陳發(fā)堂，孫 鵬，徐熾云

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信協(xié)議研究所，重慶 400065)

LTE項(xiàng)目是3G的長(zhǎng)期演進(jìn)，它增強(qiáng)并改進(jìn)了3G的空中接口技術(shù)，在物理層上采用正交頻分復(fù)用，多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)，以達(dá)到高數(shù)據(jù)目標(biāo)和提高頻率利用率［1］。無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無(wú)線信道存在多徑衰落、陰影效應(yīng)、噪聲干擾以及多址接入等因素的影響，為了保證通信質(zhì)量，需要增加反饋機(jī)制使發(fā)送端知道目前的信道質(zhì)量，然后選擇合適的調(diào)制編碼方式。自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)(AMC)正是根據(jù)目前信道狀態(tài)，可以自適應(yīng)地調(diào)節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的編碼速率以及調(diào)制編碼方式，由此獲得最佳的吞吐量，以獲取數(shù)據(jù)傳輸率和誤碼率的最佳平衡。

因此采用怎樣的AMC方案對(duì)LTE的性能有至關(guān)重要的作用。目前TD－LTE系統(tǒng)的自適應(yīng)編碼技術(shù)，一般都是用戶根據(jù)接收到的信號(hào)估計(jì)信噪比，然后根據(jù)目前信道環(huán)境和噪聲環(huán)境下，使BLER不超過(guò)10%來(lái)選擇最高的MCS，以CQI的形式反饋給eNodeB。這些方法都要通過(guò)大量的仿真得到SNR－BLER的仿真曲線，然后尋找一種SNR與CQI的映射關(guān)系，并浪費(fèi)資源以CQI的形式反饋給eNodeB［2］，不僅復(fù)雜度高，還占用系統(tǒng)的資源，影響業(yè)務(wù)容量。當(dāng)終端在位置相對(duì)固定、信道變化相對(duì)較慢的時(shí)候，AMC的劣勢(shì)尤為明顯。基于這種情況，本文提出了一種簡(jiǎn)單的AMC方案，其思想是eNodeB利用UE反饋的BLER直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸?shù)腗CS，與傳統(tǒng)的CQI上報(bào)方案相比，節(jié)省系統(tǒng)資源且簡(jiǎn)單易行。通過(guò)理論分析和仿真，該AMC方案可以大量地節(jié)省工作時(shí)間，為系統(tǒng)節(jié)省了資源，從而提高了系統(tǒng)的吞吐量。該方案已運(yùn)用于TD－LTE射頻一致性測(cè)試系統(tǒng)中。

1 LTE系統(tǒng)中AMC概述

LTE系統(tǒng)中AMC實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。首先接收端根據(jù)信噪比的公式算出分配給自己的每個(gè)資源塊的SNR，將所有資源塊的SINR值帶入計(jì)算，得到有效的SNR值。根據(jù)有效的SNR值到AWGN信道下的SNR－BLER曲線上與目標(biāo)BLER比較，找出不超過(guò)目標(biāo)BLER(一般設(shè)為0.1)所對(duì)應(yīng)的MCS，再根據(jù)MCS與CQI的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到要反饋的CQI值，并將CQI反饋給eNodeB，eNodeB將其作為參考選擇合適的調(diào)制編碼方式發(fā)給UE。

1.1 有效信噪比映射

圖1 LTE系統(tǒng)AMC實(shí)現(xiàn)過(guò)程

LTE系統(tǒng)中，由于頻率選擇性，使得各個(gè)子載波經(jīng)過(guò)具有相同信噪比的鏈路，其產(chǎn)生的誤塊率卻不同。但是鏈路層性能曲線是假定頻率平坦信道且在給定的信噪比下產(chǎn)生的，因此，需要一個(gè)有效的信噪比，能將系統(tǒng)級(jí)(多個(gè))SINR精確映射到鏈路層(單個(gè))SNR上，從而確定BLER。這種映射就稱為有效信噪比映射(ESM)［3－4］。有效信噪比的計(jì)算就是將接收到的SINR向量值壓縮為一個(gè)有效的SINR標(biāo)量值。最常用的是指數(shù)有效信噪比映射(EESM)、互信息有效信噪比映射(MIESM)，利用這兩種方法建立一個(gè)從多態(tài)信道到單狀態(tài)信道的映射函數(shù)［5］。其中，EESM方法中，信息測(cè)量函數(shù)I(x)中尺度因子β在每個(gè)子載波中相同，使得每個(gè)子載波使用相同的調(diào)制編碼方式。MI－ESM的優(yōu)點(diǎn)是SINR映射的準(zhǔn)確性和通用性都很好，因此為最常用的一種映射方法，其公式為

式中:R是子載波的個(gè)數(shù);I(x)是MI－ESM的信息測(cè)度函數(shù);I－1(x)是I(x)的反函數(shù)。信息測(cè)度函數(shù)I(x)的表達(dá)式為

式中:Y為零均值、單位方差的高斯隨機(jī)變量;為當(dāng)i=b時(shí)的數(shù)據(jù)符號(hào)集合，b的取值為0或1;X為2m個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的集合;m為MCS中每調(diào)制符號(hào)所含的比特個(gè)數(shù)。MIESM中β的值根據(jù)目前所用的CQI的值得到。

1.2 CQI的生成

在AWGN信道環(huán)境下，在20 MHz時(shí)，通過(guò)大量的鏈路級(jí)仿真，得到信噪比和誤塊率之間的關(guān)系，如圖2所示。

根據(jù)上文中計(jì)算出的SNR，在圖2中找到令BLER為

圖2 AWGN下不同CQI的BLER與SNR之間的關(guān)系

0.1的最大CQI，這樣既可以保證BLER滿足要求，也能使吞吐量最大化?？梢悦枋鰹椋?］

式中:THn為圖2中得出的各CQI對(duì)應(yīng)的BLER為0.1時(shí)的SNR門限值。

2 本文提出的AMC方案

2.1 理論依據(jù)

在LTE－AMC系統(tǒng)中，在一定的發(fā)射功率下，為了優(yōu)化系統(tǒng)的覆蓋量和容量，發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送率要能夠匹配UE接收的信號(hào)質(zhì)量，即在UE接收到信號(hào)質(zhì)量好的情況下多發(fā)送數(shù)據(jù)，相反則少發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)這種原則，當(dāng)信道變化較慢時(shí)，可以利用基站實(shí)時(shí)檢測(cè)鏈路傳輸?shù)恼`塊率［7］，然后根據(jù)誤塊率通過(guò)一定的規(guī)則來(lái)調(diào)整下行傳輸使用的MCS，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制編碼方式。調(diào)整的規(guī)則是:如果誤塊率過(guò)大(一般取0.1)，則下調(diào)MCS，如果誤塊率過(guò)小(一般取0)，則上調(diào)MCS。當(dāng)信道變化相對(duì)較慢的時(shí)候，這種方案不僅使整個(gè)傳輸過(guò)程中的誤塊率較低(處于可接受的范圍)，又能為系統(tǒng)節(jié)省資源。尤其在系統(tǒng)的業(yè)務(wù)資源緊張時(shí)，可以更大程度地提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量。

2.2 方案步驟

整體步驟如圖3所示。

1)基站實(shí)時(shí)地檢測(cè)用戶傳來(lái)的BLER，在BLER統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度內(nèi)(一般取10個(gè)無(wú)線幀100 ms，下面所述的統(tǒng)計(jì)范圍均指10個(gè)無(wú)線幀)，將用戶反饋回來(lái)的BLER存在一個(gè)列表中，關(guān)于生成用戶反饋的BLER列表，可以分為以下幾個(gè)步驟:

圖3 方案步驟

(1)首先，如果收到用戶反饋的上一個(gè)無(wú)線幀的傳輸結(jié)果，則繼續(xù)步驟(2)，否則把NULL(表示給無(wú)線幀沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)或者收到的反饋不符合統(tǒng)計(jì)要求，不用與計(jì)算BLER值)插到表頭，并執(zhí)行步驟(4)。

(2)判斷剛剛收到的反饋結(jié)果是否符合統(tǒng)計(jì)要求，如果符合，則執(zhí)行步驟(3)，否則把NULL插到表頭，并執(zhí)行步驟(4)。

(3)把這些符合條件的反饋結(jié)果(ACK或NACK)放在列表的表頭，繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)。

(4)判斷目前統(tǒng)計(jì)的表長(zhǎng)度，如果大于BLER統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度(10個(gè)子幀)，則把隊(duì)尾方向多余的部分從列表中刪除，同時(shí)執(zhí)行下面的步驟2)，否則執(zhí)行步驟(1)，繼續(xù)循環(huán)。

2)根據(jù)基站記錄的下行傳輸列表，計(jì)算下行鏈路的誤塊率。其中BLER值=(NACK數(shù)目)/(ACK數(shù)目+NACK數(shù)目)。

3)根據(jù)誤塊率來(lái)適當(dāng)調(diào)整MCS。當(dāng)BLER值不小于0.1(常選取的BLER高門限)，則將MCS下降一級(jí);當(dāng)BLER值小于0(常設(shè)置的BLER低門限)，則將MCS上升一級(jí);否則，保持MCS不變。

3 仿真及結(jié)果

3.1 仿真條件

本文采用MATLAB 7.0，通過(guò)搭建仿真鏈路，對(duì)算法進(jìn)行仿真。為了便于分析上述AMC方案，在慢變信道下進(jìn)行，選擇信道模型EPA(Extended Pedestrian A model)5 Hz下進(jìn)行仿真(見(jiàn)表1)，基本參數(shù)如下:系統(tǒng)帶寬為20 MHz，采用的幾種MCS如表2所示，F(xiàn)FT大小為2 048，CP長(zhǎng)度160，TTI長(zhǎng)度1 ms，每個(gè)OFDM符號(hào)數(shù)為14，每個(gè)PRB子載波數(shù)取12，采樣頻率15.36 MHz，信道編碼為Turbo編碼。

表1 LTE系統(tǒng)中EPA傳播環(huán)境參數(shù)

表2 LTE系統(tǒng)幾種MCS

3.2 仿真結(jié)果與性能分析

對(duì)上述兩種AMC方案進(jìn)行仿真，令上文介紹的LTE系統(tǒng)中傳統(tǒng)的自適應(yīng)編碼技術(shù)為AMC1，令本文介紹的自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)為AMC2，同時(shí)為了便于比較，本文還采用兩種固定的MCS，分別為64QAM調(diào)制、3/4編碼速率(稱為MCS1)和QPSK調(diào)制、1/4編碼速率(稱為MCS2)。

圖4和圖5是上述幾種調(diào)制編碼方式的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，在該環(huán)境下，AMC1和AMC2都比固定的MCS1和MCS2吞吐量有很大的提高。同時(shí)隨著SNR值的增大，AMC2比AMC1的吞吐量更大，在SNR值等于15 dB的時(shí)候，AMC2已經(jīng)比 AMC1吞吐量增加了5 bit/symbol。實(shí)際上，從圖4中可以看出，SNR達(dá)到一定值時(shí)，AMC1的吞吐量甚至沒(méi)有 MCS1高，這是因?yàn)?0 MHz寬帶時(shí)，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量更大，資源比較緊缺，而AMC1中CQI計(jì)算的復(fù)雜度較高，而且CQI信息通過(guò)編碼調(diào)制并資源映射到RE上浪費(fèi)時(shí)頻資源，AMC2正是利用發(fā)送端計(jì)算出BLER直接得出MCS，不占用系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)容量，解決了資源緊張的情況，令吞吐量有明顯的提升。

圖4 AMC1，AMC2和MCS2吞吐量比較

4 結(jié)束語(yǔ)

圖5 AMC1，AMC2和MCS1吞吐量比較

針對(duì)TD－LTE系統(tǒng)中現(xiàn)有的自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)需占用上行資源，進(jìn)而使可提供的業(yè)務(wù)資源減少的情況，本文利用慢變信道特征，提出了一種在該信道環(huán)境下簡(jiǎn)單易行的AMC方案，并將其運(yùn)用到TD－LTE系統(tǒng)中。該方案通過(guò)接收端計(jì)算信道BLER來(lái)自適應(yīng)地調(diào)整MCS，與目前的AMC相比計(jì)算復(fù)雜度低且不占用額外的資源，在保證通信可靠性條件下，增加了系統(tǒng)的容量，從而增加了系統(tǒng)的吞吐量。仿真結(jié)果表明，當(dāng)信道環(huán)境變換較慢時(shí)，該方案明顯地提高了系統(tǒng)性能，尤其是在系統(tǒng)資源比較緊缺的時(shí)候，其優(yōu)勢(shì)更突出。

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