LTE筆記: SC-FDMA vs. OFDMA (1)

在 LTE 系統中, 上行 (uplink) 和下行 (downlink) 使用不同的調變技術,
對於下行而言, 使用 OFDMA 的調變技術,
而對於上行而言, 則使用 SC-FDMA 的技術,
在一般的介紹文件中, 都會說到兩者的差別在於: PAPR
也就是傳送訊號的峰值/平均功率比 (peak-to-average power ratio),
由於此數值較低, 可以提升使用者端的發送效率,
例如: https://zh.wikipedia.org/wiki/SC-FDMA

但是, 這兩種調變技術的真實差別, 在中文網站中, 卻少有系統的整理,
因此, 這一系列文章, 就整理一下對於此兩種調變技術的了解,
作為 SC-FDMA 和 OFDMA 的介紹.

首先, 我們從 OFDMA 開始,
OFDMA 全名為: Orthogonal Frequency Division Multiple Access,
簡單來說, OFDMA 將通道資源以頻率和時間切成許多許多小方塊 (resource element, RE),
不論 LTE 使用多寬的頻寬作為傳輸, 每一個小方塊在頻率上都是 15 kHz 的寬度,
在時間上, 則回隨著 CP 的不同, 而有不同設定, 可以參考下表:

來自於: https://goo.gl/tUedLM

因此, 每一個 RE 就會乘載一個 symbol,
並隨著不同調變方法 (QPSK, 64 QAM, etc) 而對應到不同的傳輸速率.
此時, 每一個 symbol 稱為 OFDM symbol, 也是最低的傳輸單元,
而 OFDM 與 OFDMA 的差別在於在頻域上的多重存取,
在原有的 OFDM 系統中, 以分時存取為主,
而 OFDMA 則允許使用者取用相鄰的 RE,
一次不必取用所有的頻域資源, 如下圖所示

來自: https://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2014_2/rafaelreis/ofdma_scfdma.html

因此, 在實作中, 我們可以把 OFDMA 傳送端的系統圖表示如下:

來自: https://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiplexing

其簡單的想法來自於把原本時序的訊號, s[n],
根據所分配到的載波數量 (N), 先進行平行化, 並對調變技術對應 (如: 64-QAM),
以及子頻率對應 (subcarrier mapping),
之後, 把此訊號經由 IFFT 轉換後, 加入 CP 的保護 (不在圖中), 合成為最終傳輸訊號,
因此在 OFDM 系統中, 雖然我們傳送的仍是時間的無線訊號,
但是真正的資訊被我們保護在頻域的範圍, 如下圖所示:

來自: http://www.rfwireless-world.com/Terminology/Advantages-and-Disadvantages-of-OFDM.html

對於接收端而言, 其程序正好是傳送端的相反,
先進行取樣, 得到數位訊號, 移除 CP, 通過 FFT,
之後再對訊號進行解調變, 就會得到我們所傳送的資訊,