5.1 OFDMA（正交频分多址）原理

5.1 OFDMA（正交频分多址）原理

本节摘要：SOURCE 5.1：OFDMA 将不同 RB 分配给不同 UE，同一时刻多用户频域并行；相对 CDMA，频选调度粒度更细。

多址对比

LTE 下行 OFDMA + SC-FDMA 上行（DFT-s-OFDM 降 PAPR）——上行演化兼顾峰值功率约束。

⚠️ 常见坑：忽视 RB 连续性要求——频域调度常需连续 RB。

💡 关键直觉：OFDMA = OFDM + 多用户 RB 调度。

从单用户 OFDM 到多用户 OFDMA

OFDM 服务于单链路：一个发射机占用全部子载波，把数据流拆散后并行传输。OFDMA 的关键变化是所有权结构——子载波不再属于单个用户，而是被组织成资源块，按用户分组分配。同一时刻，基站可以把频带左半段给用户 A、右半段给用户 B，下一时刻再重新分配。子载波仍是正交的、信号仍由 IFFT 生成，但每个用户的符号只填充属于自己的那部分子载波。

这一变化带来三个质变。其一，多用户频域并行：多个用户在同一 OFDM 符号内并发传输，系统吞吐不再是"排他性共享"，而是"并行叠加"。其二，频选调度成为可能：不同用户的信道在频域独立起伏，用户 A 在低频段信道好、用户 B 在高频段信道好，调度器按信道质量把好频段分配给对应用户，获得多用户分集增益。其三，资源粒度灵活：RB 的粗细可调，既能给大流量用户连续大块，也能给物联网终端极小带宽。

多址方式的谱系对比

理解 OFDMA 的位置，需要把它放进多址技术的谱系里横向比较。

CDMA 与 OFDMA 的对比尤其能说明演化方向。CDMA 用扩频码隔离用户，所有用户共享全部带宽，通过码字区分；其优点是软容量、抗窄带干扰强，但存在远近效应与干扰受限问题，且扩频本身牺牲频谱效率。OFDMA 用频域正交块隔离用户，不存在多用户干扰（只要同步与频偏受控），调度器可以在频域精细地"见缝插针"，频谱效率显著更高。3G 时代 CDMA 是主流，4G 时代 OFDMA 全面取代，根因就在于宽带频选信道下，频域资源调度的收益远超码域复用。

上下行不对称：SC-FDMA

LTE 的上下行采用不同方案：下行 OFDMA，上行 SC-FDMA（即 DFT-s-OFDM）。原因在于终端侧的功率约束。OFDMA 的多载波特性带来高峰均功率比，终端功放必须大回退，发射效率低；而上行覆盖依赖终端发射功率，功率受限直接压缩小区半径。SC-FDMA 在 OFDM 的 IFFT 之前先做一次 DFT 预编码，使时域信号变为"类单载波"，PAPR 大幅降低，功放效率显著改善，代价是失去频域独立调度（用户只能分配到连续子载波）。

这个不对称设计是典型的工程妥协：下行由基站承担复杂度、追求频谱效率最大化，上行由终端承担功率约束、追求发射效率最大化。5G NR 沿用这一思路，DFT-s-OFDM 作为可选波形保留，与 CP-OFDM 并存，供不同场景选择。

OFDMA 的调度优势

OFDMA 的频选调度优势可用一个简单模型量化。假设两个用户的信道在频域互补起伏（一高一低），OFDM 单用户模式只能服务一个用户，吞吐受限于其平均信道；OFDMA 把高信噪比频段分给对应用户，两个用户同时在各自的好频段传输。多用户分集使系统吞吐随用户数增长而改善——这是 OFDMA 相对单用户 OFDM 的根本收益。调度算法（如第 5.3 节的比例公平）进一步在吞吐与公平间折中，避免信道好的用户永远独占资源。

下面用简单的频选调度仿真，直观展示 OFDMA 相对轮询的吞吐提升。

import numpy as np
rng = np.random.default_rng(9)
N_rb = 20; users = 4
# 每用户每 RB 的信噪比（dB），频率选择性差异明显
H = rng.normal(10, 6, (users, N_rb))
cap = lambda snr_db: np.log2(1 + 10 ** (snr_db / 10))   # 香农容量

# 轮询：平均分配
round_robin = np.mean(cap(H))
# OFDMA 频选调度：每个 RB 给信道最好的用户
best = np.max(H, axis=0)
ofdma = np.mean(cap(best))
print(f"轮询平均每 RB 吞吐 ≈ {round_robin:.2f} bit/s/Hz")
print(f"OFDMA 频选调度 ≈ {ofdma:.2f} bit/s/Hz，提升 {100*(ofdma/round_robin-1):.0f}%")
​

用户数越多、信道频率选择性越强，OFDMA 的调度增益越显著；代价是调度器需要实时掌握所有用户的信道信息，这就是 CQI 上报与调度器设计的由来。

要点速记

• RB 是多址最小粒度
• 频选调度利用频率选择性
• 上行 SC-FDMA 是 PAPR 妥协
• 多用户分集是 OFDMA 核心收益