第一章 緒論
1.2 OFDMA/SC-FDMA
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圖 1-1 OFDMA 與 SC-FDMA 中使用 QPSK 傳送資料符號示意圖[2]
圖1-1為OFDMA與SC-FDMA中使用QPSK傳送資料符號(data symbol)示意圖。
左圖為OFDMA傳送方式，每15KHz為一個subcarrier。在時域(time domain)方面，
每隔66.7μs週期傳送一個symbol。以QPSK為例，四個symbol以並列方式傳送，
並在symbol結束時插入循環字首(Cyclic Prefix, CP)，再接下一個symbol。右圖為 SC-FDMA傳送方式，與OFDMA不同的是在時域中，symbol為串列式的傳送，在 頻域(frequency domain)中為四倍OFDMA載波的頻寬傳送，也就是每一個symbol 在一個較大的頻寬傳送。相較於OFDMA的多重載波(multi-carrier)方式，比較像 是單載波[2]。
1.2 OFDMA/SC-FDMA
OFDMA 是 OFDM 的延伸技術，是一種運用多重載波傳送資料的技術。它 把擁有高資料速率的訊號分散成數個資料速率較低的訊號，經過調變後分別放入 不同頻段上，透過載波來傳送。由於各個載波之間彼此是正交(orthogonal)的關係，
因此資料同時傳輸時不會相互干擾，讓不同 UE 在同一時間使用不同頻段時訊號 不會相互干擾，以便資料的傳輸。
The following graphs show how a sequence of eight QPSK symbols is represented in frequency and time
OFDMA
Data symbol occupies 15 kHz for one OFDMA symbol period
SC-FDMA
Data symbol occupies M*15 kHz for 1/M SC-FDMA symbol period
Time
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由於 OFDMA 訊號是由多個子載波同時傳輸，所以會有偶發性的高峰值平 均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)的問題存在。雖然 OFDMA 技術能 提供更大的覆蓋範圍、更高的資料速率(date rate)和頻譜效率，但是 OFDMA 的 符號是由多個獨立的子載波訊號，如圖 1-2(a)，經過調製後相互加疊而成。所以 當各個子載波的相位相同或相近時，加疊的訊號便會受到相同初始相位訊號的調 製而改變，產生較大的瞬時峰值功率比值，帶來較高的 PAPR，如圖 1-2(b)所示。
但一般功率放大器的動態範圍都是有限的，所以峰值平均功率較大的 OFDMA 訊號極易進入功率放大器的非線性區域，導致訊號產生非線性的失真，造成明顯 的頻譜擴展干擾使頻帶內的訊號產生變化，導致整個系統性能嚴重下降。因此峰 值平均功率比已成為限制 OFDMA 技術廣泛應用的一個重大缺陷[4]。
圖 1-2 (a)單載波(b)多載波[3]
SC-FDMA 與 OFDMA 相似，訊號程序反覆在不同時域與頻域區間做轉換。
圖 1-3 比較 SC-FDMA 與 OFDMA 技術的不同，SC-FDMA 在處理資料符元(data symbol) 時 會 先 經 過 反 轉 傅 立 葉 (Discrete Fourier Transform Spread OFDM , DFT-S-OFDM)的動作由頻域轉回至時域，每個符號被切割成較小塊的區塊，並 在一個時間單位內分別傳送符號區塊。所以 SC-FDMA 系統在傳送時子載波可視 為單載波，而單載波涵蓋在線性區間的範圍內，所以有較低的 PAPR，能有效降 低 UE 訊號傳送時所消耗的功率，延長電池的續航力。經過綜合考慮，3GPP 最 終確定 LTE 的上行鏈路採用 SC-FDMA 技術。
(a) (b)
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圖 1-3 OFDMA 與 SC/FDE [3]
1.2.1 訊框格式與資源塊型式
LTE 系統中支援兩種訊框格式，分別為分時多工(Time-Division Duplexing, TDD)與分頻多工(Frequency-Division Duplexing, FDD)兩種模式。在 TDD 模式中，
每個無線電訊框(radio frame)長度為 10 ms，由兩個半訊框(half -frame)所組成。每 個半訊框長度為 5 ms，每個半訊框由五個子訊框(sub-frame)組成，每個子訊框長 度為 1 ms。而子訊框又由兩個時槽(time slot)所組成，每個時槽長度為 0.5 ms，
如圖 1-4 所示。
TDD frame structure
One radio frame = 10 ms One half-frame = 5 ms One subframe = 1 ms One slot = 0.5 ms
Subframe #0 Subframe #2 Subframe #3 Subframe #4 Subframe #5 Subframe #7 Subframe #8 Subframe #9
圖 1-4 LTE 系統 TDD 訊框結構[1]
time
Input data symbols OFDMA symbol SC-FDMA symbols*
*Bandwidth spreading factor: 4
DwPTS: Downlink Pilot Time Slot GP: Guard Period
UpPTS: Uplink Pilot Time Slot
DwPTS GP UpPTS DwPTS GP UpPTS
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對於 FDD 模式而言，每個無線電訊框分為 10 個子訊框(sub-frame)，每個子 訊框長度為 1 ms。其中每個子訊框由兩個時槽(time slot)所組成，每個時槽為 0.5 ms，總共 20 個時槽，如圖 1-4 所示。
FDD frame structure
One radio frame = 10 ms One subframe = 1 ms One slot = 0.5 ms
Subframe #0 Subframe #1 Subframe #2 … Subframe #18 Subframe #19
圖 1-5 LTE 系統 FDD 訊框結構[1]
在 LTE 系統規格中，定義一個資源塊(Resource Block, RB)的大小在頻率上 使用十二個連續子載波，時間上則是佔用了一個時槽(time slot)的符號數(symbol)。
在使用一般循環前置(normal Cyclic Prefix)時，一個時槽占用 7 個 symbol 的時間，
而使用延伸循環前置(extended CP)時，一個時槽占用 6 個 symbol 的時間。圖 1-6 為一個資源塊與一個時槽的關係示意圖。
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圖 1-6 資源塊與時槽的關係示意圖[1]
LTE 是採用正交分頻多工(OFDMA)做為調變技術，而不是早期的分碼多工 技術(Code Division Multiple Access, CDMA)。更具體的說，3GPP 在下行鏈路使 用正交分頻多工(OFDMA)，上行鏈路則採用單載波分頻多工(SC-FDMA)。這兩 種分頻技術均利用快速傅立葉變換(FFT)把所配置的頻寬分為 UE 可共享的較小 單位。
相較於 OFDMA，上行所用的 SC-FDMA，因為調變功率小於 OFDMA 調變，
因此可以降低 UE 端手機的耗電。除此之外，採用不同大小點數的 FFT，系統就 能支援 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz 和 20 MHz 等各種頻寬配置。
表 1-1 表示 LTE 中頻寬配置所對應的資源塊(RBs)數量表。
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Channel bandwidth (MHz) 1.4 3 5 10 15 20 Number of RBs in frequency band 6 15 25 50 75 100
表 1-1 LTE 中頻寬所對應的資源塊數量表[1]