从 15 kHz 到 20 MHz:为什么 LTE 带宽不能被子载波间隔整除?
1. 引言
在 LTE 系统中,子载波间隔被固定为 15 kHz ,而系统带宽却被设计为 1.4、3、5、10、15、20 MHz 六个档位。乍一看,这些带宽似乎无法被 15 kHz 整除,很多初学者会产生疑问:
为什么 LTE 系统带宽不是子载波间隔的整数倍?
本文将从子载波、资源块、系统带宽与保护带等角度,逐步解析这一设计背后的逻辑。
2. LTE 中的子载波与资源块
- 子载波(Subcarrier) :LTE 下行采用 OFDM,每个子载波间隔固定为 15 kHz。
- 资源块(Resource Block, RB) :LTE 并不是以单个子载波为分配单位,而是将 12 个子载波 × 15 kHz = 180 kHz 定义为一个 RB。
因此,在频域中,调度和分配都是基于 RB 进行的,而不是单独的子载波。
3. 系统带宽的设计逻辑
LTE 的系统带宽档位(1.4、3、5、10、15、20 MHz)并不是从子载波间隔反推得出的,而是由 3GPP 标准化组织根据以下考虑确定的:
- 适配现有的运营商频谱资源(常见频段通常以 MHz 为单位分配)。
- 保证与 GSM、WCDMA 等前代系统频谱规划的兼容性。
因此,LTE 带宽优先考虑 整数 MHz 档位,而不是"15 kHz 的整数倍"。
4. 有效带宽 vs 系统带宽
LTE 的"系统带宽"并不等于可用子载波数 × 15 kHz。
系统带宽实际上包含了 有效带宽(RB 组成) + 两侧保护带(Guard Band)。
常见带宽配置如下表:
系统带宽 | RB 数量 | 有效带宽 (RB×180 kHz) | FFT 点数 | 采样率 | 保护带约占 |
---|---|---|---|---|---|
1.4 MHz | 6 | 1.08 MHz | 128 | 1.92 MHz | ~0.32 MHz |
3 MHz | 15 | 2.7 MHz | 256 | 3.84 MHz | ~0.3 MHz |
5 MHz | 25 | 4.5 MHz | 512 | 7.68 MHz | ~0.5 MHz |
10 MHz | 50 | 9.0 MHz | 1024 | 15.36 MHz | ~1.0 MHz |
15 MHz | 75 | 13.5 MHz | 1536 | 23.04 MHz | ~1.5 MHz |
20 MHz | 100 | 18.0 MHz | 2048 | 30.72 MHz | ~2.0 MHz |
说明:
- 有效带宽由资源块决定,始终比系统带宽小。
- 差值部分就是保护带,用于隔离相邻系统,减少干扰。
5. 为什么要留保护带
LTE 之所以在系统带宽与有效带宽之间留出保护带,原因包括:
- 抗邻道干扰:避免与相邻信道或系统的频谱相互干扰。
- 满足射频滤波器特性:滤波器在带宽边缘需要滚降区。
- 减少边缘子载波失真:保证中间有效子载波的传输质量。
换句话说,保护带并不承载用户数据,但对系统可靠性至关重要。
6. FFT 点数与采样率的匹配
在实现上,OFDM 调制解调通过 IFFT/FFT 完成,频域分辨率取决于 FFT 点数。
- 采样率 = FFT 点数 × 子载波间隔。
- FFT 点数必须足够大,才能覆盖有效带宽和保护带。
举例:
- 20 MHz 系统带宽 → 有效带宽 18 MHz → FFT 2048 点 → 采样率 30.72 MHz。
- 这样,频谱映射可以整齐落在 FFT 网格上,既满足有效子载波承载数据,又能容纳保护带。
7. 总结
- LTE 系统带宽并不是 15 kHz 的整数倍,这是因为带宽档位由 标准化频谱分配习惯决定。
- 实际上传输数据的是 有效带宽(RB 组成),比系统带宽小。
- 系统带宽 = 有效带宽 + 保护带。
- FFT 点数和采样率则负责在实现层面保证频谱映射的整齐性。
一句话总结:
LTE 的带宽是频谱占用的外部定义,而有效子载波带宽才是系统内部的真实逻辑。