OFDM帧结构 - darkking1112/styleguide GitHub Wiki

OFDM帧结构与多用户实现详解

正交频分复用（OFDM）的帧结构是其支持多用户接入和高效资源分配的核心。以下详细解析OFDM的帧结构设计以及如何通过关键技术实现多用户接入，重点涵盖时域和频域结构、资源分配机制及多用户场景的实现方式。

一、OFDM帧结构

OFDM帧结构在时域和频域上组织数据、控制信息和同步信号，以支持高效传输和多用户接入。帧结构通常包括以下组成部分：

1. 时域结构

  • OFDM符号：

    • 每个OFDM符号由数据部分和循环前缀（Cyclic Prefix, CP）组成。数据部分通过IFFT生成，CP是数据末尾的复制，用于对抗多径引起的符号间干扰（ISI）。
    • 符号时长 $T_s = 1/\Delta f$ （ $\Delta f$ 为子载波间隔），加上CP时长 $T_{CP}$。例如，5G NR中，子载波间隔15kHz时， $T_s \approx 66.67\mu s$ ，正常CP约为4.7μs。

  • 时隙（Slot）：

    • 多个OFDM符号组成一个时隙。5G NR中，一个时隙通常包含14个OFDM符号（正常CP）或12个符号（扩展CP）。
    • 时隙长度随子载波间隔变化，例如15kHz间隔时，时隙长度为1ms；30kHz间隔时为0.5ms。

  • 子帧和帧：

    • 子帧通常固定为1ms，包含一个或多个时隙。
    • 帧由多个子帧组成，5G NR中帧长固定为10ms（包含10个子帧）。
    • 帧内包含同步信号（如PSS/SSS）、控制信道（如PDCCH）和数据信道（如PDSCH）。

2. 频域结构

  • 子载波：

    • 带宽被划分为多个正交子载波，子载波间隔 $\Delta f$（如15kHz、30kHz）决定频谱分辨率。
    • 总带宽 = 子载波数 × 子载波间隔 + 保护带（Guard Band）。例如，20MHz带宽（4G LTE）包含1200个子载波（15kHz间隔）。

  • 资源块（Resource Block, RB）：

    • 频域上，资源以资源块为单位分配。5G NR中，一个RB包含12个子载波（频域）和1个时隙（时域）。
    • 资源块是多用户资源分配的基本单位。

  • 导频与控制子载波：

    • 部分子载波用于传输导频符号（用于信道估计）或控制信息（如调度分配）。
    • 保护带位于带宽两端，减少带外干扰。

3. 帧结构示例（以5G NR为例）

  • 帧：10ms，包含10个子帧。
  • 子帧：1ms，包含1个或多个时隙（取决于子载波间隔）。
  • 时隙：包含14个OFDM符号（正常CP），每个符号携带数据、导频或控制信息。
  • 频域：子载波按RB组织，调度器分配RB给不同用户。
  • 同步与控制：帧内包含同步信号块（SSB，含PSS/SSS/PBCH）和控制信道（PDCCH），用于时间/频率同步和资源分配。

二、如何实现多用户接入

OFDM通过灵活的资源分配和多址技术支持多用户接入，主要方式包括OFDMA、SC-FDMA和MU-MIMO。以下详细说明：

1. OFDMA（正交频分多址）

  • 原理：

    • OFDMA将时频资源（子载波和时隙）划分为资源块，动态分配给不同用户。
    • 每个用户在特定时隙内使用一组子载波，子载波间正交避免干扰。

  • 实现方式：

    • 资源调度：基站通过调度算法（如比例公平、最大吞吐量）分配RB。例如，用户A可能被分配RB1和RB2，用户B分配RB3。
    • 控制信道：PDCCH（物理下行控制信道）通知用户其分配的RB位置和调制编码方案（MCS）。
    • 灵活性：支持自适应调制编码（AMC），根据用户信道质量选择QPSK、16QAM或256QAM。

  • 优势：

    • 频域资源细粒度分配，适合异构网络和不同业务需求（如低时延、高吞吐量）。
    • 高频谱效率，支持大规模用户接入。

2. SC-FDMA（单载波频分多址）

  • 原理：

    • SC-FDMA是OFDMA的变种，主要用于上行链路（如4G LTE、5G NR）。通过在调制前进行DFT（离散傅里叶变换）预编码，降低峰均功率比（PAPR），适合功率受限的终端设备。

  • 实现方式：

    • 用户数据经过DFT预编码后映射到连续或分布式的子载波上，再通过IFFT生成时域信号。
    • 资源分配仍基于RB，但子载波分配更集中，减少PAPR。

  • 优势：

    • 降低终端功耗，延长电池寿命。
    • 兼容OFDMA的帧结构，便于系统集成。

3. MU-MIMO（多用户多输入多输出）

  • 原理：

    • 结合OFDM和MIMO技术，通过多天线在相同频时资源上为多个用户服务，利用空间分集提升容量。
    • 基站通过波束成形（Beamforming）将不同用户的信号在空间上分离。

  • 实现方式：

    • 基站使用多天线阵列，根据信道状态信息（CSI）为每个用户生成独立的空间流。
    • 每个用户在相同RB上接收数据，空间分集确保无干扰。
    • 导频符号辅助信道估计，优化波束成形矩阵。

  • 优势：

    • 显著提升系统容量，适合高密度用户场景（如5G小基站）。
    • 与OFDMA结合，进一步提高频谱效率。

4. 同步与控制

  • 时间同步：

    • 通过同步信号（如5G NR中的PSS/SSS）确保用户正确识别帧和符号边界。
    • 定时提前（Timing Advance）校正上行信号的时延差异。

  • 频率同步：

    • 校正载波频率偏移（CFO），避免子载波间干扰（ICI）。常用导频或锁相环（PLL）实现。

  • 控制信道：

    • PDCCH携带资源分配信息，通知用户其数据所在的RB和调制方式。
    • 反馈信道（如PUCCH）用于上行ACK/NACK和信道质量指示（CQI）。

三、帧结构支持多用户的具体机制

  1. 资源网格（Resource Grid）：

    • OFDM帧结构在时频域形成二维资源网格，横轴为时间（符号/时隙），纵轴为频率（子载波/RB）。
    • 调度器根据用户需求（如时延、吞吐量）和信道状态动态分配网格中的资源块。

  2. 动态调度：

    • 基站通过调度算法为每个用户分配RB，支持不同优先级和服务质量（QoS）需求。
    • 例：低时延用户（如URLLC）优先分配靠近帧起始的时隙，高吞吐量用户（如eMBB）分配更多RB。

  3. 导频与信道估计：

    • 每个用户的RB内插入导频符号，用于估计其特定信道响应。
    • 导频模式（Comb、Block或Staggered）优化多用户场景的信道估计精度。

  4. 灵活帧结构：

    • 5G NR支持动态TDD（时分双工），通过灵活配置上行/下行时隙，适应多用户流量变化。
    • 短时隙（Mini-slot）支持超低时延用户，增强多用户场景的灵活性。

四、示例：5G NR多用户帧结构

假设一个5G NR系统，子载波间隔15kHz，带宽20MHz，支持4个用户：

  • 帧结构：10ms帧，10个1ms子帧，每个子帧1个时隙（14符号）。
  • 频域分配：20MHz带宽包含100个RB（每RB 12子载波 × 14符号）。
  • 多用户调度：
    • 用户1（eMBB）：分配RB 0-49，时隙0，64QAM调制，高吞吐量。
    • 用户2（URLLC）：分配RB 50-59，时隙0，QPSK调制，低时延。
    • 用户3（mMTC）：分配RB 60-79，时隙1，QPSK调制，低速率。
    • 用户4（MU-MIMO）：与用户1共享RB 0-49，通过空间流分离。
  • 控制与导频：PDCCH占用符号0-1，导频子载波均匀分布于RB中。

五、总结

OFDM的帧结构通过时频资源网格、循环前缀和灵活调度实现多用户接入。OFDMA分配不同RB给用户，SC-FDMA优化上行PAPR，MU-MIMO利用空间分集提升容量。同步信号和控制信道确保资源分配的准确性。5G NR的动态帧结构和短时隙进一步增强了多用户场景的灵活性和效率。