在蜂窝移动通信系统中，多址接入技术（Multiple Access Techniques）用于基站与多个用户间在无线电广播信道中建立通信链路的一种信号调制方式。多址接入方式决定了信号的生成、发送和接收形态，并在后续系统物理层和高层关键技术选择和系统整体设计起到最为关键的作用，是整个蜂窝系统最为核心和基础性的技术。

多址接入技术的基本原理是利用为不同用户发送信号特征上的差异（例如信号发送频率、信号出现时间或信号具有的特定波形等）来区分不同用户。它要求各信号的特征彼此独立或相关性尽可能小，使得多个用户间具有更好的可分性。依据信号在频域、时域波形以及空域的特征，多址接入技术基本可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）4种方式。在蜂窝移动通信系统中，一般采用这4种方式或混合方式。

由于在蜂窝移动通信系统中的基础性地位，多址接入技术成为了移动通信技术发展史上用于划代的代名词。在第一代模拟蜂窝系统中，典型的多址接入技术为频分多址；在第二代蜂窝系统中，以GSM为代表的蜂窝系统采用了时分复用的多址接入技术；在第三代蜂窝系统中，三大标准TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000系统都采用了码分多址技术。在后续的移动通信系统中，正交频分多址接入技术（OFDMA）成为了最为主要的应用方式。在TD-LTE系统中，多址接入技术在下行方向上采用了OFDM的复用方式，而上行方向，为了确保终端功放的效率，采用了具有单载波峰均比特征的DFT-s-OFDM多址方式，该多址方式具有很多OFDMA的多址信号处理特征，且在参数上具有与下行基本相同的设计。

对于频分多址、时分多址和码分多址的技术特点，在很多的文献中已经做了充分的介绍，限于本书篇幅，下面重点对OFDMA多址方式的特点进行简要介绍。

OFDMA起源于20世纪40年代的第二次世界大战时期，早期用于美国军队的高频通信项目，主要技术特点是采用多个并行传输信道进行信号传输。1966年，Robert W. Chang第一次提出了一种在有限带宽下并行传输多个数据流，并确保各数据流间的无符号间干扰（ISI，Inter-Symbol Interference）和无载波间干扰（ICI，Inter-Carrier Interference）的并行信号传输方式，并于1970年获得了OFDM的第一个专利。

但此时的OFDM多址接入技术在实际系统应用中还存在众多难以克服的困难。主要表现是：每个子载波需要单独的信号振荡器用于信号的生成和调制，这对于硬件要求比较高，且由于信号振荡器间的非同步，容易造成子载波间干扰；同时，由于子载波信号的单独调制和生成，在子载波数量比较大的情况下，基带信号处理计算复杂度也很高。

随着OFDM的两个重要实用化设计方案的提出，为OFDM的大规模应用铺平了道路。一个是1971年Weinstein和Ebert提出的采用离散傅里叶变换（DFT，Discrete Fourier Transform）进行OFDM信号的调制和解调，使得OFDM各子载波信号的生成只需要一个信号振荡器，从而使得OFDM调制的实现更为简便。另一个重要设计是Peled和Ruiz在1980年提出了在OFDM各子载波符号中引入的循环前缀（CP，Cyclic Prefix）的设计，从而使得OFDM各子载波调制信号在复杂的传输信道中仍然能够保证正交性。

采用循环前缀的OFDM符号方式如图3-3所示。在图中，一个OFDM符号后部的部分信号被复制并放在信号的最前端。相比原有的在OFDM符号间插入空时隙保护间隔方法，插入循环前缀方式使得OFDM符号在接收处理时，信道实现类似于一个具有循环卷积特征的信号。在信号的多径不大于CP长度的情况下，保证了在多径频选信道中各子载波间的正交性，减少了ICI。

目前，OFDM多址接入技术已经被应用于无线广播系统，如DAB（Digital Audio Broadcast）、DVB（Digital Video Broadcast）以及无线局域网和近距离通信，如IEEE 802.11g/a、802.15.3a等系统，并将在未来的第四代移动通信系统中广泛应用。

OFDMA多址接入方式，本质上仍然是一种频分复用多址接入技术，不同的用户被分配在各子载波上，通过频率资源上的正交方式来区分用户。传统的FDMA多址方式中，各子载波间通过一定的频域间隔来避免载波间的干扰。与传统的FDMA方式相比，OFDMA的各子载波间通过正交复用方式避免干扰，有效地减少了载波间保护间隔，提高了频谱利用率。图3-4给出了传统FDMA和OFDMA的信号生成方式的区别，从图中可以看到，在传输同等带宽的数据符号时，OFDMA需要更小的带宽。

OFDM多址方式的发送及接收机结构分别如图3-5和图3-6所示。以OFDM发射端为例，首先对发送信号进行信道编码并交织，然后将交织后的数据比特进行串/并转换，并对数据进行调制后映射到OFDM符号的各子载波上；将导频符号插入到相应子载波后，对所有子载波上的符号进行逆傅里叶变化后生成时域信号，并对其进行并/串转换；在每个OFDM符号前插入CP后，进行数/模转换并上变频到发射频带上进行信号发送。接收端信号处理是发送端的逆过程。

OFDM作为未来无线通信应用的主要多址接入技术，相对于其他多址方式，具有以下几方面的优势。

（1）频谱效率更高。如前所述，相对于传统的频分复用技术，各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限；同时，由于具有良好的多址正交性，保证较低的用户间干扰，以OFDM为调制多址方式的系统具有更高频谱效率。

（2）接收信号处理更为简单，降低了接收机的实现复杂度。

对于宽带无线传输系统，信号多径传输时延会造成接收信号的频率选择特性。频率选择信道的相关带宽与多径时延的时间弥散长度成反比，多径时延越大，相关带宽越小。宽带系统信号的多径时延通常为几微秒至几十微秒，而一个符号的调制时间却远小于信号的多径时延。例如，对于10MHz带宽的系统，其调制符号的时间长度为0.1ms。多径时延长度远超过调制符号的时间长度，因此存在严重的频率选择特性。

对于传统的窄带无线传输系统，由于多径所带来的频选特性并不明显，一般通过采用时域自适应滤波器来补偿衰落信道的损失和减少符号间的干扰。但对于宽带系统，符号间的串扰将达几十甚至几百个符号，如果仍然采用时域自适应滤波器方式来补充信道的损失，这会给接收端带来很高的复杂度，甚至是不可实现的。

对于OFDM多址的符号调制方式，数据并行地在多个窄带的子载波上进行传输。对于每个子载波，多径时延对传输数据造成的影响并不严重，可以采用简单的自适应滤波器就可以补偿信道传输带来的损失。因此，对于宽带系统，OFDM可以极大地减少接收端的处理复杂度。

（3）支持灵活的带宽扩展性。由于采用了傅里叶变换的实现方式，采用OFDM多址方式的系统，其带宽可扩展性非常灵活。例如，对于TD-LTE R8系统支持的1.4～20MHz载波带宽，不需要为接入每个载波带宽特别定制一种终端，一个具有20MHz接收能力的终端可以灵活地支持所有带宽系统，并不会带来额外的复杂度。

（4）易于与多天线技术结合，提升系统性能。多天线MIMO是未来移动通信提升系统性能和峰值速率的关键技术，但对接收端的处理能力也提出了更高要求。在MIMO传输过程中，除了前面提到的ISI，还需要考虑多个并行传输数据流间干扰。采用OFDM调制，将使得MIMO技术实现更为简化，为MIMO在宽带系统中应用提供重要保证。

（5）易于与链路自适应技术结合。链路自适应技术是提升系统性能的重要保证。链路自适应技术要求发送信号的调制和编码速率与信道状态更加匹配，进而使得发送数据速率逼近信道容量。OFDM的资源分配方式，使其在频域资源划分的颗粒度更为精细，并使得相关带宽内的传输数据与信道状态更好地匹配，可让用户选择信道条件更好的频域资源块进行数据发送，从而更有效地利用链路自适应技术提升系统性能。同时，通过在频域上的多用户调度，可以获得明显的多用户调度增益。

（6）易于MBMS业务的传输。多小区MBMS业务可以为用户提供更有效的多媒体业务体验，是未来无线通信系统中重要的业务。对于多小区MBMS业务发送，它采取不同地理位置的多个基站同时发射相同数据业务，在终端对信号进行合并接收方式。由于地理位置不同，信号到达终端的时间不一致，接收信号的时延更为明显，通常情况下可达几十微秒。因此，采用OFDM调制方式，可以克服多径带来的时延，使得接收端实现更为简单，有效地提升MBMS业务的接收性能。

如上所述，由于OFDM多址接入方式具有众多的优点，在TD-LTE系统中，下行多址采用OFDM方式，其具体实现方案如下。

TD-LTE下行多址采用OFDMA方式，将资源的最小分配单位定义为连续的12子载波，即资源块（RB，Resources Block）的概念。在整个传输带宽的频域上将资源划分为一系列的RB，每个UE可以使用其中一个或多个RB资源用于承载数据。如图3-7所示，单个用户可以使用连续或离散的PRB用于数据传输，不同用户通过资源的频域正交性保证不同用户之间没有多址干扰。

另外，TD-LTE的调度在时间上以1ms子帧为单位，即不同的子帧可以进行不同的分配。因此，OFDMA方案可以看作将总的资源在频域和时域上进行划分，不同的用户通过频域或时域的正交性实现多址复用。

根据OFDM原理，OFDM参数选择应该满足如下3个准则。

准则1：，其中TCP为CP长度，Td为时延扩展；

准则2：，其中fdmax为最大多普勒频移，Df为子载波间隔；

准则3：。

准则1说明插入的CP长度应该足够大，以保证子载波间的ISI降到足够低的水平；准则2说明子载波间隔要足够大以保证ICI尽可能小；而准则3说明CP占用的比例应尽可能小以保证一定的频谱效率。上述3个准则互相影响，需要综合考虑。

TD-LTE的基本参数配置为=15kHz，TCP≈5ms。这里综合考虑了CP的开销和对频率偏差的敏感性。15kHz可以满足LTE对高移动性（350km/h，最高500km/h）的需求而不必采用闭环的频率修正算法，以降低实现的复杂度。

5ms的保护间隔基本可以保证城区或绝大多数小覆盖场景。但为了支持郊区或农村地区的广覆盖，TD-LTE也支持另一种扩展CP配置，TECP≈17ms。基站可根据部署场景不同选择适合的CP参数。

此外，TD-LTE系统还支持多小区的广播传输模式，即所谓的MBSFN（Multimedia Broadcast Single Frequency Network），允许用户同时接受多小区发送的信号进行合并处理以提高传输性能。这种情况下，若想避免ISI，则要求多个小区发送的信号的时延不能超过CP的长度，因此需要更长的CP插入。综合考虑上述3个准则，确定CP长度为33ms，子载波间隔为7.5kHz。

TD-LTE对FFT点数和采样率没有特别标准化。但设计参数时考虑兼容30.72MHz的采样率，因此在标准中最小的时间单位定义为Ts=1/30.72ms，这里主要的考虑是后向兼容UMTS的3.84Mchip/s的码片速率。

TD-LTE详细的下行传输参数见表3-1。

表3-1 TD-LTE下行传输参数

*注：常规CP时，为了满足每时隙包含整数个OFDM符号，第一符号的CP长为5.21ms，而其他符号长度为4.69ms。

与基站比较，终端设备对成本更敏感，耗电问题也是人们非常关注的问题。因此TD-LTE下行采用OFDM技术，但上行采用单载波DFT-s-OFDM技术方案，其优势是具有更低的峰均比，可以降低对硬件（主要是放大器）的要求，提高功率利用效率。OFDM的峰均比问题是近年来的一个研究热点，有多种降峰均比的方法被提出来。这些方法基本上都会导致额外的处理复杂度或频率效率的下降，因此也不利于控制用户终端的成本。DFT-s-OFDM技术既具有低峰均比的性质，也保持了良好的与下行OFDM技术的一致性，例如大部分参数都可以重用，这为实现带来了简化。

1．时域与频域 SC-FDMA方案比较

理论上，单载波的FDMA信号可以在频域或时域产生，二者从功能上看是等价的，但从带宽效率来看，因为时域滤波器的爬升滚降时间会有一定损失，因此频域实现的方式效率更高。

一种时域的实现方式如图3-8所示，与传统的单载波传输非常类似。

TD-LTE上行采用基于DFT的频域实现方式，即DFT-s-OFDM（Discrete Fourier Transform-spread OFDM），如图3-9所示。

从图3-9可以看出，DFT-s-OFDM与OFDM比较，在于信号先经过一个DFT，从时域变换到频域，再映射到频域的子载波上，其他处理与OFDM完全一致，保持了非常好的一致性。

从DFT到IFFT的子载波映射有两种方式可以保持信号的单载波特性。一种是集中式，即DFT产生的频域信号按原有顺序集中映射到IFFT的输入（见图3-10（a））；另一种是分布式，即均匀地映射到间隔为L的子载波上，中间的子载波插入L−1个“0”（见图3-10（b））。

TD-LTE标准最后确定仅采用集中映射的方式实现，从实现的复杂度来看更简单。对于频率分集增益的获得，可以通过子帧内跳频或子帧间跳频来实现。

2．TD-LTE 上行DFT-s-OFDM参数

与OFDM一样，上行DFT-s-OFDM采用了几乎一样的参数：一样的15kHz的子载波间隔、一样的CP长度和符号长度。相关参数见表3-2。

表3-2 TD-LTE上行传输参数