3.5 OFDM 波形与 LTE 帧结构

3.5 OFDM 波形与 LTE 帧结构

本节摘要：OFDM 把 20 MHz 宽信道切成上万个小时载波，把频率选择性衰落的"宽带难题"降维成一万个平坦小问题；LTE 帧结构再把时间切成 1 ms 子帧、频率切成 180 kHz 资源块，让时频平面变成可精确寻址的格子账本。本节配时频网格图与帧结构图，并把 20 MHz 下 100 至 150 Mb/s 峰值速率的账算给你看。

宽带信道的两难与正交的妙解

2.2 节留了一个悬念：20 MHz 宽带信号远超城市约 100 kHz 的相干带宽，频率选择性衰落与码间干扰随之而来。均衡器可以硬抗，但带宽越大抽头越多、算力越吓人。OFDM（正交频分复用）给出优雅解法：与其用一条 20 MHz 的宽带载波，不如同时发一万多条 15 kHz 的窄带子载波——每个子载波带宽远小于相干带宽，各自只经历平坦衰落，接收端逐个子载波做一次性均衡即可。这正对应第 1 章"切分维度"的老思路，只不过切得更细。

OFDM 能把上万个子载波密密排而不互相打架，靠的是正交性：相邻子载波间隔恰好等于符号时长（15 kHz × 66.7 微秒），在一个符号窗口内，任何子载波的波形在别的子载波频率上恰好积分为零——数学上就是快速傅里叶变换（IFFT/FFT）一步完成调制与解调。保护间隔（循环前缀，约 4.7 微秒）垫在每个符号前面，吸收多径拖尾，只要时延扩展小于保护间隔，符号之间就井水不犯河水。

代价也要说清：子载波精确正交意味着对频偏与相噪极敏感（2.3 节多普勒的另一个战场），且多路正弦叠加的峰均比高，功放必须回退省着用——上行因此改用单载波 SC-FDMA 压低峰均比，保手机电池。

图：OFDM 时频资源网格——RE 与 RB，调度的原子与分子

LTE 帧结构：时间的刻度尺

频域格子之外，时间轴上 LTE 用一套十进制刻度：10 ms 无线帧为最大周期，切 10 个 1 ms 子帧；每个子帧再分 2 个 0.5 ms 时隙，常规循环前缀下每个时隙装 7 个 OFDM 符号。调度以子帧为最小周期（1 ms），这是 2.3 节"相干时间对账"的落脚点。TDD 制式下同一载波的上下行按子帧配比切换（如 3 比 1），FDD 制式则上下行各用独立载波同频对射。

图：LTE FDD 无线帧结构与 TDD 配比示意

从格子到峰值速率：完整算一笔

把本章所有零件组装起来，LTE Cat4 峰值速率可以逐步推出：20 MHz 有效带宽对应 100 个 RB，每 RB 每 1 ms 子帧含 12 子载波 × 14 符号 = 168 个 RE；64QAM 下每 RE 装 6 比特，2×2 MIMO 两流并传，原始账面为 100 × 168 × 6 × 2 = 201.6 Mb/s；扣除小区参考信号、PDCCH 控制区与编码冗余，落到终端侧就是 150 Mb/s。同样方法可验算 5G：100 MHz TDD 载波、256QAM、4 流，量级轻松上到 1.6 至 2 Gb/s。记住这套算法，任何峰值速率宣传都能在半分钟内核验。

💡 关键直觉：把 OFDM 看成"把连续的时间频率平面撕成便签纸"。撕得越碎，调度越灵活、抗频率选择性衰落越强，但开销（循环前缀、参考信号、控制信令）也越多。LTE 与 5G 的所有帧结构参数，都是"便签粒度"与"撕纸成本"之间的讨价还价。

问题：为什么 5G 时延能比 4G 低一个数量级

问题：循环前缀明明是"浪费"，为什么不能砍掉

第一问的钥匙就藏在刻度尺里。4G 的最小调度单位是 1 ms 子帧，加上缓存与处理时间，空口单向时延约四五毫秒；5G 把子载波间隔翻倍到 30 kHz 甚至 120 kHz，时隙缩到 0.5 ms 乃至 0.125 ms，再配合迷你时隙（在一个时隙内按符号级抢占）与预配置授权（免去申请往返），空口时延被压进 1 ms 以内——第 8 章 URLLC 承诺的毫秒级确定性，一大半是"刻度变细"的直接红利。第二问的答案是兜底成本：循环前缀的存在是为了吸收多径拖尾、保住子载波正交（本节开头 2 微秒时延扩展的账）；砍掉它，正交性崩塌，载波间干扰的损失远大于省下的那点开销。折中方案是按场景选 CP 长度——5G 在低时延场景用正常 CP，广覆盖场景用扩展 CP，仍是那句话：参数跟着信道走。最后把帧结构与前两节的武器对齐成一张总装图：编码（3.2）把比特变可靠，调制（3.1）把比特装进符号，MIMO（3.4）决定同一时刻发几路，而 OFDM 帧结构决定这些符号落在时频平面的哪个格子里——四者合体，才是"物理层"这台机器的完整样子；第 4 章起我们要跳出单链路，看这些格子如何在成百上千个基站之间被组织成一张网。章末自测：拿一张白纸，从"20 MHz 带宽"出发，依次写出子载波数、资源块数、每子帧 RE 数、64QAM 两流的账面速率与扣开销后的落点——这条链能独立走通，物理层的账本就真正属于你了。顺带留意两个高频考点：一是迷你时隙与符号级调度只改变"起点对齐"，不改变格子本身的物理参数；二是 TDD 的大带宽红利背后是上下行互相等待的保护时隙开销——带宽与时延在 TDD 里也有一笔隐性账。

本节要点回顾

• OFDM 的降维：上万个小时载波把频率选择性信道拆成一万个平坦子信道，循环前缀吸收多径拖尾，FFT 一步完成收发；
• 正交性是双刃剑：频偏敏感（多普勒战场）与高峰均比（上行改用 SC-FDMA）是两大代价；
• 帧结构即刻度尺：10 ms 帧、1 ms 子帧、0.5 ms 时隙、7 符号，与 2.3 节相干时间对账后的产物；
• 峰值速率可验算：RB × RE × 每符号比特 × 流数 − 开销，20 MHz 对应 100 RB，账面 200 Mb/s 扣到 150 Mb/s。

至此物理层五件武器齐备。第 4 章视野拉高：一座基站只是一枚棋子，成百上千基站如何拼成一张网？