在蜂窩移動通信系統中，多址接入技術（Multiple Access Techniques）用於基站與多個用戶間在無線電廣播信道中建立通信鏈路的一種信號調製方式。多址接入方式決定了信號的生成、傳送和接收形態，並在後續系統物理層和高層關鍵技術選擇和系統整體設計起到最為關鍵的作用，是整個蜂窩系統最為核心和基礎性的技術。
基本介紹
- 中文名：多址傳輸方式
- 套用學科：通信
簡述,1．OFDMA的技術發展回顧,2．OFDMA的基本原理和信號生成方式,3．OFDMA的主要技術優勢,TD-LTE下行多址傳輸,1．多址復用的實現方式,2．TD-LTE下行OFDM參數,TD-LTE上行多址傳輸,
簡述
多址接入技術的基本原理是利用為不同用戶傳送信號特徵上的差異（例如信號傳送頻率、信號出現時間或信號具有的特定波形等）來區分不同用戶。它要求各信號的特徵彼此獨立或相關性儘可能小，使得多個用戶間具有更好的可分性。依據信號在頻域、時域波形以及空域的特徵，多址接入技術基本可分為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）4種方式。在蜂窩移動通信系統中，一般採用這4種方式或混合方式。
由於在蜂窩移動通信系統中的基礎性地位，多址接入技術成為了移動通信技術發展史上用於劃代的代名詞。在第一代模擬蜂窩系統中，典型的多址接入技術為頻分多址；在第二代蜂窩系統中，以GSM為代表的蜂窩系統採用了時分復用的多址接入技術；在第三代蜂窩系統中，三大標準TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000系統都採用了碼分多址技術。在後續的移動通信系統中，正交頻分多址接入技術（OFDMA）成為了最為主要的套用方式。在TD-LTE系統中，多址接入技術在下行方向上採用了OFDM的復用方式，而上行方向，為了確保終端功放的效率，採用了具有單載波峰均比特徵的DFT-s-OFDM多址方式，該多址方式具有很多OFDMA的多址信號處理特徵，且在參數上具有與下行基本相同的設計。
對於頻分多址、時分多址和碼分多址的技術特點，在很多的文獻中已經做了充分的介紹，限於本書篇幅，下面重點對OFDMA多址方式的特點進行簡要介紹。
1．OFDMA的技術發展回顧
OFDMA起源於20世紀40年代的第二次世界大戰時期，早期用於美國軍隊的高頻通信項目，主要技術特點是採用多個並行傳輸信道進行信號傳輸。1966年，Robert W. Chang第一次提出了一種在有限頻寬下並行傳輸多個數據流，並確保各數據流間的無符號間干擾（ISI，Inter-Symbol Interference）和無載波間干擾（ICI，Inter-Carrier Interference）的並行信號傳輸方式，並於1970年獲得了OFDM的第一個專利。
但此時的OFDM多址接入技術在實際系統套用中還存在眾多難以克服的困難。主要表現是：每個子載波需要單獨的信號振盪器用於信號的生成和調製，這對於硬體要求比較高，且由於信號振盪器間的非同步，容易造成子載波間干擾；同時，由於子載波信號的單獨調製和生成，在子載波數量比較大的情況下，基帶信號處理計算複雜度也很高。
隨著OFDM的兩個重要實用化設計方案的提出，為OFDM的大規模套用鋪平了道路。一個是1971年Weinstein和Ebert提出的採用離散傅立葉變換（DFT，Discrete Fourier Transform）進行OFDM信號的調製和解調，使得OFDM各子載波信號的生成只需要一個信號振盪器，從而使得OFDM調製的實現更為簡便。另一個重要設計是Peled和Ruiz在1980年提出了在OFDM各子載波符號中引入的循環前綴（CP，Cyclic Prefix）的設計，從而使得OFDM各子載波調製信號在複雜的傳輸信道中仍然能夠保證正交性。
採用循環前綴的OFDM符號方式如圖3-3所示。在圖中，一個OFDM符號後部的部分信號被複製並放在信號的最前端。相比原有的在OFDM符號間插入空時隙保護間隔方法，插入循環前綴方式使得OFDM符號在接收處理時，信道實現類似於一個具有循環卷積特徵的信號。在信號的多徑不大於CP長度的情況下，保證了在多徑頻選信道中各子載波間的正交性，減少了ICI。
圖3-3 OFDM符號的循環前綴生成示意圖
圖3-3 OFDM符號的循環前綴生成示意圖目前，OFDM多址接入技術已經被套用於無線廣播系統，如DAB（Digital Audio Broadcast）、DVB（Digital Video Broadcast）以及無線區域網路和近距離通信，如IEEE 802.11g/a、802.15.3a等系統，並將在未來的第四代移動通信系統中廣泛套用。
2．OFDMA的基本原理和信號生成方式
OFDMA多址接入方式，本質上仍然是一種頻分復用多址接入技術，不同的用戶被分配在各子載波上，通過頻率資源上的正交方式來區分用戶。傳統的FDMA多址方式中，各子載波間通過一定的頻域間隔來避免載波間的干擾。與傳統的FDMA方式相比，OFDMA的各子載波間通過正交復用方式避免干擾，有效地減少了載波間保護間隔，提高了頻譜利用率。圖3-4給出了傳統FDMA和OFDMA的信號生成方式的區別，從圖中可以看到，在傳輸同等頻寬的數據符號時，OFDMA需要更小的頻寬。
圖3-4 OFDMA與傳統FDMA的頻譜效率比較
圖3-4 OFDMA與傳統FDMA的頻譜效率比較OFDM多址方式的傳送及接收機結構分別如圖3-5和圖3-6所示。以OFDM發射端為例，首先對傳送信號進行信道編碼並交織，然後將交織後的數據比特進行串/並轉換，並對數據進行調製後映射到OFDM符號的各子載波上；將導頻符號插入到相應子載波後，對所有子載波上的符號進行逆傅立葉變化後生成時域信號，並對其進行並/串轉換；在每個OFDM符號前插入CP後，進行數/模轉換並上變頻到發射頻帶上進行信號傳送。接收端信號處理是傳送端的逆過程。
圖3-5 OFDM發射機結構圖
圖3-6 OFDM接收機結構圖3．OFDMA的主要技術優勢
OFDM作為未來無線通信套用的主要多址接入技術，相對於其他多址方式，具有以下幾方面的優勢。
（1）頻譜效率更高。如前所述，相對於傳統的頻分復用技術，各子載波可以部分重疊，理論上可以接近Nyquist極限；同時，由於具有良好的多址正交性，保證較低的用戶間干擾，以OFDM為調製多址方式的系統具有更高頻譜效率。
（2）接收信號處理更為簡單，降低了接收機的實現複雜度。
對於寬頻無線傳輸系統，信號多徑傳輸時延會造成接收信號的頻率選擇特性。頻率選擇信道的相關頻寬與多徑時延的時間彌散長度成反比，多徑時延越大，相關頻寬越小。寬頻系統信號的多徑時延通常為幾微秒至幾十微秒，而一個符號的調製時間卻遠小於信號的多徑時延。例如，對於10MHz頻寬的系統，其調製符號的時間長度為0.1ms。多徑時延長度遠超過調製符號的時間長度，因此存在嚴重的頻率選擇特性。
對於傳統的窄帶無線傳輸系統，由於多徑所帶來的頻選特性並不明顯，一般通過採用時域自適應濾波器來補償衰落信道的損失和減少符號間的干擾。但對於寬頻系統，符號間的串擾將達幾十甚至幾百個符號，如果仍然採用時域自適應濾波器方式來補充信道的損失，這會給接收端帶來很高的複雜度，甚至是不可實現的。
對於OFDM多址的符號調製方式，數據並行地在多個窄帶的子載波上進行傳輸。對於每個子載波，多徑時延對傳輸數據造成的影響並不嚴重，可以採用簡單的自適應濾波器就可以補償信道傳輸帶來的損失。因此，對於寬頻系統，OFDM可以極大地減少接收端的處理複雜度。
（3）支持靈活的頻寬擴展性。由於採用了傅立葉變換的實現方式，採用OFDM多址方式的系統，其頻寬可擴展性非常靈活。例如，對於TD-LTE R8系統支持的1.4～20MHz載波頻寬，不需要為接入每個載波頻寬特別定製一種終端，一個具有20MHz接收能力的終端可以靈活地支持所有頻寬系統，並不會帶來額外的複雜度。
（4）易於與多天線技術結合，提升系統性能。多天線MIMO是未來移動通信提升系統性能和峰值速率的關鍵技術，但對接收端的處理能力也提出了更高要求。在MIMO傳輸過程中，除了前面提到的ISI，還需要考慮多個並行傳輸數據流間干擾。採用OFDM調製，將使得MIMO技術實現更為簡化，為MIMO在寬頻系統中套用提供重要保證。
（5）易於與鏈路自適應技術結合。鏈路自適應技術是提升系統性能的重要保證。鏈路自適應技術要求傳送信號的調製和編碼速率與信道狀態更加匹配，進而使得傳送數據速率逼近信道容量。OFDM的資源分配方式，使其在頻域資源劃分的顆粒度更為精細，並使得相關頻寬內的傳輸數據與信道狀態更好地匹配，可讓用戶選擇信道條件更好的頻域資源塊進行數據傳送，從而更有效地利用鏈路自適應技術提升系統性能。同時，通過在頻域上的多用戶調度，可以獲得明顯的多用戶調度增益。
（6）易於MBMS業務的傳輸。多小區MBMS業務可以為用戶提供更有效的多媒體業務體驗，是未來無線通信系統中重要的業務。對於多小區MBMS業務傳送，它採取不同地理位置的多個基站同時發射相同數據業務，在終端對信號進行合併接收方式。由於地理位置不同，信號到達終端的時間不一致，接收信號的時延更為明顯，通常情況下可達幾十微秒。因此，採用OFDM調製方式，可以克服多徑帶來的時延，使得接收端實現更為簡單，有效地提升MBMS業務的接收性能。
TD-LTE下行多址傳輸
如上所述，由於OFDM多址接入方式具有眾多的優點，在TD-LTE系統中，下行多址採用OFDM方式，其具體實現方案如下。
1．多址復用的實現方式
TD-LTE下行多址採用OFDMA方式，將資源的最小分配單位定義為連續的12子載波，即資源塊（RB，Resources Block）的概念。在整個傳輸頻寬的頻域上將資源劃分為一系列的RB，每個UE可以使用其中一個或多個RB資源用於承載數據。如圖3-7所示，單個用戶可以使用連續或離散的PRB用於數據傳輸，不同用戶通過資源的頻域正交性保證不同用戶之間沒有多址干擾。
圖3-7 下行OFDM資源塊示意圖
圖3-7 下行OFDM資源塊示意圖另外，TD-LTE的調度在時間上以1ms子幀為單位，即不同的子幀可以進行不同的分配。因此，OFDMA方案可以看作將總的資源在頻域和時域上進行劃分，不同的用戶通過頻域或時域的正交性實現多址復用。
2．TD-LTE下行OFDM參數
根據OFDM原理，OFDM參數選擇應該滿足如下3個準則。
準則1：
，其中TCP為CP長度，Td為時延擴展；
準則2：
，其中fdmax為最大都卜勒頻移，Df為子載波間隔；
準則3：
。
準則1說明插入的CP長度應該足夠大，以保證子載波間的ISI降到足夠低的水平；準則2說明子載波間隔要足夠大以保證ICI儘可能小；而準則3說明CP占用的比例應儘可能小以保證一定的頻譜效率。上述3個準則互相影響，需要綜合考慮。
TD-LTE的基本參數配置為
=15kHz，TCP≈5ms。這裡綜合考慮了CP的開銷和對頻率偏差的敏感性。15kHz可以滿足LTE對高移動性（350km/h，最高500km/h）的需求而不必採用閉環的頻率修正算法，以降低實現的複雜度。
5ms的保護間隔基本可以保證城區或絕大多數小覆蓋場景。但為了支持郊區或農村地區的廣覆蓋，TD-LTE也支持另一種擴展CP配置，TECP≈17ms。基站可根據部署場景不同選擇適合的CP參數。
此外，TD-LTE系統還支持多小區的廣播傳輸模式，即所謂的MBSFN（Multimedia Broadcast Single Frequency Network），允許用戶同時接受多小區傳送的信號進行合併處理以提高傳輸性能。這種情況下，若想避免ISI，則要求多個小區傳送的信號的時延不能超過CP的長度，因此需要更長的CP插入。綜合考慮上述3個準則，確定CP長度為33ms，子載波間隔為7.5kHz。
TD-LTE對FFT點數和採樣率沒有特別標準化。但設計參數時考慮兼容30.72MHz的採樣率，因此在標準中最小的時間單位定義為Ts=1/30.72ms，這裡主要的考慮是後向兼容UMTS的3.84Mchip/s的碼片速率。
TD-LTE詳細的下行傳輸參數見表3-1。
表3-1 TD-LTE下行傳輸參數
系統頻寬 | 1.4MHz | 3MHz | 5MHz | 10MHz | 15MHz | 20MHz | |
時隙長度 | 0.5ms | ||||||
子載波間隔 | 15kHz | ||||||
採樣頻率 | 1.92MHz（1/2´3.84MHz） | 3.84MHz | 7.68MHz（2´3.84MHz） | 15.36MHz（4´3.84MHz） | 23.04MHz（6´3.84MHz） | 30.72MHz（8´3.84MHz） | |
FFT點數 | 128 | 256 | 512 | 1024 | 1536 | 2048 | |
占有子載波數（不含直流載波） | 72 | 180 | 300 | 600 | 900 | 1200 | |
PRB個數 | 6 | 15 | 25 | 50 | 75 | 100 | |
每時隙OFDM符號數（常規/ 擴展CP） | 7/6 | ||||||
CP長度（μs） | 常規 | （4.69）´ 6，（5.21）´ 1* | |||||
擴展 | （16.67）´ 6 | ||||||
*註：常規CP時，為了滿足每時隙包含整數個OFDM符號，第一符號的CP長為5.21ms，而其他符號長度為4.69ms。
TD-LTE上行多址傳輸
與基站比較，終端設備對成本更敏感，耗電問題也是人們非常關注的問題。因此TD-LTE下行採用OFDM技術，但上行採用單載波DFT-s-OFDM技術方案，其優勢是具有更低的峰均比，可以降低對硬體（主要是放大器）的要求，提高功率利用效率。OFDM的峰均比問題是近年來的一個研究熱點，有多種降峰均比的方法被提出來。這些方法基本上都會導致額外的處理複雜度或頻率效率的下降，因此也不利於控制用戶終端的成本。DFT-s-OFDM技術既具有低峰均比的性質，也保持了良好的與下行OFDM技術的一致性，例如大部分參數都可以重用，這為實現帶來了簡化。
1．時域與頻域 SC-FDMA方案比較
理論上，單載波的FDMA信號可以在頻域或時域產生，二者從功能上看是等價的，但從頻寬效率來看，因為時域濾波器的爬升滾降時間會有一定損失，因此頻域實現的方式效率更高。
一種時域的實現方式如圖3-8所示，與傳統的單載波傳輸非常類似。
圖3-8 時域SC-FDMA方案
圖3-8 時域SC-FDMA方案TD-LTE上行採用基於DFT的頻域實現方式，即DFT-s-OFDM（Discrete Fourier Transform-spread OFDM），如圖3-9所示。
圖3-9 頻域SC-FDMA方案從圖3-9可以看出，DFT-s-OFDM與OFDM比較，在於信號先經過一個DFT，從時域變換到頻域，再映射到頻域的子載波上，其他處理與OFDM完全一致，保持了非常好的一致性。
從DFT到IFFT的子載波映射有兩種方式可以保持信號的單載波特性。一種是集中式，即DFT產生的頻域信號按原有順序集中映射到IFFT的輸入（見圖3-10（a））；另一種是分散式，即均勻地映射到間隔為L的子載波上，中間的子載波插入L−1個“0”（見圖3-10（b））。
TD-LTE標準最後確定僅採用集中映射的方式實現，從實現的複雜度來看更簡單。對於頻率分集增益的獲得，可以通過子幀內跳頻或子幀間跳頻來實現。
圖3-10 保持單載波特性的子載波映射方式
圖3-10 保持單載波特性的子載波映射方式2．TD-LTE 上行DFT-s-OFDM參數
與OFDM一樣，上行DFT-s-OFDM採用了幾乎一樣的參數：一樣的15kHz的子載波間隔、一樣的CP長度和符號長度。相關參數見表3-2。
表3-2 TD-LTE上行傳輸參數
系統頻寬 | 1.4MHz | 3MHz | 5MHz | 10MHz | 15MHz | 20MHz |
時隙長度 | 0.5ms | |||||
子載波間隔 | 15kHz | |||||
採樣頻率 | 1.92MHz （1/2´3.84MHz） | 3.84MHz | 7.68MHz （2´3.84MHz） | 15.36MHz （4´3.84MHz） | 23.04MHz （6´3.84MHz） | 30.72MHz （8´3.84MHz） |
FFT點數 | 128 | 256 | 512 | 1024 | 1536 | 2048 |
占有子載波數（不含直流載波） | 72 | 180 | 300 | 600 | 900 | 1200 |
PRB個數 | 6 | 15 | 25 | 50 | 75 | 100 |
