陳發(fā)堂　高　奇

(重慶郵電大學(xué)重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 重慶　400065)

UE速度和CQI時(shí)延對(duì)LTE/LTE-A系統(tǒng)效率的影響

陳發(fā)堂高奇

(重慶郵電大學(xué)重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 重慶400065)

摘要：針對(duì)無(wú)線信道復(fù)雜的時(shí)變特性，采用自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)技術(shù)進(jìn)行下行資源的調(diào)度，以提高LTE/LTE-A系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)性能。AMC技術(shù)的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)端使用終端反饋的實(shí)時(shí)信道質(zhì)量指示(CQI)進(jìn)行下行調(diào)度，但現(xiàn)有LTE/LTE-A系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大多并未考慮CQI時(shí)延帶來(lái)的影響。因此，建立LTE/LTE-A系統(tǒng)模型，并結(jié)合WINNER II信道模型，對(duì)不同信道環(huán)境下CQI時(shí)延和用戶設(shè)備(UE)速度對(duì)LTE/LTE-A系統(tǒng)的影響進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，LTE/LTE-A系統(tǒng)的效率隨著終端速度和CQI時(shí)延的增加而降低，并且在惡劣的信道環(huán)境下，終端速度和CQI時(shí)延對(duì)LTE/LTE-A系統(tǒng)效率的影響更嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)調(diào)制編碼信道質(zhì)量信道模型無(wú)線移動(dòng)通信高速路網(wǎng)可靠性

0引言

無(wú)線移動(dòng)通信的一個(gè)重要特征就是瞬時(shí)信道條件具有快速而顯著的波動(dòng)。在一個(gè)小區(qū)內(nèi)，各條無(wú)線鏈路上所經(jīng)歷的信道質(zhì)量存在快速且一定程度的隨機(jī)波動(dòng)，這種波動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)的頻譜效率和通信的可靠性都會(huì)產(chǎn)生不可忽略的影響[1]。對(duì)此，LTE與LTE-A系統(tǒng)均采用了自適應(yīng)調(diào)制編碼(adaptive modulation and coding,AMC)技術(shù)進(jìn)行下行資源調(diào)度。AMC技術(shù)根據(jù)無(wú)線信道在時(shí)間、頻率和空間上的變化，自適應(yīng)地調(diào)整傳輸參數(shù)，在維持不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)需求的同時(shí)，有效地提升了無(wú)線通信系統(tǒng)的平均頻帶利用率和傳輸效率，并提高了系統(tǒng)容量和可靠性[2]。

1LTE/LTE-A系統(tǒng)中的AMC技術(shù)

AMC技術(shù)根據(jù)無(wú)線信道的質(zhì)量調(diào)節(jié)調(diào)制方式與信道編碼速率來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

LTE/LTE-A中AMC技術(shù)原理框圖如圖1所示。

圖1　AMC技術(shù)原理框圖

當(dāng)無(wú)線信道質(zhì)量較好時(shí)，接收機(jī)具有較高的信噪比，此時(shí)限制LTE/LTE-A系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的主要因素為無(wú)線鏈路的帶寬，系統(tǒng)采用高階的調(diào)制等級(jí)(如64QAM和16QAM)與較高的編碼速率。類似地，當(dāng)無(wú)線信道的質(zhì)量較差時(shí)，系統(tǒng)適用QPSK等低階的調(diào)制等級(jí)和較低的編碼速率[4]。這樣，既保證了系統(tǒng)的資源得到有效利用，提高了吞吐量，又保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

AMC技術(shù)的關(guān)鍵是要獲得用戶設(shè)備(user eqipment,UE)實(shí)時(shí)的CQI反饋，而大多實(shí)際使用的LTE/LTE-A系統(tǒng)中并沒(méi)有考慮CQI的時(shí)延,這就導(dǎo)致在t時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行下行調(diào)度決策的時(shí)候使用的是(t-τ)時(shí)刻的CQI。

2系統(tǒng)模型

根據(jù)圖1所示的AMC技術(shù)原理框圖，建立分析實(shí)際CQI反饋對(duì)LTE/LTE-A系統(tǒng)性能影響的系統(tǒng)模型。該模型包括無(wú)線信道功能模塊、終端功能模塊以及網(wǎng)絡(luò)端功能模塊。

2.1無(wú)線信道功能模塊

LTE/LTE-A系統(tǒng)采用的頻段多在2 GHz附近，并且單載波的帶寬最大達(dá)到了20 MHz，通過(guò)載波聚合技術(shù)更能達(dá)到100 MHz的驚人帶寬。在這種情況下，無(wú)線通信環(huán)境更加復(fù)雜，且不同的場(chǎng)景對(duì)通信影響也有很大的差別，因此3G 時(shí)代的信道模型(如SCM信道模型)由于最大支持帶寬的限制以及場(chǎng)景選擇的匱乏等原因，已不再適用于LTE/LTE-A系統(tǒng)的仿真。本文選擇了WINNER II 無(wú)線信道模型。WINNER II信道模型能夠支持2～6 GHz的載頻和100 MHz的系統(tǒng)帶寬，并且將通信場(chǎng)景細(xì)分為17種傳播場(chǎng)景[4]。WINNER II 信道模型是一個(gè)基于幾何的參數(shù)化信道模型，其信道參數(shù)都是WINNER 組織根據(jù)實(shí)際信道的大量測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到的。這些信道參數(shù)包括時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展、陰影衰落等大尺度參數(shù)和時(shí)延、到達(dá)角/離開(kāi)角(AOA/AOD)、簇功率等小尺度參數(shù)。WINNER II 信道模型的不同場(chǎng)景可以采用相同的方法建模，只是各個(gè)參數(shù)的設(shè)置不同，這為無(wú)線通信系統(tǒng)的仿真提供了很大的便利[4]。

根據(jù)仿真系統(tǒng)的要求，采用WINNER II信道模型中的C2場(chǎng)景(典型城市宏蜂窩場(chǎng)景)和C3場(chǎng)景(惡劣城市宏蜂窩場(chǎng)景)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，其主要信道參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

需要注意的是，C2和C3場(chǎng)景在NLOS(無(wú)視距徑)情況下采用的路損模型參數(shù)相同，如式(1)所示；但是C2場(chǎng)景的LOS和NLOS有很大不同，如式(2)所示。

PLNLOS=[44.9-6.55 log10(hBS)]log10(d)+

(1)

PLLOS=40 log10(d)+13.47-141log10(hBS)-

(2)

2.2終端功能模塊

終端模塊主要進(jìn)行下行鏈路質(zhì)量的測(cè)量，將得到的各子載波信干噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio,SINR)根據(jù)相應(yīng)策略映射為CQI，并反饋給終端。為了盡可能地提高系統(tǒng)吞吐率，LTE/LTE-A高層要求信噪比(signaltonoiseratio,SNR)到CQI的映射必須保證系統(tǒng)誤塊率不超過(guò)0.1[1-6]。

LTE/LTE-A系統(tǒng)終端進(jìn)行下行信道質(zhì)量測(cè)量的過(guò)程如圖2所示。

圖2　下行信道質(zhì)量測(cè)量流程圖

式(3)和式(4)分別給出了網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行調(diào)制編碼方式選擇的策略以及相應(yīng)系統(tǒng)吞吐量的期望值。

(3)

(4)

須進(jìn)一步說(shuō)明的是，終端在測(cè)量下行信道生成過(guò)程中需要進(jìn)行有效信噪比映射，即將終端測(cè)量得到的SNR映射為單態(tài)信道的SNR?，F(xiàn)在比較流行的有效信噪比映射算法有：互信息有效信噪比(mutualinformationeffectiveSNRmapping,MIESM)映射和指數(shù)有效信噪比(emponentialeffectiveSNRmapping,EESM)映射[7]。

大量的文獻(xiàn)研究證明：MI-ESM算法整體性能要略優(yōu)于EESM算法，但是帶來(lái)了很大的時(shí)間復(fù)雜度。本文選擇了EESM算法，以減小系統(tǒng)的復(fù)雜度。其采用的信息測(cè)度函數(shù)為：

(5)

SISO信道下的SNR-BLER曲線是由大量的系統(tǒng)仿真得出的，并應(yīng)用于實(shí)際的LTE/LTE-A系統(tǒng)中。

2.3網(wǎng)絡(luò)端功能模塊

網(wǎng)絡(luò)端模塊的功能主要為下行調(diào)度策略的選擇。網(wǎng)絡(luò)端根據(jù)各個(gè)終端上報(bào)的CQI及相關(guān)策略，決定各個(gè)終端的下行數(shù)據(jù)發(fā)送使用的物理資源塊以及傳輸格式[8]。本文采用的下行調(diào)度策略為比例公平調(diào)度算法。比例公平調(diào)度算法在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，基于式(6)選擇用戶k進(jìn)行下行傳輸[9]。

(6)

這種調(diào)度策略雖然對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的下行性能造成了一定的影響，但是允許無(wú)線鏈路條件相對(duì)較差的終端得到一定的下行資源，符合本文的要求。

3系統(tǒng)仿真與分析

根據(jù)上文介紹的系統(tǒng)模型，在試驗(yàn)室的仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上搭建符合本文的仿真平臺(tái)。在仿真的過(guò)程中記錄各時(shí)間各個(gè)RB的CQI，分析其與終端移動(dòng)速度以及設(shè)置CQI反饋時(shí)延之間的相互影響。仿真的配置參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)參數(shù)配置

根據(jù)表1的配置，首先得到在WINNER II C2和C3場(chǎng)景不同情況下，網(wǎng)絡(luò)端獲得的CQI的標(biāo)準(zhǔn)差和延遲的CQI與理想的CQI的均方根誤差(root mean square error,RMSE)(以0 ms時(shí)延為基準(zhǔn))，如圖3所示。

圖3　C2和C3場(chǎng)景下的CQI標(biāo)準(zhǔn)差

CQI的實(shí)質(zhì)是離散化的SINR，CQI的標(biāo)準(zhǔn)差表示無(wú)線信道的波動(dòng)程度。從圖3中可以看到：在相同的CQI反饋時(shí)延下，終端速度越大，無(wú)線信道波動(dòng)越嚴(yán)重；在相同的終端速度情況下，CQI反饋時(shí)延越大，無(wú)線信道的波動(dòng)越嚴(yán)重。此外，在通信場(chǎng)景惡劣時(shí)，無(wú)線信道的波動(dòng)會(huì)更嚴(yán)重。為了進(jìn)一步分析，計(jì)算得到各個(gè)情況下的延遲CQI與理想CQI的均方根誤差(以0 ms時(shí)延的仿真記錄為理想CQI)，如圖4所示。

仿真結(jié)果表明，在相同的終端速度下，隨著時(shí)延的增大，反饋CQI與理想CQI之間的誤差越大；在相同的時(shí)延下，隨著終端的速度增加，反饋CQI和理想CQI之間的誤差越大。大的CQI誤差很可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)端選擇的調(diào)制編碼方案(modulation code scheme,MCS)和實(shí)際應(yīng)采用的方案不一致，降低系統(tǒng)性能。

圖4　C2、C3場(chǎng)景下的CQI均方根誤差

仿真得到的C2和C3場(chǎng)景下系統(tǒng)的吞吐率結(jié)果如圖5所示。

圖5　C2 、C3場(chǎng)景下系統(tǒng)的下行吞吐率

從圖5可以直觀地看出終端速度和CQI時(shí)延對(duì)系統(tǒng)吞吐率的影響。在同樣的終端速度情況下，系統(tǒng)的吞吐率隨著CQI時(shí)延的增大而降低；在同樣的CQI時(shí)延下，系統(tǒng)的吞吐率隨著終端速度的增加而降低。在惡劣的信道環(huán)境下(C3場(chǎng)景)，系統(tǒng)的吞吐率會(huì)隨著CQI時(shí)延的增加而更加快速地降低。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在WINNER II信道模型C2和C3場(chǎng)景中，就終端速度和CQI反饋時(shí)延對(duì)LTE/LTE-A系統(tǒng)下行調(diào)度的影響進(jìn)行了仿真分析，得出LTE/LTE-A系統(tǒng)中AMC系統(tǒng)的效率隨著終端速度和CQI反饋時(shí)延的增大而降低的結(jié)論?，F(xiàn)在實(shí)際的LTE/LTE-A系統(tǒng)仍然使用延遲的CQI作為下行調(diào)度的依據(jù)，其原因是在實(shí)際使用環(huán)境中，由于小區(qū)終端多處于隨機(jī)狀態(tài)，大多數(shù)情況下不會(huì)出現(xiàn)本文仿真中終端狀態(tài)高度一致

的現(xiàn)象，所以系統(tǒng)的性能不會(huì)受到很大的影響。但是在如高速鐵路以及城市高速公路等極端場(chǎng)景下，系統(tǒng)性能以及用戶體驗(yàn)都會(huì)受到較大影響。下一步，將對(duì)這些場(chǎng)景下依據(jù)CQI的下行調(diào)度算法作進(jìn)一步研究，以提高終端速度和大CQI反饋時(shí)延下的LTE/LTE-A系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)

[1] DAHLMAN E, PARKVALL S.SKOLD J.4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband [M]sweden:Elsevier,2012:82-101.

[2] NANDA S, BALACHANDRAN K, KUMAR S.Adaptation Techniques in Wireless Packet Data Services [J].IEEE Comm.Mag, 2000,38(1):54-64.

[3] CHOI J, HA J.On the Energy Efficiency of AMC and HARQ-IR

With QoS Constraints[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2013, 62(7):3261-3270.

[5] 陶根林,陳發(fā)堂.LTE系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代電信科技,2010,26(9):41-44.

[6] 葛躍田.自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2004, 169(2):34-36.

[7] 陳發(fā)堂,游杰,楚楊.基于TD-LTE系統(tǒng)的新型SNR和CQI映射方案[J].電訊技術(shù)，2011,51(8):1-5.

[8] XU J, LEE S J, KANG W S, et al.Adaptive resource allocation for MIMO-OFDM based wireless multicast systems [J].Broadcasting, IEEE Transactions on, 2010, 56(1): 98-102.

[9] 陳磊,盧軍,印翀.LTE基于Qos業(yè)務(wù)的比例公平調(diào)度算法研究[J].光通信研究,2012(5):64-67.

Influence of UE Speed and CQI Delay on Efficiency of LTE/LTE-A System

Abstract：Aiming at the complex time-varying characteristics of wireless channel, the adaptive modulation and coding (AMC) technology is adopted for scheduling downlink resource to improve the reliability and performance of LTE/LTE-A system.The key of AMC technology is using real time channel quality indicator (CQI), the feedback from user terminal, to conduct downlink scheduling; but at present, in most of the existing LTE/LTE-A systems, the CQI delay is ignored to simplify the design of system.Thus the model of LTE/LTE-A system is established and combined with WINNER II channel model for simulated analyzing the influence of user equipment (UE) and speed of CQI delay velouty on LTE/LTE-A system.The results show that the efficiency of LTE/LTE-A system is decreasing along with the increasing of the UE speed and CQI delay, and the impaction of UE speed and CQI delay on LTE/LTE system may be more serious under bad channel environment.

Keywords:AdaptiveModulationCodingChannel qualityChannel modelWireless mobile communicationHigh speed road networkRealibility

中圖分類號(hào)：TH86;TP27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606005

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2011ZX03001-002);

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2012ZX03001009-004);

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2012ZX03001024)。

修改稿收到日期：2015-10-28。

第一作者陳發(fā)堂(1965-)，男，1999年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，教授；主要從事TD-LTE物理層協(xié)議方向的研究。