物理层技术特别是调制、编码、多址、双工等技术，可以说是无线通信技术中的核心与灵魂，在学术界进行了广泛而深刻的研究。随着移动通信的迅速发展和芯片技术进步带来的处理能力大幅提升，很多以前提出的技术在产业界得以实现，因而近二十年来无线通信应用技术迎来了爆发式的发展。新技术应用带来了频谱效率和用户体验的大幅提升，速率从不足100 kbit/s发展到了100 Mbit/s以上。然而，技术飞速发展繁荣的另一方面是，现有通信技术实现了自20世纪50年代以来无线通信原理上的大多技术储备，想要寻求突破性的物理层技术变革已非常困难。可这也说明了现有技术在相当广阔的领域内已经达到原理上的极限，更重要的或许不再是突破极限而是更加灵活的应用。由于场景多种多样，很难有一种技术适用于所有场景，因而如何将不同场景下的技术整合起来，采用灵活的物理接入技术将是物理层技术未来主要的发展方向之一。

现有LTE系统物理层技术中^[1]，编码采用Turbo码，调制采用QAM（Quadrature Ampli-tude Modulation，正交振幅调制）技术和MIMO技术，多址技术是OFDMA（Orthogonal Fre-quency Division Multiple Access，正交频分多址）/SC-FDMA（Single-carrier Frequency-Di-vision Multiple Access，单载波频分多址），双工则是FDD或TDD两种方式。

根据信息论^[2]中香农有噪信道传输定理，存在被称为信道容量的界，使得一切小于信道容量的速率都能无差错传输，而大于信道容量速率的传输都会出现差错。而信源信道编码分离定理又表明，可以分别进行信源编码和信道编码而不损失信道容量，这使得现有通信技术在物理层传输时都不考虑信源编码，即假设信源编码是理想的，这时信道编码的输入便是独立等概率分布的0、1比特。波形信道可达速率的证明方法是直接将输入信源调制到传输符号，这种码字按照码书映射直接发送和最大似然接收译码的方式无法应用于工程实践，在工程中往往将这一过程分成调制和编码两个阶段。虽然TCM（Trellis coded modulation，网格编码调制）表明联合编码和调制是有好处的，然而在衰落信道下，其与比特交织方案相比几乎没有增益并且设计极其复杂，因而现有通信技术对编码、交织、调制进行各自独立的优化。

LTE中编码采用Turbo码，这和3G中数据信道主要编码方案一致，而有别于2G GSM中采用的卷积码。自1993年Turbo革命以来，迭代编译码技术取得了长足的发展，大大提升了译码门限，并使之更加接近香农极限，其代表性的编码有Turbo编码和LDPC（Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校验码）编码。LTE中的Turbo码是通过交织器将两个卷积码并行级联起来进行编码，如图7-1所示，由于交织器的存在使得输入比特可以带来更多编码约束长度，这是符合随机编码理念的一种编码方式。然而使得Turbo码性能优异更加重要的原因在于采用了迭代译码的算法，如图7-2所示，通过每个卷积码分量译码器的软输入/软输出译码（如BCJR，SOVA算法等），将软输入信息进行译码输出软输出，并经过交织器或反交织器进入另一个卷积码译码器，如此反复，达到接近最大似然的译码效果^[3]。

图7-1 LTE系统中的Turbo码^[4]

图7-2 并行Turbo码的迭代译码算法^[2]

LDPC码是Turbo码的一个有力的竞争方案，在LTE的3GPP标准研究阶段提出过用LD-PC码代替Turbo的设想。Turbo码虽然带来了革命性飞跃，可仍然与香农限有着一定的性能差距，如图7-3表示的是LTE中Turbo码在AWGN（Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声）信道下不同MCS等级的频谱效率和对应解调SNR门限，与香农公式计算出的信道容量间的比较。图中圆圈代表链路仿真得到LTE系统AWGN下、不同MCS达到的频谱效率及正确解调所需的SNR门限；实线则为香农公式计算的理论值。首先可以看到，随着MCS等级的提升，频谱效率是增加的，除了两处的例外，这两处是QPSK和16QAM的分界点、16QAM与64QAM的分界点。LTE系统的MCS设计时，在两个分界点上传输相同比特数的数据，也即编码码率不同但频谱效率相同。原则上一个优秀的编码在频谱效率相同的情况下解调门限也是一致的，然而可以看到实际方案中有接近1 dB的差别，这也间接说明了Turbo编码受制于调制方案，和最优编码还有一定的距离。特别是在长码条件（如长度65536 bit的编码）下，LDPC码已经可以和香农限的距离在0.1 dB以内，而Turbo码则有较大的制约。

在LTE中，QPSK调制下的Turbo码和香农限的距离在1 dB左右，16QAM时是2 dB左右，而64QAM时则到了3 dB左右，这种差别在无线通信中处于可以接受的水平。有线通信中，特别是骨干网中，有极高的速率要求，其需要看到10-14的误比特率，0.5 dB的提升都会带来很大的经济效益。而无线通信由于信道动态性，误帧率基本在10%左右，通过HARQ、AMC（Adaptive Modulation and Coding，自适应调制编码）、功率控制等手段，使得解调门限不成为无线系统决定性的制约因素。另外，在LTE设计时，由于码长普遍较短，LDPC码相比Turbo码没有优势（正如在控制信道中仍然采用卷积码而不是Turbo码一样），再加上新的交织器设计使得Turbo码并行快速译码成为可能，因而LTE采用了Turbo编码。然而，在未来更高速率要求下，基于码块分割的Turbo码性能会有更大的损失，这时LDPC码可能会显现出一定的性能优势，有着一定的优化潜力。(www.daowen.com)

图7-3 LTE中不同MCS等级的频谱效率和解调门限与高斯信道容量间的比较

图7-4 星座图调制下的信道容量

LTE的调制采用基于OFDM的QAM方式，QAM调制实现起来相对简单，但随着调制等级的提升，其星座图远离高斯分布，在码率较高时和高斯信道容量有一定的距离，如图7-4所示。这种差距在低码率时并不明显，而在极高码率时有1 dB以上的差距。对于噪声受限的场景，较低码率下的QAM调制不会损失信道容量；而在带宽受限场景下的高阶调制，可以通过调制星座图重整形等手段获得增益，然而这会提升解调的复杂度。另外在衰落信道条件下，I路和Q路独立承载信息的方式会损失分集增益，可通过旋转星座图的方式使得调制信息同时经历I路和Q路的衰落，达到获取分集增益的效果，其代价同样是解调复杂度的提升。MIMO技术可以看作一种广义的调制技术，可以分为STBC、STTC和预编码等方式，LTE中采用的是基于STBC和预编码MIMO技术，随着天线数目的提升，MU-MIMO技术也兼顾成为了空分多址的技术手段。

LTE的多址技术是基于OFDM下的OFDMA方式，OFDM本身也可以看作是一种调制技术。传统的调制是在时域携带信息，而OFDM则是在等效的频域携带信息通过奈奎斯特采样的方式达到最高采样速率。时域和频域是等效的两个变换域，选择在那个域中携带信息的一个关键考虑是时间选择性和频率选择性哪个占主导地位。对于频率选择性主要的情景，在时域携带信息表现为符号间干扰、需要复杂的均衡技术，而在频域携带信息则表现为符号经历衰落、只需要简单的乘除法操作即可。同样地，对于时间选择性主要的场景，在频域携带信息则会有较大的载波间干扰，若不用复杂的均衡技术进行补偿，性能会有较大的下降，这也是OFDM技术在高速场景所遇到的一个挑战。LTE是一个宽带无线系统，在典型应用场景中，散射体丰富、可分辨径的数目较大，频域选择性成为主要矛盾，因而OFDM技术有较大的优势。

OFDM调制的时域信号冲激响应是矩形的，因而频域响应是Sa函数，存在有较大能量的旁瓣。实际系统中常采用滤波的方法抑制带外辐射，以及PAPR（Peak to Average Power Ratio，峰值平均功率比）抑制等手段、提升功放工作点。上行系统受制于终端射频能力的限制，采用OFDM调制意味着较大的功率回退，因而最终采用了类似OFDM的DFT扩展单载波调制方式SC-FDMA，最大限度复用OFDM的处理流程和模块结构。对于复用OFDM结构的上行系统，由于带外辐射较高，因而需要严格的上行同步来控制频率多用户调度下的用户间干扰。多用户的OFDM信号理想同步时，由于干扰信号在采样点的能量正好为零，因而同步时在数字信号处理采样点上看不到用户间干扰；而如果多用户的时间不同步，就有较明显的干扰，需要隔离一定的子载波作为保护间隔。

除了带外辐射和上行同步，OFDM性能对时偏和频偏比较敏感。对于落入CP（Cyclic Prefix，循环前缀）范围内的时偏，OFDM抑制能力取决于时偏和多径叠加后是否超过了CP的范围。若不超过CP范围，OFDM几乎没有性能损失；若超过CP范围，则等效于受到了符号间干扰，带有CP的OFDM不考虑抑制这种干扰，因而性能受到限制。而系统频偏会直接引入载波间干扰，强度取决于频偏大小与载波间隔的比例，LTE系统的设计要求典型频偏范围不会对系统性能带来影响。

LTE的双工采用FDD和TDD两种方式，不同双工方式在高层几乎没有区分，在物理层也保持了较高的一致性。两种双工方式各有优劣，相比而言，TDD系统的特点包括：受制于上下行时隙的限制，重传机制会比较复杂，双工切换需要保护时间，信号处理结构非连续，并且组网时需要严格的同步来减缓小区间干扰；另一方面，TDD的优势包括：可以更有效地利用频谱资源，不需要成对的频谱，上下行资源可灵活分配，信道互异性带来实现相关的增强算法等优势。