更为广阔的应用空间的同时，也加剧了终端的成本和耗电的上升。为了满足降低终端功放成本、提高终端功率效率、增加终端处理各类应用软件能力的设备设计目标，TD-LTE系统在无线传输上做了较大改进，使基站的上行多址方式采用单载波频分多址（SC-FDMA）技术。由于作为SC-FDMA单载波系统的扩展离散傅里叶变换正交频分复用（DFT-S-OFDM）技术的单载波传输特性可以较大地降低设备的峰均比，因此可以降低终端的功放设计，这不仅满足终端的设计理念，还使得TD-LTE的上下行传输保持了良好的技术一致性[2]。
2 OFDM调制技术分析[3]
OFDM既是调制技术，也是复用技术，可将一个宽带信道转变为多个并行的相互正交的窄带信道，通过IFFT把需要传输的数据分成多个数据流，将其调制到这些窄带信道对应的子载波上传输。这种正交频分特点能够很好地对抗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，是目前在数据传输中最先进的频率资源复用技术之一，非常适合TD-LTE无线宽带信道下多址接入中的高速传输。
OFDM系统可以通过IFFT来实现调制，每个OFDM符号（OFDMA或DFT-S-OFDM符号）是多个经过调制的子载波信号之和，其中每个子载波的调制方式可以选择相移键控（PSK，Phase Shift Keying）或正交幅度调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）。若用N表示子载波个数，T表示OFDM符号的时间间隔，di（i=0，1，…，N-1）是分配给每个子信道的数据符号，fc是第0个子载波频率，则从t=ts开始的用等效基带信号描述的OFDM符号的输出信号可表示如下：
（1）
其中，ts≤t 图1所示为一个OFDM符号内的4个子载波（红、绿、蓝、黑色曲线分别表示对应的4个子载波波形），其中所有子载波都具有相同幅值和相位，在实际应用中根据数据符号调制方式，每个子载波幅值和相位都可能不同。此外，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍的周期，各个相邻子载波间相差1个周期。因此，各子载波信号之间满足正交性。 OFDM与传统的频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）在频谱图上有非常明显的区别，如图2所示。在OFDM每个子载波的中心频率处，其他子信道频谱值恰好为0，这说明OFDM各子载波信号间的正交性完全可避免子载波间干扰（ICI，Inter-Carrier Interference）的出现。此外，OFDM频谱效率相比传统FDM至少提高了一倍，是因为传统FDM通常需要采用频率保护间隔。因此，OFDM不仅具有较强的抗干扰性，还具有很高的频率利用率。 子载波信号的调制解调过程分析如下： 在发送端，OFDM信号可以用IFFT变换实现调制。根据式（1），令ts=0，t=kT/N，则有： （2） 其中，k=0，1，…，N-1，s（k）即为di的IFFT运算。
在接收端，为了恢复原始数据符号di，可通过FFT变换来对s（k）进行解调，即：
（3）
其中，i=0，1，…，N-1，di即为s（k）的FFT运算。
总之，OFDM系统的调制解调分别由IFFT和FFT代替。发送端通过IFFT把频域数据符号di变换为时域数据符号s（k），经过载波调制后发送到无线信道中；在接收端，接收信号进行相干解调后可将基带信号通过FFT变换获得发送数据符号di。因此，IFFT和FFT可以显著降低运算复杂度，进而加速OFDM系统的调制解调速度。
3 TD-LTE上下行传输技术比较[4]
OFDM系统可给不同用户分配不同的子载波，在下行信道OFDMA技术提供了天然的多址方式，在上行信道因DFT-S-OFDM技术具有较低的PAPR，可以大幅度降低终端功放成本。下面将分析OFDM系统的上下行传输技术的基本原理。
3.1 TD-LTE下行OFDMA基本原理
OFDMA把整个频带分割成许多子载波，将频率选择性衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，从而能够有效地抵抗无线移动环境中的频率选择性衰落。由于子载波重叠占用频谱，OFDM能够提供较高的频谱利用率和信息传输速率。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，因占用不同的子载波，用户间满足相互正交，故没有小区内干扰。由于OFDMA同时支持分布式和集中式子载波分配模式（子载波映射），可以利用不同子载波的频率选择性衰落的独立性获得分集增益。OFDMA下行链路系统简图如图3所示：
根据式（1），一个分配了M个子载波的用户的传输信号可表示为D=[d0，d1，…，dM-1]T，其中T是矩阵转置，di是调制信号。经过IFFT调制后，信号向量S=FN*TN，MD，其中TN，M代表子载波分配的映射矩阵，其元素是表达子载波的分布式或集中式分配；FN*是N点的IFFT矩阵，*代表共轭转置，并且FN=[f1T，f2T，…， fNT]T，其元素：
（4）
经过衰落信道和FFT信号处理后，频域的接收信号可以作为如下表达式：R=HTN，MD+n，其中H=diag（Hk）是主对角线上元素，Hk是第k个子载波上的频域响应；n是高峰期噪声向量；R=[r（0），r（1），…， r（N-1）]T，r（k）是第k个子载波的接收信号。由于OFDM的时域信号是若干平行随机信号之和，因而容易导致高PAPR。基站端的功率相对较弱，并可用较昂贵的功率放大器，所以在下行链路中，较高的PAPR不会带来太大问题。
3.2 TD-LTE上行DFT-S-OFDM基本原理
结合动态带宽分配的单载波传输技术的DFT-S-OFDM主要优势是具有较低的PAPR，正好满足终端功率放大器对低成本、低功耗和技术含量不高的要求。DFT-S-OFDM是OFDM在IFFT调制前进行了DFT预编码。在上行链路中，没有加循环前缀的传输信号可以表示为：S=FN*TN，MFMD，其中FM是M点的DFT。DFT-S-OFDM同样具有集中式和分布式两种模式，与OFDMA不同的是，DFT-S-OFDM的子载波映射只采用集中模式。DFT-S-OFDM上行链路系统简图如图4所示：
若设m1，m2，…，mM表示M个不同的调制器传输的比特数，f1，f2，…，fM表示N点IFFT的M路输入。在发送端，先对块长为M的调制信号进行M点DFT信号处理，再根据子载波映射模式将M点DFT的输出信号映射到N个子载波上，经过IFFT将信号转变为时域信号之前，可以进行频域脉冲成型。与时域脉冲成型类似，频谱成型可以在频谱的利用率和PAPR间折衷，如果滚降伏系数大于0，则使频谱扩张，这与时域脉冲成型要求的采样率相对应。在去掉保护间隔和N点FFT处理后，频域的接收信号为R=HTN，MFMD+n，此时DFT-S-OFDM也能在频域进行均衡。
由图3、图4可知，上行DFT-S-OFDM只比下行OFDMA多了一个DFT变换，这个DFT没有调制意义，而是时频域变换的预编码，其他部分上下行链路结构具有高度的技术一致性。众所周知，OFDM技术之所以能够在TD-LTE系统中应用，主要是IFFT/FFT技术和循环前缀CP技术的引入。从图中不仅看到了作为调制技术的IFFT与解调技术的FFT、作为CP技术的加CP与去CP在上下行链路中的应用，更重要的是还看到了基站与终端间的上下行链路的互逆全过程。
4 TD-LTE上下行资源映射分析[5]
峰均比是一种对波形的测量参数，为C=|xpeak/xrms|。对于单载波，xpeak是单载波的峰值，xrms是单载波的有效值；对于多载波，xpeak是所有载波叠加在一起的峰值和，xrms是所有载波的平均值。显然在一般情况下，N载波的峰均比约为单载波的N倍，这说明在通信系统的调制技术和多载波技术中都有可能带来较大的峰均比，而较大的峰均比会影响很多射频器件的应用效率。因此，降低设备特别是终端设备的峰均比有着非常重要的实际意义。
图5所示是OFDMA和SC-FDMA（即DFT-S-OFDM）在资源映射方面的示意图。OFDM在时域和频域同时载荷信息，在时域上以OFDM符号为单位，在频域上以子载波为单位。对于下行链路的OFDMA技术，频域单位的子载波的带宽定义为15kHz，时域单位是OFDMA符号；对于上行链路的SC-FDMA技术，频域单位的子载波的带宽是下行链路中某个用户占用的所有子载波带宽之和，如下行链路中某个用户占用的子载波数是N个，则上行链路频域单位的子载波的带宽为（15×N）kHz，时域单位是SC-FDMA符号，但在1个SC-FDMA符号内可以处理N个调制信号。因此，可保证某用户在通话时下行与上行信息的正常同步。
为方便分析，可设某用户在下行通信时分配了4个子载波，每个子载波为15kHz，4个子载波占用的带宽为60kHz。对于OFDMA，每个调制信号在频域上占用一个子载波频带、时域上占用一个OFDMA符号，即在一个OFDMA符号内占用了4个调制信号或资源粒子。对于SC-FDMA，最初的调制信号也占用4个子载波频带，但因是单载波，每个SC-FDMA符号对应的子载波在频域上占用了原OFDMA符号对应的4个子载波的频带，使其从原来的15kHz变成了60kHz，为了完成这4个调制信号，在时域上将每个调制信号压缩为原来OFDMA符号的四分之一，从而时域上在原有一个SC-FDMA符号宽度内可处理4个调制信号或资源粒子。需要指出的是，图5中所示的SC-FDMA的60kHz子载波是4个15kHz子载波的包络，在这60kHz的子载波包络中仍然有4个15kHz的子载波，只是这4个子载波载荷的是同一个调制信号。
显然，用户在通信过程中通过上下行传输完全可以将所占用的通信资源正常收发，因为它在同一个时域和频域内完成了4个调制信号的上下行调制，说明系统的上下行传输是完全等价的。在上行调制中，由于频域内的子载波带宽已变成原来的4倍，即4个子载波转化成一个原子载波带宽4倍的载波，因此SC-FDMA的峰均比只有OFDMA的四分之一，可以有效地降低上行设备的发射功率。
5 总结
本文从理论上较为详细地分析了TD-LTE上下行链路的技术和原理。从功能框架结构图上，可发现TD-LTE的上下行功能虽然有较大区别（下行是多载波传输，上行是单载波传输），但上下行技术结构却没有多少不同，仅仅是上行要比下行多增加一道DFT预编码处理过程。由于DFT预编码位于PSK或QAM调制与子载波映射之间，因此在对上行传输维护时，宏观上可以参考下行传输情况与之比对。
显然，不能采用上下行传输技术完全对称的GSM方法来简单地分析TD-LTE的上下行传输技术，从微观上看，TD-LTE的上下行传输技术还有许多的不同，至少从资源映射方面就完全不一样。IFFT、FFT、DFT模块都是成熟技术，由于DFT算法的复数乘法次数是N2，所以从运算速度来看，存在IFFT>DFT、FFT>DFT的关系。如果能将预编码DFT模块改为FFT模块，则可以提高上行传输的运算速度，因为在计算数学的算法理论上，离散傅里叶变换DFT与快速傅里叶变换FFT除了运算速度不同外，其他没有多大区别。
参考文献：
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[2] 郭勇，董常富，徐辉. LTE上行多址接入系统DFT-S-GMC和DFT-S-OFDM性能研究[J]. 中国新通信， 2009（11）： 11-14.
[3] 胡芬芬. DFT-S-OFDM系统中峰均比和子载波映射技术研究[D]. 南京： 东南大学， 2007.
[4] 王勇，刘光毅，张建华. 3GPP LTE中的OFDMA和SC-FDMA性能比较[J]. 中兴通讯技术， 2007（4）： 39-42.
[5] Moray Rumney. 3GPP LTE： Introducing Single-Carrier FDMA[EB/OL]. [2012-03-01]. http：///p-083715703655.html.
