4.4 OFDMA与多址接入
4.4 OFDMA 与多址接入
本节摘要：NR 下行采用 OFDMA，在频域划分资源块 RB 给不同 UE；上行采用 DFT-s-OFDM（CP-OFDM 可选） 降低 PAPR。本节从 LTE 演进来解释 OFDM 抗多径原理、RB 调度与 NR 相对 LTE 的灵活资源分配。
上手前先明确
阅读完本节，你应当能够：
- 解释 OFDM 将宽带信道转为并行窄带子信道的原因
- 说明 RB（Resource Block）的时频含义
- 对比下行 OFDMA 与上行 DFT-s-OFDM 动机
- 描述 CP 循环前缀对抗 ISI 的作用
- 理解调度器在 MAC 层的资源分配角色
一、问题与直觉
单载波宽带宽信号在 multipath 下 ISI 严重。OFDM 把带宽分成多个 正交子载波，每个子信道窄到 flat fading，插入 CP 吸收延迟扩展。LTE 已证明 OFDM 适合移动蜂窝；NR 延续并增强：可变子载波间隔、更灵活 PRB 网格、MU-MIMO 空分与频分结合。
上行若用纯 OFDM，终端功放 PAPR 高、耗电大。DFT-s-OFDM（单载波频分多址 SC-FDMA 思想）降低 PAPR，延长手机电池——5G 上行默认 DFT-s-OFDM，eMBB 高吞吐场景可用 CP-OFDM。
二、核心原理
| 方向 | 多址 | 特点 |
|---|---|---|
| DL | OFDMA | 频域分用户 |
| UL | DFT-s-OFDM | 低 PAPR |
| UL 可选 | CP-OFDM | 更高吞吐、更高 PAPR |
1 RB = 12 子载波 × 1 slot（时长随 μ 变）。gNB 调度器 每 TTI 分配 RB、MCS、MIMO 层。
频域 ↑ | UE1 RB | UE2 RB | |-----------|-----------| | UE3 RB spread | +-----------------------→ 时域
三、工程实践要点
与 Massive MIMO 结合
同一 RB 上可 MU-MIMO 空分多 UE，调度器需 CSI 反馈（PMI/CQI/RI）。
⚠️ 常见坑：忽略 CP 长度与小区半径关系——CP 过短导致 ISI。
💡 关键直觉：OFDMA 是「时频网格切蛋糕」，调度器是切蛋糕的人。
核心回顾
- OFDM：抗多径、正交子载波
- OFDMA 下行：频域多址
- DFT-s-OFDM 上行：降 PAPR
- RB：调度基本单位
- 调度器：MAC 层核心
下一节 LDPC 与 Polar 保障高吞吐与可靠控制。
深入：OFDM 的数学基础与工程实现
OFDM 把高速串行数据流分成多路低速并行子流，分别调制到正交子载波上。正交性意味着子载波频谱可重叠而不互相干扰，频谱利用率远高于传统频分复用。发射端用 IFFT 实现多路调制的并行合成，接收端用 FFT 还原，这是 OFDM 能被硬件高效实现的关键。循环前缀（CP）复制符号尾部到头部，作为保护间隔吸收多径时延扩展，代价是约 7% 的开销——CP 长度与覆盖半径直接相关。
OFDM 系统参数与工程取舍（示意） 子载波间隔: 大 → 抗频偏强，CP 短，覆盖小 小 → 抗多径强，CP 长，覆盖大 FFT 点数: 影响处理复杂度与带宽支撑能力 CP 长度: 决定可容忍的时延扩展（覆盖半径） 峰均比: OFDM 高，上行用 DFT-s-OFDM 缓解 资源分配: RB=12子载波×1时隙，调度基本单位
上下行多址差异的工程原因
下行用 OFDMA（频域切块给不同用户）因为基站功率充足、不需要省电；上行若同样用 OFDM，终端功放的峰均比高会导致发射效率低、电池消耗快，因此引入 DFT-s-OFDM（单载波特性、低峰均比）作为默认上行波形。这个差异看似细节，实际决定了终端的续航和发射功率等级。理解「下行重频谱效率、上行重终端功耗」的设计动机，就能记住为什么 NR 上下行波形不同。
调度器与资源分配策略
MAC 调度器每个时隙为各 UE 分配 RB、MCS（调制编码方式）与 MIMO 流数，调度算法决定公平性与吞吐的平衡：比例公平算法在用户间轮转并兼顾信道质量，最大吞吐算法优先信道好的用户但牺牲公平。调度还涉及 HARQ 重传调度、上下行资源配比、边缘用户保护等。对网络优化而言，调度器配置是影响体验最直接的手段之一，也是投诉处理时首先要看的环节。
OFDM 与 MIMO 的结合
OFDM 与 MIMO 天然适配：OFDM 将宽带信道分成窄带子信道，每个子信道近似平坦衰落，便于做 MIMO 预编码与空间复用。NR 在 OFDM 基础上叠加多流 MIMO，同一 RB 上可同时传输多路数据，频谱效率成倍提升。调度器按 UE 上报的 CSI（CQI/PMI/RI）决定 MIMO 流数与预编码，读参数时要把「调制+编码+MIMO 流数」三者联合理解。
时频资源与调度开销
OFDM 的资源开销包括：CP 开销、导频（DMRS/CSI-RS）开销、控制信道（PDCCH）开销与同步信号开销。带宽越大、μ 越大，相对开销占比越低。规划时要把有效资源率算进去，避免「理论峰值远高于实际可达」的偏差。调度开销与业务的匹配度直接影响体验，这也是为什么边缘用户、高负载场景的速率下降往往比预期更快。
多址技术与容量关系
多址技术的本质是「如何把时频资源切分给多个用户」。OFDMA 在频域切分、灵活且支持精细调度，成为 5G 下行的主流；上行用 DFT-s-OFDM 换取终端功耗优势。多址方式还影响小区容量：频域复用越精细，多用户同时传输的机会越多，系统容量越高。理解多址与容量的关系，是分析「小区到底能同时服务多少用户」的基础。