基于TD-LTE系統(tǒng)的新型SNR和CQI映射方案

陳發(fā)堂,游 杰,楚 楊

(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),重慶 400065)

1 引 言

長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)是3GPP提出的具有高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的寬帶通信系統(tǒng),在20 MHz帶寬下必須滿足300 Mbit/s的下行峰值速率和150 Mbit/s的上行峰值速率。為了滿足其目標(biāo)需求,LTE上行鏈路采用單載波頻分多址技術(shù)(SC-FDMA),下行鏈路采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)接入技術(shù)在內(nèi)的一些關(guān)鍵技術(shù)[1]。

鏈路自適應(yīng)技術(shù)能夠改善頻譜利用率,調(diào)整傳輸數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼方式和編碼速率,補(bǔ)償由于信道變化對(duì)接收信號(hào)造成的影響。在LTE系統(tǒng)中,如何反饋當(dāng)前的信道質(zhì)量給網(wǎng)絡(luò)端是鏈路自適應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)所在。這些技術(shù)都需要用戶根據(jù)當(dāng)前接收到的信號(hào)來(lái)獲得信噪比(SNR),然后根據(jù)一定的規(guī)律將SNR映射成信道質(zhì)量指示(CQI),反饋給網(wǎng)絡(luò)端。其中UE只有通過(guò)PUSCH或者PUCCH上承載CQI的幾個(gè)比特上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)端,所以如何將當(dāng)前的信道環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)化為CQI是非常重要的。

本文采用了互信息有效SINR映射(MI-ESM)算法來(lái)測(cè)量SNR,并且合并TD-SCDMA的CQI計(jì)算和映射的思想,提出了一種新的CQI序號(hào)和SNR的區(qū)域映射關(guān)系,解決了不同的編碼速率和調(diào)制方式形成的CQI組合較多的情況。通過(guò)大量的仿真得到吞吐量曲線,表明該方案不僅滿足性能要求而且使得DSP實(shí)現(xiàn)非常的簡(jiǎn)單,極大地節(jié)省了工作量。

2 LTE系統(tǒng)鏈路自適應(yīng)框架

LTE鏈路自適應(yīng)過(guò)程如圖1所示,下行發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)添加循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)、信道編碼、速率匹配、加擾、調(diào)制、資源映射、基帶信號(hào)生成等過(guò)程[2]。在接收端,要經(jīng)過(guò)發(fā)送端的所有逆過(guò)程。而鏈路自適應(yīng)調(diào)制編碼方案則是在信道估計(jì)之后計(jì)算SNR、映射CQI、選擇MCS然后再反饋給網(wǎng)絡(luò)端的過(guò)程[3-4]。

圖1 鏈路自適應(yīng)框架Fig.1 LTE adaptive system model

其中鏈路信道模型的時(shí)域滿足:

式中,L是多徑數(shù)目,τl代表第l條路徑的延時(shí),hl代表第l條路徑的衰減,Pl代表第l條路徑的功率,必須滿足本文采用兩種信道進(jìn)行仿真,AWGN用來(lái)仿真CQI和誤塊率(BLER)之間的映射關(guān)系,EPA用來(lái)求實(shí)際上求得的SNR。其中EPA信道模型的信道環(huán)境參數(shù)[5]見(jiàn)表1。

表1 LTE系統(tǒng)中EPA信道環(huán)境參數(shù)Table 1 EPA channel parameters in LTE systems

3 SNR映射方法

在OFDM系統(tǒng)中,由于頻率選擇性的影響,各子載波上的衰落經(jīng)過(guò)都不同,致使兩條具有同樣信噪比的鏈路也可能產(chǎn)生不同的誤塊率。在多載波移動(dòng)通信系統(tǒng)中主要有兩種鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)映射方法[6,7]:指數(shù)有效SNR映射(EESM)和互信息有效SNR映射(MI-ESM)。這兩種算法建立一個(gè)從多狀態(tài)信道到等效單狀態(tài)信道的映射函數(shù),并使該映射函數(shù)只依賴(lài)于編碼調(diào)制方式,而與信道類(lèi)型無(wú)關(guān)。這兩種方法的主要差別就是使用的信息測(cè)度函數(shù)不一樣。

3.1 EESM方法

EESM方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以提供精確的即時(shí)BLER估計(jì),而且該方法與信道類(lèi)型無(wú)關(guān)?；舅枷胧前鸭磿r(shí)信道狀態(tài)映射為一個(gè)有效的SNR,通過(guò)這個(gè)標(biāo)量值從AWGN性能曲線上得到該信道狀態(tài)的BLER。文獻(xiàn)[7]使用壓縮函數(shù) I(x)也叫信息測(cè)度函數(shù)來(lái)反映SNR。I-1(x)是I(x)的反函數(shù),其表達(dá)式為

這樣通過(guò)式(2)和式(3)得到SNR的映射函數(shù):

式中,M為用戶分得的子載波個(gè)數(shù),γi為每個(gè)子載波上的SNR。為了滿足式(4),每一種MCS都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的尺度因子 β,用于性能曲線與估計(jì)性能曲線不匹配時(shí)的調(diào)節(jié)。β是一個(gè)漸進(jìn)優(yōu)化過(guò)程,其目標(biāo)是使多態(tài)信道下的性能曲線都可以逼近AWGN信道的性能曲線。依據(jù)“最小適配準(zhǔn)則”優(yōu)化 β值,其公式如下:

在EESM方法中,一個(gè)UE所有的子載波都使用相同的 β值,使得每個(gè)子載波使用相同的調(diào)制和編碼方式,這樣就限制了自適應(yīng)調(diào)試編碼方式的使用,在某種程度上EESM會(huì)影響其性能。

3.2 MI-ESM映射方法

和EESM相比,當(dāng)使用MI-ESM的時(shí)候,自適應(yīng)調(diào)制和編碼的性能會(huì)更容易得到體現(xiàn),因?yàn)檫@種映射方法不要求每一個(gè)用戶的所有子載波都使用相同的調(diào)制和編碼方式,公式如下:

式中,mp是每個(gè)調(diào)制符號(hào)的比特?cái)?shù),X是數(shù)據(jù)符號(hào)的集合,Y是零均值單位方差復(fù)高斯變量,β是只和調(diào)制編碼方式有關(guān)的自由參數(shù)。因?yàn)?β只和MCS有關(guān),而MCS和SNR又對(duì)應(yīng)著CQI,所以我們根據(jù)系統(tǒng)鏈路級(jí)仿真,可以得出β和CQI是對(duì)應(yīng)的,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 β和CQI的關(guān)系Table 2 The relationship between β and CQI

對(duì)比EESM算法,每一種調(diào)制方式X下的互信息量I(x)都需要預(yù)先實(shí)現(xiàn)并存儲(chǔ)在一個(gè)表格里面,然后再通過(guò)系統(tǒng)查表來(lái)完成SNR映射的操作,這樣就會(huì)加快仿真的速度。而且在使用MI-ESM的時(shí)候,自適應(yīng)調(diào)制和編碼的性能能夠得到更好的體現(xiàn),因?yàn)檫@種映射方法不要求一個(gè)用戶的所有子載波都使用相同的調(diào)制編碼方式,這樣我們就有更大的自由度和時(shí)間去設(shè)計(jì)自適應(yīng)多載波資源的分配。根據(jù)這些優(yōu)點(diǎn)本文在系統(tǒng)仿真中采用的是MI-ESM方法。

4 SNR到CQI的映射方法

在SNR到CQI映射的過(guò)程中,首先介紹了一種傳統(tǒng)的映射方法,然后提出了一種新的SNR到CQI的映射關(guān)系。按照協(xié)議的要求,我們上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)端的調(diào)制編碼方式必須滿足BLER≤10%。

4.1 傳統(tǒng)的映射方法

文獻(xiàn)[8]提出了一種SNR到CQI的直接映射關(guān)系,這種映射關(guān)系的環(huán)境是在AWGN環(huán)境下固定BLER=0.1的情況下,通過(guò)系統(tǒng)仿真曲線來(lái)確定SNR和CQI的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。其表達(dá)式如下:

式中,VSINRi代表第 i個(gè)SNR的值,VCQIi表示的是第i個(gè)CQI的值。而其中使用的編碼塊是PDSCH的傳輸塊大小(ITBS)。這種方法雖然簡(jiǎn)單,存儲(chǔ)方便,但是在ITBS很小的時(shí)候,SNR基本不隨ITBS的變化而變化;而當(dāng)ITBS很大的時(shí)候,SNR和ITBS的變化不成線性關(guān)系,這樣會(huì)導(dǎo)致上報(bào)時(shí)選擇不能夠負(fù)荷ITBS,導(dǎo)致吞吐量下降。所以下面介紹一種改進(jìn)的映射方法。

4.2 新型的映射方法

結(jié)合區(qū)域擬合可以?xún)?yōu)化DSP存儲(chǔ)的思想,本文提出了一種新型的映射方法。

(1)計(jì)算每一個(gè)ITBS對(duì)應(yīng)的物理資源塊的編碼速率,其中編碼速率=(數(shù)據(jù)塊大小+CRC冗余比特)/PDSCH分配的物理資源比特?cái)?shù),而編碼效率=編碼速率×調(diào)制編碼方式,CRC固定比特?cái)?shù)位24。

(2)計(jì)算每一個(gè)ITBS所對(duì)應(yīng)的物理資源塊的平均編碼速率。

(3)通過(guò)大量的仿真得出CQI和 ITBS之間的關(guān)系,如表3所示。其中仿真包括改變數(shù)據(jù)塊大小、改變調(diào)制編碼方式、改變信道環(huán)境等來(lái)得出其關(guān)系。

(4)對(duì)下行共享信道PDSCH的不同數(shù)據(jù)塊在AWGN信道環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真,其仿真結(jié)果如圖2所示。

表3 CQI和 ITBS的關(guān)系Table 3 The relationship between CQI and ITBS

圖2 誤塊率和SNR曲線Fig.2 The curve of BLER and SNR

(5)采用近似直線擬合方式進(jìn)行擬合。根據(jù)步驟3,擬合SNR和CQI之間的關(guān)系,在這里我們把SNR劃分為3個(gè)不同的區(qū)域,而在這3個(gè)區(qū)域之中,SNR和CQI都擬合成線性的關(guān)系,其CQI和SNR的線性表達(dá)式如下:

TMS320C64x系列在TMS320C6000 DSP芯片中處于領(lǐng)先水平,它不但提高了時(shí)鐘頻率,而且在體系結(jié)構(gòu)上采用了VelociTI甚長(zhǎng)指令集(Very Long Instruction Word,VLIW)結(jié)構(gòu)[9]。本文在TMS320C64x DSP芯片中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在DSP軟件實(shí)現(xiàn)中,通過(guò)指令并行執(zhí)行,盡量?jī)?yōu)化程序循環(huán)體,減少或消除程序中的“NOP”指令,通過(guò)在CCS3.3上仿真運(yùn)行程序,此時(shí)TMS320C64x芯片的主頻一般為1 GHz,即在1 ms內(nèi)可以完成1.0×106cycle,一個(gè)指令周期耗時(shí)為1 ns左右,在理想信道情況下,新型的映射算法在整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程耗時(shí)8 496個(gè)指令周期,而且這種映射方法在DSP中所占有的內(nèi)存非常少。

通過(guò)這種映射關(guān)系,我們?cè)趯?shí)現(xiàn)中不僅易于存儲(chǔ)和實(shí)現(xiàn),而且適用于不同的信道環(huán)境、調(diào)制編碼方式、數(shù)據(jù)塊大小等,對(duì)比傳統(tǒng)的方法有更好的自適應(yīng)性能。

5 MATLAB仿真

本文采用MATLAB 7.0對(duì)TD-LTE下行鏈路進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真,映射方法則采用MI-ESM算法,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)框架中的所有流程處理,無(wú)線信道為高斯信道。分別對(duì)不同的調(diào)制方式、SINR、BLER和頻譜利用率進(jìn)行了仿真。仿真采用統(tǒng)一的條件和參數(shù),如表4所示。

表4 仿真條件和參數(shù)Table 4 Simulation condition and parameters

我們用15種調(diào)制編碼方式和15傳輸塊大小來(lái)對(duì)應(yīng)15種CQI的序號(hào),由仿真知,隨著SNR的增加,CQI序號(hào)也增加。從這里我們可以看出,信道質(zhì)量越好CQI序號(hào)就越大,由此所對(duì)應(yīng)的調(diào)制編碼方式的階數(shù)也就越高,傳輸塊就越大。根據(jù)3GPP提出的要求即CQI的取值必須滿足誤塊率小于等于10%的情況下才能選取,本文取誤塊率等于10%的條件下取CQI。然后根據(jù)本文4.2節(jié)提出來(lái)的改進(jìn)映射方法來(lái)映射出CQI和SNR之間的關(guān)系,對(duì)比傳統(tǒng)的CQI和SNR映射關(guān)系,改進(jìn)方法具有良好的自適應(yīng)能力,而且從圖3中可以看到不同的CQI所對(duì)應(yīng)的吞吐量曲線都能夠滿足協(xié)議上規(guī)定的要求。

圖3 吞吐量和SNR曲線Fig.3 The curve of throughput and SNR

通過(guò)以上分析可知,改進(jìn)的映射方法不僅可以有效地解決不同調(diào)制編碼方式和編碼速率形成的CQI組合情況較多的情況,而且易于存儲(chǔ),因此非常適合TD-LTE系統(tǒng)的要求,可以應(yīng)用于該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)TD-LTE系統(tǒng)中的高效實(shí)時(shí)性要求和復(fù)雜的CQI上報(bào)過(guò)程,本文介紹了兩種常用的SNR映射方法,在理論和實(shí)際過(guò)程中都能夠應(yīng)用到。同時(shí)本文提出了一種基于TD-LTE系統(tǒng)的新型CQI和SNR映射關(guān)系,并且用TMS320C64x DSP芯片進(jìn)行cycle的計(jì)算。這種映射關(guān)系可以很好地反應(yīng)出當(dāng)前的信道質(zhì)量,而且適用于各種系統(tǒng)仿真參數(shù)的變化,在DSP實(shí)現(xiàn)中易于存儲(chǔ)和實(shí)現(xiàn)。從仿真圖可以看出新的映射方法在性能吞吐量方面得到了完美的體現(xiàn),具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值,值得推廣使用。

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