空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 張妍哲

MMSE檢測下的LTE鏈路級仿真到系統(tǒng)級仿真的接口方法

空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 張妍哲

本文根據(jù)鏈路級仿真提供的鏈路參數(shù)可以得到各子載波上的信噪比，將其帶入Logistic函數(shù)可以計算出含編碼調(diào)節(jié)參數(shù)β的有效信噪比，再使用加權(quán)的參數(shù)優(yōu)化方法即可直接計算出鏈路的誤塊率，以供系統(tǒng)級仿真調(diào)用。這樣解決了指數(shù)有效信噪比映射算法中預(yù)測準(zhǔn)確度低和互信息量有效信噪比映射算法計算復(fù)雜度高的問題，通過增大關(guān)鍵區(qū)域誤差在優(yōu)化過程中的權(quán)重，提高關(guān)鍵區(qū)域中算法的準(zhǔn)確度。

LTE；系統(tǒng)級仿真；接口

1.LTE系統(tǒng)級仿真

系統(tǒng)級仿真是對整個系統(tǒng)的規(guī)劃方案以及底層算法性能的檢驗(yàn)手段，系統(tǒng)級仿真是一種多點(diǎn)對多點(diǎn)的仿真，需要點(diǎn)對點(diǎn)之間的鏈路性能作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，然而在系統(tǒng)仿真中對鏈路性能進(jìn)行測量的開銷十分巨大，因此引入鏈路級仿真到系統(tǒng)級仿真（Link to System，L2S）的接口方法，將鏈路仿真與系統(tǒng)仿真分離。鏈路級仿真為系統(tǒng)級仿真提供誤塊率（Block Error Rate，BLER）與信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）的關(guān)系。這樣系統(tǒng)級仿真僅需要提供發(fā)射功率、調(diào)制編碼方式等上層數(shù)據(jù)，就可以得到相應(yīng)方案下的鏈路性能，以供系統(tǒng)級仿真調(diào)用，從而減少仿真時間。

互信息量有效信噪比映射算法（Mutual Information Effective SNR Mapping，MIESM）和指數(shù)有效信噪比映射算法（Exponential Effective SNR Mapping，EESM）是應(yīng)用最為廣泛的鏈路層到系統(tǒng)級映射算法，它們通過將各子載波上的信噪比映射為一個有效值來預(yù)測鏈路的性能；由于系統(tǒng)級仿真往往更加關(guān)注某一關(guān)鍵區(qū)域的預(yù)測性能，在使用傳統(tǒng)方法優(yōu)化待定參數(shù)時，由于非關(guān)鍵區(qū)域預(yù)測誤差的存在，會導(dǎo)致關(guān)鍵區(qū)域的算法性能無法達(dá)到最優(yōu)。

2.預(yù)編碼方案的改進(jìn)

本文針對采用最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）檢測的無線通信系統(tǒng)仿真，提供一種MMSE檢測下的鏈路級仿真到系統(tǒng)級仿真的接口方法，該方法包括以下步驟：

（1）在理想信道估計以及MMSE檢測的條件下，計算最佳的接收矩陣G，表達(dá)式如下：

式中，H表示信道矩陣，HH表示矩陣H的共軛轉(zhuǎn)置，σ2表示噪聲功率，I表示單位陣；

（2）利用步驟（1）中的信道矩陣H和接收矩陣G計算出信噪比γik，表達(dá)式如下：

式中，SINGikγik表示第i層數(shù)據(jù)流上的第k個子載波的信噪比，gik表示第k個子載波對應(yīng)的矩陣G的第i行向量，表示第k個子載波對應(yīng)的矩陣H的第j列向量，其中，M、 N分別為矩陣H的行數(shù)與列數(shù)，，L為子載波的個數(shù)，Pt表示符號的發(fā)送功率；

（3）根據(jù)步驟（2）中子載波信噪比γik建立等效信噪比γeff(β)的表達(dá)式如下：

（4）根據(jù)同一誤塊率在AWGN參考曲線上對應(yīng)的信噪比與所述有效信噪比γeff(β)之間的加權(quán)均方誤差最小的原則計算最優(yōu)編碼調(diào)節(jié)參數(shù)βopt；

（5）利用所述最優(yōu)編碼調(diào)節(jié)參數(shù)βopt和步驟（3）中所述等效信噪比γeff(β)的表達(dá)式計算出等效信噪比γeff(β)，然后查詢AWGN參考曲線得到鏈路的誤塊率，并根據(jù)所述誤塊率調(diào)整系統(tǒng)級仿真的資源分配，功率分配以及編碼調(diào)制方案。

其中，步驟（3）中對于不同調(diào)制方式，信噪比γ與比特信道容量I(γ)的關(guān)系式不同，

調(diào)制方式為QPSK時：

調(diào)制方式為16QAM時：

調(diào)制方式為64QAM時：

其中，步驟（4）中所述最優(yōu)編碼調(diào)節(jié)參數(shù)βopt的計算表達(dá)式為：

式中，γAWGN表示某一誤塊率在AWGN參考曲線上對應(yīng)的信噪比，W為加權(quán)因子。

其中，加權(quán)因子W與誤塊率BLER的關(guān)系式如下：

式中，δ表示實(shí)際仿真中截止誤塊率的對數(shù)值，即誤塊率達(dá)到該值時就不再提高信噪比，直接結(jié)束仿真。其中，所述截止誤塊率的值設(shè)置為0.01。

3.仿真結(jié)果

下圖為Logistic函數(shù)計算信道容量與真實(shí)信道容量的對比圖?？梢钥闯鲈?6QAM和64QAM下使用上述公式計算的比特信道容量與真實(shí)比特信道容量的對比結(jié)果，兩者曲線幾乎重合，可以看出本文采用的基于Logistic函數(shù)的計算方式能較好的反映信道容量，在高階調(diào)制時擁有更高的預(yù)測準(zhǔn)確度。

下圖改進(jìn)方案和EESM算法的均方差性能對比圖。在關(guān)鍵區(qū)域的誤塊率BLER下，對應(yīng)的SNR在不同MCS下的均方差。從仿真結(jié)果可以看出改進(jìn)方法下幾乎所有的MCS下的SNR均方差均優(yōu)于EESM算法下的均方差，亦即改進(jìn)的接口方法使得仿真結(jié)果在關(guān)鍵區(qū)域擬合得更好，因此改進(jìn)算法要優(yōu)于EESM算法。

[1]何金薇,丁璐,劉志敏.LTE系統(tǒng)級仿真建模實(shí)現(xiàn)及其優(yōu)化[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,48(22):104-108.

[2]鄭建濤.基于MATLAB的LTE系統(tǒng)級仿真研究[D].北京郵電大學(xué),2013.

[3]楊蓓.LTE系統(tǒng)級仿真及關(guān)鍵技術(shù)研究與評估[D].北京郵電大學(xué),2014.