OFDM是LTE物理層最基礎的技術。MIMO、頻寬自適應技術、動態資源排程技術都建立在OFDM技術之上得以實現。LTE標準體系最基礎、最複雜、最個性的地方是物理層。

1.OFDM

正交頻分複用技術，由多載波技術MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調製）發展而來，OFDM既屬於調製技術，又屬於複用技術。採用快速傅立葉變換FFT可以很好地實現OFDM技術，在以前由於技術條件限制，實現傅立葉變換的裝置難度大，直到DSP晶片技術發展，FFT技術實現裝置成本降低，OFDM技術才走向高速數字行動通訊領域。首批應用OFDM技術的無線制式有WLAN、WiMax等。

1.1 OFDM和CDMA

多址技術是任何無線制式的關鍵技術。LTE標準制定時面臨的兩大選擇是CDMA和OFDM。不選擇CDMA的原因如下：

• 首先CDMA不適合寬頻傳輸，CDMA相對於GSM不過是增加了系統容量，提高了系統抗干擾能力。但CDMA在大頻寬時，擴頻實現困難，器件複雜度增加。所以WCDMA不能把頻寬從5MHz增加到20MHz或更大。假如未來無線制式支援100MHz，CDMA缺點更大，但OFDM不存在這個問題。
• 其次CDMA屬於高通專利，每年需要向其支付高額專利費用。
• 最後，從頻譜效率上講，在5MHz頻寬時兩者頻譜效率差不多，在更高頻寬時，OFDM的優勢才逐漸體現。

使用CDMA無法滿足LTE制定的頻寬靈活配置、時延低、容量大、系統複雜度低的演進目標，OFDM是真正適用於寬度傳輸的技術。

LTE採用OFDM，空中介面的處理相對簡單，有利於設計全新的物理層架構，有利於使用更大的頻寬，有利於更高階的MIMO技術實現，降低終端複雜性，方便實現LTE確定的演進目標。

1.2 OFDM本質

OFDM本質上是一個頻分複用系統。FDM並不陌生，用收音機接收廣播時，不同廣播電臺使用不同頻率，經過帶通濾波器的通帶，把想要聽的廣播電臺接收下來，如圖所示。

1G、2G、3G都用到FDM技術，將整個系統的頻帶劃分為多個頻寬互相隔離的子載波；接收端必備器件是濾波器，通過濾波器，將所需的子載波資訊接收下來。

通過保護頻寬隔離的不同子載波，雖可以避免不同載波的互相干擾，但犧牲了頻譜利用效率。另外當子載波數成百上千時濾波器的實現就非常困難了。

OFDM雖然也是一種FDM，但它客服了傳統FDM頻譜利用率低的缺點，接收端也無需用濾波器去區分子載波。

OFDM就是利用相互正交的子載波來實現多載波通訊的技術。在基帶相互正交的子載波就是類似sinwt，sin2wt……和coswt，cos2wt，cos3wt……的正弦波和餘弦波，屬於基帶調製部分。基帶互相正交的子載波再調製到射頻載波ωc上，稱為可以發射出去的射頻訊號。

在接收端，將訊號從射頻載波上解調下來，在基帶用相應的子載波通過碼元週期內的積分把原始訊號解調出來。基帶其他子載波訊號與訊號解調所用的子載波由於相互正交，在一個碼元週期內積分結果為0，所以不會對資訊的提取產生影響。

整個OFDM調製/解調過程如圖所示。

在時域上訊號為一個非週期矩形波，在頻域上滿足A=sinc(f)=sinf/f的曲線。假若有很多路不同的方波訊號，在基帶經過不同頻率的子載波調製，形成了如圖所示的基帶訊號頻譜圖，然後經過射頻調製，最終傳送出去的射頻訊號頻譜圖如圖所示。

子載波之間的頻率間隔為OFDM符號週期的倒數，每個子載波的頻譜都是sinc()函式。該函式以子載波頻率間隔為週期反覆的出現零值，這個零值剛好落在其他子載波的峰值頻率處，所以對其他子載波的影響為0。

經過基帶多個頻點的子載波調製的多路訊號，在頻域中是頻譜相互交疊的子載波。由於這些子載波相互正交，原則上彼此攜帶的資訊互不影響。在接收端，通過相應的射頻解調和基帶解調過程，可以恢復出原始的多路方波訊號。

2.OFDM系統實現

2.1 並行傳輸

多徑時延會引起符號間干擾（Inter Symbol Interference，ISI），增大系統自干擾。頻率選擇性衰落易引起較大的訊號失真，需要通道均衡操作，頻寬越大，通道均衡操作越難。

OFDM中，並行傳輸技術可以降低符號間干擾，簡化接收機通道均衡操作，便於MIMO技術的引入。

在發射端，使用者高速資料流進過串/並轉化後成為多個低速率碼流，每個碼流可用一個子載波傳送，並行傳輸技術使每個碼元的傳輸週期大幅增加，降低了系統自干擾。當多徑時延τ比碼元週期大很多時，自干擾較嚴重；相反地，當多徑時延比碼元週期小時，系統自干擾減小。

對於寬頻單載波傳輸，為克服頻率選擇性衰落引起的訊號失真，需要增加複雜的通道均衡操作。使用並行傳輸技術將寬頻單載波轉換為多個窄帶子載波操作，每個子載波通道響應近似沒有失真，接收機的通道均衡操作簡單，極大地降低了訊號失真。

2.2 FFT

使用快速傅立葉變換FFT可以較好地實現正交變換。在發射端，OFDM系統使用IFFT（逆快速傅立葉變換）模組來實現多載波對映疊加過程，經過IFFT模組可將大量窄帶子載波頻域訊號變換成時域訊號，如圖所示。

在接收端，OFDM系統不能用帶痛濾波器來分隔子載波，而是用FFT模組把重疊在一起的波形分隔出來。

總之，OFDM系統在調製時用IFFT，解調時用FFT。

2.3 加入CP

由於多徑時延，導致OFDM符號到達接收端可能帶來符號間干擾（ISI），還可能使得不同子載波到達接收端後，不能再保持絕對的正交性，因此存在多載波間干擾（ICI），如圖所示。

如果在OFDM符號傳送前，在碼元間插入保護間隔，當保護空間足夠大的時候，多徑時延造成的影響不會延伸到下一個符號週期內，從而消除了符號間干擾和多載波間干擾，如圖所示。

OFDM中，使用的保護間隔是CP（Cyclic Prefix，迴圈字首）。所謂迴圈字首，就是將每個OFDM符號的尾部一段複製到符號之前，如圖所示。加入CP，比起純粹的加空閒保護時段來說，增加了冗餘符號資訊，更有利於克服干擾。

CP的作用：

（1）CP作為保護間隔，大大減少了ISI。

（2）CP可以保證通道間的正交性，大大減少了ICI。

3.OFDM引數

與OFDM系統設計相關的引數有三類：與傅立葉變換相關的引數、與頻域資源和時域資源相關的引數。

（1）快速傅立葉變換

OFDM使用FFT及IFFT，實現頻域多個子載波與時域訊號間的對映。FFT是離散傅立葉變換，和他相關的引數有FFT取樣點數NFFT、取樣頻率Fs、取樣週期Ts

取樣點NFFT越大，變換過程中資訊失真越少，但對晶片速度要求越高。

取樣頻率Fs、取樣週期Ts互為倒數。

（2）頻域引數

子載波間隔△f是影響OFDM效能的重要引數，

△f不能設計的過小，過小對抗多普勒頻移的影響能力下降，無法支撐高速移動的無線通訊。也不能設計的過大，過大OFDM符號週期T就會過小，於是為克服子載波間干擾ICI，加入CP的開銷相對於有用符號來說就會過大，使傳送效率受影響。

典型的△f在10-20KHz之間。LTE的子載波間隔為15KHz，而WiMAX子載波間隔為10.98KHz。

取樣頻率Fs與取樣點數NFFT之比就是△f，即△f=Fs/NFFT。

子載波間隔△f和OFDM符號週期T互為倒數，即△f=1/T

△f與可用子載波數目Nc的乘積，即為通道頻寬Bw，即Bw=Nc×△f，但在系統設計時頻寬要留有足夠的餘量，所以Bw要遠大於Nc×△f

（3）時域引數

一個OFDM符號週期TOFDM應包括有用符號週期時間Tu和迴圈字首時間Tcp，即TOFDM=Tu+Tcp

OFDM系統的一個時隙長度Tslot會包括多個OFDM符號週期TOFDM。對於LTE常規時隙來說，一個時隙包括7個OFDM符號週期，即Tslot=7×TOFDM

CP的長度Tcp不能過小，必須能夠大於覆蓋範圍內可能的多徑時延，否則將會造成ISI，同時CP長度Tcp也不能太大，否則冗餘開銷太大，會影響系統的資訊傳送效率。LTE中為適應不同應用場景，設計了多種CP長度

4.OFDM多址接入

LTE的多址接入技術上、下行有別：下行主要是OFDMA技術，上行主要是SC-FDMA。OFDM多址接入的資源有時間和頻率兩個維度。這兩個維度的大小決定了使用者接入資源佔用的多少，也就是說OFDMA其實是TDMA和FDMA的結合。

4.1 OFDMA

LTE下行多址方式是OFDMA，它可滿足LTE頻寬靈活配置和峰值速率的需求。

OFDMA的主要思想是從時域和頻域兩個維度將系統的無線資源劃分成資源塊（Resource Block，RB），每個使用者佔用其中一個或多個資源塊。從頻域角度說，無線資源塊包括多個子載波；從時域上說，無線資源塊包括多個OFDM符號週期。OFDMA本質上是FDMA+TDMA的多址方式。

LTE的空中介面資源分配的基本單位是物理資源塊（Physical RB，PRB）。一個PRB在頻域上包括12個連續的子載波，在時域上包括7個連續的常規OFDM符號週期。LTE的一個PRB對應的頻寬是180KHz，時長為0.5ms的無線資源。如圖所示

LTE的子載波間隔△f=15KHz，所以PRB在頻域上的寬度為12×15KHz=180KHz。

七個連續的常規OFDM符號週期的時間長度為0.5ms，每個常規OFDM符號週期為71.4us。

LTE的下行物理資源可以看成由時域和頻域組成的二維柵格。可以把常規OFDM符號週期和一個子載波組成的資源稱為1個資源單位（Resource Element，RE），一個RB包含的RE數目為：

12×7= 84 RE

即一個RB包含84個RE。

每一個RE資源單位都可以根據無線環境選擇QPSK、16QAM或64QAM的調製方式。調製方式為QPSK時，一個RE攜帶2bits資訊，16QAM時則為4bits，64QAM時為6bits。

LTE支援1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等級別的動態頻寬配置，頻寬的動態配置是通過調整資源塊RB數目的多少來完成的。不同的RB數目又對應著不同的子載波數目，如表所示。

UMTS系統中資源排程的最小單位是時間和碼道組成的資源單元，頻寬資源不能靈活配置。LTE中不存在碼道資源，但頻寬資源可以靈活分配。相對於UMTS系統來說，資源分配的顆粒度更細，資源排程更靈活。資源排程的最小單位是RB，也就是說時間最小的排程單位為0.5ms，頻帶最小的排程單位為180KHz。但在實際應用中，0.5ms的排程週期系統互動過於頻繁，一般選取1ms為最小資源排程單位。

如圖所示為多使用者接入OFDM系統中下行無線資源分配示例。在同一時隙裡，不同的子載波上，可以支援多個使用者接入；同樣的子載波，不同的時隙裡，可以服務不同使用者。

4.2 SC-FDMA

LTE上行多址接入方案為SC-FDMA，因為OFDMA峰均比高，在上行使用會增加終端的功放成本和終端功耗。

SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Access，單載波分頻多重進接）兼有單載波傳輸技術峰均比低和分頻多重進接技術頻譜利用率高的優點。SC-FDMA能夠實現動態頻寬分配，頻譜利用率雖然比OFDMA低一些，但比傳統分頻多重進接高很多。

SC-FDMA的時域和頻域產生方法：

1.頻域的生成方法又稱為DFT擴充套件OFDM（DFT-S-OFDM，離散傅立葉變換擴充套件OFDM）

DFT-S-OFDM是在OFDM的IFFT調製之前對訊號進行DFT擴充套件（DFT處理）,然後進行IDFT，這樣系統發射的是時域訊號,從而可以避免發射頻域的OFDM訊號所帶來的PAPR（Peak to Average Power Ratio）的問題。

2.時域的生成方法又稱為交織OFDM（IFDMA）

DFT-S-OFDM技術是一種調製複用技術，在IFFT處理之前，使用使用DFT可以將時域訊號s(t)轉換到頻域進行擴充套件。然後再經過IFFT模組,又變成時域訊號，然後傳送出去。

類似於OFDM，根據使用者的需求和系統資源排程的結果來分配頻帶資源，每個使用者可佔用系統頻寬中的某一部分。

對每個終端來說，在上行方向，它的DFT模組處理的是單載波訊號，而這個單載波對於網路側來說只是系統頻寬的一部分。對於網路側來說，系統頻寬內可以支援多個這樣頻寬可變的單載波終端接入，如圖所示。

DFT-S-OFDM與傳統單載波技術相比，使用者間無須保護頻寬，不同使用者佔用的是相互正交的子載波，具有較高的頻率利用效率。DFT-S-OFDM系統峰均比遠低於OFDMA，但頻譜效率低些。

集中式頻率分配，即一個使用者的DFT輸出對映到連續的子載波上。這種方式的系統可獲取兩種增益：排程增益、多使用者增益。連續子載波排程給一個使用者比離散子載波排程給一個使用者的信令互動簡單一些，因此有排程增益；不同的使用者通過各自的選擇去傳輸效能較優的子載波，可獲得多使用者分集增益。

分散式頻率分配，即一個使用者DFT的輸出對映到離散的子載波上。由於離散的頻率，其頻率的選擇性衰落特性不同。分散式可以獲得額外的頻率分集增益。缺點是對頻偏敏感，對抗高速移動下多普勒頻移能力差。

4.3 虛擬資源塊VRB

物理資源塊PRB是時域和頻域兩個維度確定的空中介面資源。實際系統分配的時候，並不直接指定PRB，而是指定VRB（Vitual RB，虛擬資源塊）。

VRB定義了資源的分配方式，其大小和PRB一樣，也是一個時隙（0.5ms）和12個子載波。虛擬資源塊和物理資源塊具有相同的資料。

定義VRB的目的是在改變PRB對映關係的時候，無須改變上層資源使用模組的程式，使得系統設計的時候可以分模組進行，降低設計複雜性。

PRB如同教室裡擺放的一排排桌椅，VRB則相當於給這些桌椅上編號。學校分配座位時，只要告訴學生座位編號就可以。我們可以給學生安排不同編號的座位，就可以不用移動座位就實現學生的換位置；或者也可以調整編號和桌椅的對應關係，原來橫排編號改成豎列編號，這樣不通知學生的情況下，座位分配方案就變了。

VRB和PRB分別有自己的資源塊序號。PRB的序號nPRB是按照頻域的物理位置順序編號的；而VBR的序號nVRB是系統進行資源分配時所制定的邏輯序號。VRB和PRB之間根據情況不同，需要定義不同的對映關係，如圖所示。

對於集中式的頻率分配方式，VRB直接對映到PRB，無須定義複雜對映關係。而對於分散式的頻率分配方式，連續VRB序號會對映到不連續的PRB序號上。

5.OFDM特點

5.1 OFDM優點

OFDM通過多個正交的子載波來區分不同通道，並行地承載資料，有以下優點：

首先，頻譜效率高，傳統FDM載波間需要保護頻寬，頻帶利用率不高。OFDM多個正交子載波則可以互相重疊，無須保護頻寬來分離子通道，從而提高了頻譜利用效率。並且高頻寬時頻譜效率比CDMA還高。

其次頻寬可靈活配置，可擴充套件性強：

相對於以往固定頻寬系統，頻段大小可靈活分配，在WCDMA裡上下行都是5MHz頻寬都是配好的不可改變，但在LTE中可能出現某一時刻下行頻寬20MHz上行1MHz頻寬，下一時刻是下行頻寬10MHz，上行頻寬2.5MHz的情況。

相對於以往必須分配連續頻率的系統，頻率還可離散分配，但支援離散頻段的器件實現還較複雜，成本較高。在WCDMA中，所需的5MHz頻寬必須是連續的，而在LTE中假若需要5MHz頻寬時，可以將5MHz頻寬分在不連續的頻率上，如這個頻段分配2MHz，那個頻段上分配3MHz。

頻寬可擴充套件性強也有兩層含義：

（1）頻寬可以很大，目前LTE支援最大頻寬20MHz。

（2）顆粒度可以很小，支援子載波級頻寬分配。

目前LTE支援的頻寬等級：

（1）大頻寬分配：10Mhz，15MHz、20MHz

（2）窄帶頻譜分配：1.4MHz、3MHz、5MHz

再次，系統自適應能力強：頻率自適應、子載波級的自適應調製。OFDM的各個子載波可以根據通道狀況的不同，選擇不同的調製方式，如BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，64QAM等。當通道條件好時採用高階調製方式，而當通道條件差時採用抗干擾能力強的低階調製方式。

最後，OFDM系統抗衰落能力和抗干擾能力得到增強。OFDM採用多個子載波並行傳輸技術，符號週期增大很多，對抗多徑、脈衝噪聲、通道快衰落的能力得到增強。加入迴圈字首CP，降低ISI、ICI。

5.2 OFDM缺點

主要有峰均比高、多普勒頻移（15K子載波）大、時間和頻率同步要求嚴格，小區間干擾控制難度大。

最大的缺點就是OFDM峰均比過高，所要求的系統線性範圍寬。

OFDM符號有多個子載波訊號組成，各個子載波訊號是由不同調制方式分別完成的。OFDM符號在時域上表現為N個正交子載波訊號的疊加。當這N個訊號恰好同相，以峰值相疊加時，OFDM符號將產生最大峰值。該峰值最大可以是平均功率的N倍，儘管峰值功率出現概率較低，但峰均比越大，必然會對放大器的線性範圍要求越高。也就是說過高的峰均比會降低放大器的效率，增加A/D和D/A的複雜性，也增加了傳送訊號失真的可能性。

目前OFDM峰均比抑制的方法主要有：訊號預失真技術、編碼技術、加擾技術等。

多普勒頻移對OFDM系統影響較大，對相位噪聲敏感。對於寬頻載波（數量級MHz）來說多普勒頻移影響不大，對於窄帶子載波（15KHz）來說影響較大，這是OFDM致命的缺點。

OFDM對時間和頻率的同步要求嚴格。時間失步，會導致符號間干擾（ISI）；頻率失步，則類似於頻偏的影響，導致載波間干擾（ICI）。OFDM系統通過設計同步通道、導頻和信令互動，以及CP的加入，目前已經能夠滿足系統對同步的要求。

最後，OFDM系統本身無法提供小區間的多址能力，所以小區間干擾控制難度大。OFDM在抑制小區內的干擾方面，優勢較明顯，但對於小區間的干擾抑制，需要依賴其他技術來輔助抑制，這是OFDM系統目前面臨的最大問題。

LTE採用了OFDM 技術，小區內的使用者是正交的，干擾可忽略，採用同頻組網時，需要考慮小區間干擾，特別是處於小區交疊區域的邊緣使用者干擾嚴重，為了避免小區間干擾採用小區間干擾協調，基本原理就是小區中心使用者可以使用全部頻帶資源，小區邊緣使用者使用部分頻帶資源，通過給不同的小區的邊緣使用者分配不同頻帶資源消除小區間干擾，有靜態、半靜態、動態干擾協調三種方式。

小區間干擾協調（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）是用來解決同頻組網時，小區間干擾的技術。

LTE採用的是正交頻分複用（OFDM），將高速資料調製到各個正交的子通道上，可以有效減少通道之間的相互干擾（ICI）。但是這個正交只限於當前小區內的使用者，而不同小區之間的使用者會存在干擾，特別同頻組網時小區邊緣的干擾非常嚴重。為了消除小區間的干擾，除了採用傳統的加擾、調頻等手段外，還可以採用小區間干擾協調（Inter Cell Interference Coordination，ICIC）技術。

ICIC是為了保證系統吞吐量不下降，以及提高邊緣使用者的譜效率。ICIC的基本思想是通過管理無線資源使得小區間干擾得到控制，是一種考慮多個小區中資源使用和負載等情況而進行的多小區無線資源管理方案。具體而言，ICIC以小區間協調的方式對各個小區中無線資源的使用進行限制，包括限制時頻資源的使用或者在一定的時頻資源上限制其發射功率等。即靜態ICIC的主要方式有2種：

1）部分頻率複用（Fractional Frequency Reuse，FFR）

2）軟頻率複用（Soft Frequency Reuse ）

部分頻率複用（Fractional Frequency Reuse，FFR）

FFR的思想是系統將頻率資源分為兩個複用集，一個頻率複用因子為1的頻率集合，應用於中心使用者排程，另一個頻率複用因子大於1的頻率集合，應用於邊緣使用者排程。