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SC-FDMA
SC-FDMA
Contents
1 OFDM vs. SC-FDMA 3
2
SC-FDMA and OFDMA Comparison 8
3 SC-FDMA Principles 14
4 SC-FDMA Transmitter 18
5 SC-FDMA Transmitter Simulation 21
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SC-FDMA
1 OFDM vs. SC-FDMA
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FDMA
OFDM Benefits and Challenges
OFDM benefits:
Good performance in frequency selective fading channels.
Low complexity of base-band receiver.
Good spectral properties and handling of multiple bandwidths.
Link adaptation and frequency domain scheduling.
Compatibility with advanced receiver and antenna technologies.
OFDM Challenges
Tolerance to frequency offset.
The high Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) of the transmitter signal. It requirestransmitter with linear response in a large range. Those “high linear response”amplifier have a low power conversion efficiency and therefore they are not ideal for
Mobile Stations. In LTE the problem was solved by adopting SC-FDMA for Uplink,which has better power amplifier efficiency.
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SC-FDMA
One of the major drawbacks of an OFDMA system is, that the transformation of acomplex symbol mapped sequence (e.g. BPSK, QPSK, etc.) onto a small set ofsubcarriers produces time sequences that have high PAPR (Peak-to-Average Power
Ratio). PAPR is the ratio between the maximum power and the averaged power
This results in requirements for expensive transmission amplifiers and furthermorelead to high power consumption. Both effects are -particularly on terminal side-unwanted. It is thus a major design goal to limit this effect for the UL direction.
In order to reduce the PAPR a variant of OFDMA is used. It is called SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access). SC-FDMA works according tothe following mechanism, described for the associated transmitter structure.
SC-FDMA is the method of choice for EUTRAN in the uplink direction.
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FDMA
•The transmitted power is the sum of
the powers of all the subcarriers
– Due to large number of subcarriers,
the peak to average power ratio
(PAPR) tends to have a large range
– The higher the peaks, the greater the
range of power levels over which the
transmitter is required to work.
– Not best suited for use with mobile (
battery-powered) devices
Peak-to-Average Power Ratio in OFDM
Fig. 1Peak-to-Average Power Ratio in OFDM
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SC-FDMA
– Single Carrier Frequency Division Multiple Access:
Transmission technique used for Uplink
• Variant of OFDM that reduces the PAPR:
• Combines the PAR of single-carrier system with the
multipath resistance and flexible subcarrier
frequency allocation offered by OFDM.
• It can reduce the PAPR between 6…9dB compared
to OFDMA
• TS36.201 and TS36.211 provide the mathematical
description of the time domain representation of an
SC-FDMA symbol.
– Reduced PAPR means lower RF hardware
requirements ( power amplifier)
– SC-FDMA will be used for both FDD and TDD
modes
S C -F DMA
OF DMA
SC-FDMA in UL
Fig. 2SC-FDMA in UL
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2 SC-FDMA and OFDMA Comparison
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SC-FDMA
SC-FDMA and OFDMA Comparison
OFDM
Transmission
SC-FDMA
Transmission
Difference in transmission: for SC-FDMA there is an extra block onthe transmission chain: the FFT (or DFT = Discrete Fourier
Transform) block which should “spread” the input modulation symbols
over all the allocated subcarriersFFT or DFT (Discrete
Fourier Transform)
Fig. 3SC-FDMA and OFDMA Comparison
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FDMA
The next slide shows how a series of QPSK symbols are mapped into time andfrequency by the two different modulation schemes.
For clarity, the example here uses only four (N) subcarriers over two symbol periods
with the payload data represented by QPSK modulation.On the left side of the slide, N adjacent 15 kHz subcarriers — already positioned atthe desired place in the channel bandwidth — are each modulated for the OFDMAsymbol period of 66.7 μs by one QPSK data symbol.
In this simple four-subcarrier example, four symbols are taken in parallel. These areQPSK data symbols so only the phase of each subcarrier is modulated and thesubcarrier power remains constant between symbols. After one OFDMA symbolperiod has elapsed, the CP is inserted and the next four symbols are transmitted inparallel. For visual clarity, the CP is shown as a gap;
SC-FDMA signal generation begins with a special precoding process but then
continues as with OFDMA. Before outlining the generation process it is helpful to firstdescribe the end result as shown on the right side of Figure.
The most obvious difference between the two schemes is that OFDMA transmits thefour QPSK data symbols in parallel, one per subcarrier, while SC-FDMA transmitsthe four QPSK data symbols in series at four times the rate, with each data symboloccupying N x 15 kHz bandwidth.
Visually, the OFDMA signal is clearly multi-carrier and the SC-FDMA signal looksmore like single-carrier, which explains the “SC” in its name. Note that OFDMA andSC-FDMA symbol lengths are the same at 66.7 μs; however, the SC-FDMA symbolcontains N “sub-symbols” that represent the modulating data.
It is the parallel transmission of multiple symbols that creates the undesirable highPAR of OFDMA. By transmitting the N data symbols in series at N times the rate, theSC-FDMA occupied bandwidth is the same as multi-carrier OFDMA but — crucially—the PAR is the same as that used for the original data symbols.
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SC-FDMA
SC-FDMA and OFDMA Comparison
Fig. 4SC-FDMA and OFDMA Comparison
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FDMA
SC-FDMA and OFDMA Comparison
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-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
OFDM: power and amplitude SC-FDMA: power and amplitude
Lower PAPR for
the SC-FDMA
Fig. 5SC-FDMA and OFDMA Comparison
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SC-FDMA
SC-FDMA and OFDMA Comparison – Overview
The same Variable Bandwidth
BW = 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz
The same subcarrier spacing Δf
= 15KHz
The same symbol duration
Tsymbol = 66,7μs
The same Cyclic Prefix length
Normal CP = 4.69/5.12μsec
Extended CP = 16.67μsec
The same TTI = 1ms
The same frame format
Could be used for FDD and TDD
• OFDMA transmits several
modulation symbols in parallel
• SC-FDMA transmits only one
single modulation symbol at a
time
• SC-FDMA is having an extra
block on the transmission chain
to spread the modulationsymbols over all the subcarriers
•SC-FDMA is having a lower
PAPAR = Peak to Average Power
Ratio than OFDMA
SC-FDMA and OFDMA
CommonalitiesSC-FDMA and OFDMA
differences
Fig. 6SC-FDMA and OFDMA Comparison – Overview
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FDMA
3 SC-FDMA Principles
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SC-FDMA
SC-FDMA Principles (1)
1. PAPR is the same as that used for the input modulation symbols
This could be achieved by transmitting N
modulation symbols in series at N times the
rate. So that looking in time domain only one
modulation symbol is transmitted at a time.
One can see that the SC-FDMA symbol which
is having 67µs is containing N “sub-
symbols”.
N = 6 in the example shown
2. The number of subcarriers which could be allocated for transmissionshould be multiple of 2,3 and/or 5
This limitation is imposed by the input of the FFT (DFT) block
which is before the IFFT. This enables efficient
implementation of the FFT.
Note that also the number of Resource Blocks should be
multiple of 2,3 or/and 5
Fig. 7SC-FDMA Principles (1)
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FDMA
SC-FDMA Principles
3. The FFT (DFT) output size is always smaller than the IFFT input size
FFT
(DFT)
IFFT
…
.
.
.
Subcarriers allocated
for one UE
Subcarriers
allocated to other
users or set to
zero
This is because a typical cell’s uplink capacity
will be greater than 180kHz (12 subcarriers),
meaning that more than one UL channel will be
available. Other UEs will be assigned other
groups of subcarriers to use across the uplink
channel bandwidth. No two UEs will be assigned
the same 180kHz block to use simultaneously.
As not all sub-carriers are used by the mobile
station, many of them are set to zero in the
diagram, if they are not used by other users
Note that if the output size of the FFT is equal to
the size of the IFFT input then the overall effect is
null since the two operations (FFT and IFFT are
complementary)
Fig. 8SC-FDMA Principles (2)
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SC-FDMA
SC-FDMA Principles (3)
4. Adjusting the data rate in SC-FDMA
Halved SC-
FDMA “sub-
symbol”
duration
Initial
bandwidth
SC-FDMA
“sub-
symbol”
durationDoubled
bandwidth
If the data rate increases more bandwidth is needed to transmit more modulation
symbols (when data rate is doubled the resource allocation in the frequency
domain is also doubled). The individual transmission is now shorter in time but
wider in the frequency domain. For double data rate the amount of inputs in
transmitter doubles and the “sub-symbol” duration is halved. Note that the SC-
FDMA is still 67 µs
In the example 6 modulation symbols are sent initially and 12 modulations for
double data rateDouble
the data
rate
SC-FDMA
symbol 67µs
SC-FDMA
symbol 67µs
Halved SC-
FDMA “sub-
symbol”
durationSC-FDMA
“sub-
symbol”
duration
Fig. 9SC-FDMA Principles (3)
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4 SC-FDMA Transmitter
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SC-FDMA
The data is mapped to complex symbols like in case of normal OFDM/OFDMA. Butthis time we interpret the resulting vector not as frequency domain signal, but as a
“de-spread” or concentrated time signal.
Thus before we can go to the mapping to subcarriers, we have to transform thesequence into a frequency domain signal. Thus a discrete Fourier transform isapplied to the data vector. It gives us a vector of data symbol for each subcarrier tobe used by the transmitter.
The next step is to map each transmitter symbol to one of the subcarriers of thesystem depending on which subcarrier was assigned to this transmitter. Obviouslysome subcarriers will remain free (0), that are the subcarriers for other transmitters.
With this we go to the IFFT and do the normal OFDM processing.
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FDMA
S u b c a r r i e r M a p p i n g K - t o - N
S u b c a r r i e r M a p p i n g K - t o - N
IFFTIFFT
s0
s1
sN-1
g1
DFT(FFT)
DFT(FFT)
g2
gK-1
.
.
.
Single Carrier Frequency Division Multiple Access
SC-FDMA
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F r e q u e n c y D o m a i n
Modulation
Mapper
Modulation
Mapper
d0
Modulation
Mapper
ModulationMapper
d1
ModulationMapper
ModulationMapper
dK-1
b10 ,b11,…
Bit
Distrib.
Bit
Distrib.
b20 ,b21,…
bK-1 0 …
Binary
Coded
Data.
.
. T i m e D o m a i n
F r e q u e n c y D o m a i n
.
.
. U p - c o n v e r s i o n
U p - c o n v e r s i o n
C P / G u a r d
G e n e r a t i o n
C P / G u a r d
G e n e r a t i o n
Modulation
s0
g0
g1
g2
gK-1
sa
sa+1
sN-1
.
.
.
sa+2
sa+x
…
…
…
DFTd0 d2
…d1 dK-1
Fig. 10 SC-FDMA transmitter.
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SC-FDMA
5 SC-FDMA Transmitter Simulation
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FDMA
The same assumptions as for the OFDM transmission simulation are considered (seechapter 3 for more details)
The same data is generated like in the Downlink
The major difference in the UL is the presence of the DFT = Discrete FourierTransform Block
Another difference is the considered scenario:
Scenario : 1200 subcarriers transmitted from 3 terminals (each terminal is havingequal allocation i.e. 400 subcarriers)
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SC-FDMA
QPSK Modulation
•Discrete Fourier Transform
Unlike OFDMmodulation, this time
we can look at the
QPSK modulatedsymbol succession asbeing a time series !
Fig. 11QPSK Modulation
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FDMA
DFT output – frequency domain
DFTDFT
Time
Domain
g0, g1, …, gk-1
Frequency
Domain
d0, d1, …, dk-1
DFT transform the time series (themodulation symbols input) into frequencydomain symbols sequence.
One can see that the data symbols aretransmitted serially. The SC-FDMA symbolcontains 400 “sub-symbols” for eachterminal. For simplicity only the first 40symbols are shown
Fig. 12DFT output – frequency domain
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TM5117EN02GLA01
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SC-FDMA
DFT Output –
Spectrum Reprezentation
Terminal 1
Terminal 2
Terminal 3
•The spectrum shows how onemodulation symbol is spreadover the bandwidth
•Each modulation symbol isspread over the entire400×15KHz=6MHz bandwidthavailable for each terminal
Fig. 13DFT Output –Spectrum Reprezentation
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FDMA
Subcarriers Mapping & IFFT
•Subcarrier Mapping &
IFFT = Inverse Fast Fourier
Transform
Fig. 14Subcarriers Mapping & IFFT
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SC-FDMA
Subcarriers Mapping
Could be achieved by inserting zeros among the output of the DFT
The zero padded DFT output is mapped to the number of subcarriers (IFFT size)
The position of zeros should determine to which subcarriers the data is mapped
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FDMA
Subcarrier Mapping
Terminal 1 – transmits in
the 0-6 MHz range
Terminal 2 – has been allocated forthe next 400 subcarriers, hence ittransmits in the 6-12 MHz range
Terminal 3 – is scheduled in the lastavailable 400 subcarriers, therefore ittransmits in 12-18MHz range
Fig. 15Subcarrier Mapping
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SC-FDMA
IFFT Output – Time Domain Representation
IFFTIFFTTime
Domain
x0, x1, …, xN-1
The PAR is the same asthat used for the
original modulationsymbols because ofserial transmission
Fig. 16IFFT Output – Time Domain Representation
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FDMA
Subcarriers Mapping
•Up -
Conversion
Fig. 17Subcarriers Mapping
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SC-FDMA
Up-conversion
Time
domain
Frequency
domain
Fig. 18Up-conversion
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FDMA
SC-FDMA Simulation Overview
Fig. 19SC-FDMA Simulation Overview
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SC-FDMA
