TD－HSDPA系統(tǒng)中改進(jìn)的CQI預(yù)測(cè)方法

趙偲為，羅 濤，尹長(zhǎng)川

(北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876)

為了滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，TD-SCDMA在Rel-5中引入了下行高速分組接入技術(shù)HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)。它可為下行提供高達(dá)2.8 Mbit/s的峰值速率，該性能的提高主要得益于系統(tǒng)在物理層引入了大量關(guān)鍵技術(shù)，包括高階調(diào)制、AMC(Adaptive Modulation and Coding，自適應(yīng)調(diào)制編碼)、HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求)以及快速調(diào)度等技術(shù)。AMC是根據(jù)信道條件自適應(yīng)地調(diào)整編碼速率和調(diào)制方式，當(dāng)信道條件好的時(shí)候，選擇高效率的編碼調(diào)制方法，以提高傳輸速率;當(dāng)信道條件差的時(shí)候，選擇低效率的編碼調(diào)制方法，以保證通信質(zhì)量。由此可見，在HSDPA技術(shù)中，要想提高傳輸速率和系統(tǒng)吞吐量，AMC技術(shù)是問題的關(guān)鍵所在。為此，本文將重點(diǎn)分析TD-HSDPA系統(tǒng)的AMC過程中影響其性能的關(guān)鍵因素，并提出了一種提高AMC性能的CQI(Channel Quality Indicator，信道質(zhì)量指示)預(yù)測(cè)算法。

1 AMC技術(shù)的現(xiàn)有研究工作

在TD-HSDPA系統(tǒng)中，AMC的過程如下［1］:

1)基站端通過HS-SCCH信道發(fā)送控制信息，指示下一個(gè)HS-DSCH傳輸?shù)馁Y源分配情況。UE收到該信息后，將知道在哪一個(gè)時(shí)隙和碼道接收下一個(gè)HS-DSCH信道承載的數(shù)據(jù)。

2)UE接收HS-DSCH信道承載的數(shù)據(jù)，并測(cè)量信道質(zhì)量。

3)根據(jù)HS-DSCH資源分配情況和測(cè)量結(jié)果，UE產(chǎn)生一個(gè)CQI，并在相應(yīng)HS-SICH(HS-SICH信道與HSPDSCH信道至少相隔8個(gè)時(shí)隙)上報(bào)給基站。CQI包括UE建議的傳輸塊大小和調(diào)制方式。

4)基站根據(jù)UE上報(bào)的CQI選擇合適的傳輸塊大小和調(diào)制方式。

5)基站在下行控制信道HS-SCCH上攜帶UE的控制信息，并在分配的HS-DSCH TTI上采用相應(yīng)的傳輸格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給UE。

整個(gè)過程中的關(guān)鍵在于:基站如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量信道質(zhì)量;UE怎樣產(chǎn)生一個(gè)合適的CQI;基站如何預(yù)測(cè)信道的變化，從而克服反饋時(shí)延帶來的影響。

一般來說，系統(tǒng)中常用信噪比(SNR)來衡量信道的質(zhì)量。在一定場(chǎng)景下，通過大量先驗(yàn)的性能仿真，找到滿足不同的QoS目標(biāo)(例如:使系統(tǒng)吞吐量最大，或保證一定的目標(biāo)誤塊率)時(shí)的SNR與CQI的映射關(guān)系。但這類方法得到的CQI的切換門限值都是在特定場(chǎng)景下的，用于實(shí)際信道環(huán)境中時(shí)，這種映射關(guān)系可能并不準(zhǔn)確，需要進(jìn)行一定的調(diào)整。文獻(xiàn)［2］提到了一種結(jié)合CRC校驗(yàn)調(diào)整門限值的方法，即當(dāng)接收幀通過CRC校驗(yàn)時(shí)，切換點(diǎn)的門限值降低一定的步長(zhǎng);當(dāng)接收幀未通過CRC校驗(yàn)時(shí)，切換點(diǎn)的門限值提高一定的步長(zhǎng)。但這種方法可能帶來“乒乓效應(yīng)”，即切換門限值在某一個(gè)值附近震蕩。因此，文獻(xiàn)［3］提出了一種改進(jìn)方案，只有接收端估計(jì)的下行鏈路質(zhì)量靠近當(dāng)前的切換點(diǎn)(如:±a dB范圍內(nèi))才進(jìn)行調(diào)整。又考慮到由于無線傳輸信道存在多徑、多普勒頻移等多種特性，SNR并不能完全反映信道的特性，如果采用單純的SNR指標(biāo)來調(diào)整門限，就會(huì)帶來性能損失，文獻(xiàn)［4］提出了一種綜合考慮接收徑數(shù)及多普勒頻移的門限調(diào)整算法。原理是在上述門限值調(diào)整算法的基礎(chǔ)上，根據(jù)NodeB對(duì)UE的多普勒頻移估計(jì)值和UE對(duì)徑數(shù)的估計(jì)值來確定調(diào)整步長(zhǎng)。當(dāng)信道變化率較大時(shí)，采用較大的調(diào)整步長(zhǎng)，達(dá)到迅速調(diào)節(jié)CQI門限以適應(yīng)信道變化的目的;而信道變化率較小時(shí)，采用較小的調(diào)整步長(zhǎng)，減小門限值不必要的波動(dòng)。

至于反饋時(shí)延方面，最常見的解決方案是信道預(yù)測(cè)，根據(jù)前幾幀的信道質(zhì)量預(yù)測(cè)當(dāng)前調(diào)度時(shí)刻的信道質(zhì)量。文獻(xiàn)［5-6］提出了利用歷史的SNR值進(jìn)行信道預(yù)測(cè)的方法?；径烁鶕?jù)上報(bào)的CQI找到對(duì)應(yīng)的SNR值，然后利用SNR的歷史值進(jìn)行信道預(yù)測(cè)，得到調(diào)度時(shí)刻的SNR預(yù)測(cè)值，再根據(jù)SNR與CQI的關(guān)系得到相應(yīng)的CQI。這種方法需要基站端知道SNR與CQI的映射關(guān)系。在FDD系統(tǒng)中，為了方便HSDPA技術(shù)的使用，3GPP規(guī)范中定義了30種CQI級(jí)別，并在技術(shù)報(bào)告中給出了SNR與CQI的線性關(guān)系［7］。所以，在基站端能很方便地從CQI得到SNR。但在TDD系統(tǒng)中，沒有相關(guān)文檔給出SNR與CQI的線性關(guān)系，不同的終端廠商SNR與CQI映射關(guān)系的實(shí)現(xiàn)方式不同，所以很難直接根據(jù)上報(bào)的CQI得到對(duì)應(yīng)的SNR，以致在TD-HSDPA系統(tǒng)中，很難直接利用SNR的歷史值預(yù)測(cè)信道。同樣，文獻(xiàn)［8］提出的利用每個(gè)子幀的DPCH信道的TPC信息對(duì)信道預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整的方法也是假設(shè)基站端能通過上報(bào)的CQI得到對(duì)應(yīng)的SNR，有一定的局限性，而且這些算法都只考慮了反饋時(shí)延，沒有考慮到SNR與CQI的映射的準(zhǔn)確性帶來的影響。綜上所述，本文將綜合考慮SNR與CQI的映射的準(zhǔn)確性和反饋時(shí)延對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提出一種CQI預(yù)測(cè)的方法。該方法在基站端直接利用CQI的歷史值進(jìn)行信道預(yù)測(cè)，克服反饋時(shí)延帶來的性能下降，同時(shí)，在UE端對(duì)SNR與CQI的映射表進(jìn)行調(diào)整，盡可能保證SNR與CQI的映射表的準(zhǔn)確性。

2 SNR與CQI的映射

3GPP中要求采用AMC技術(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)首次傳輸?shù)恼`塊率不能超過10%。因此，本文中將采用傳統(tǒng)的SNR與CQI映射方法，在一定的場(chǎng)景下，通過大量先驗(yàn)的性能仿真，找到使系統(tǒng)在沒有重傳的情況下誤塊率不超過10%的SNR與CQI的映射關(guān)系。

假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)采用固定RU分配方案，即一個(gè)TTI內(nèi)所有調(diào)度用戶占用的碼道資源固定且相等，系統(tǒng)為HSPDSCH配置了5個(gè)時(shí)隙，共80個(gè)碼道，且不考慮HARQ重傳。分別在3 km/h的單徑瑞利信道下，仿真不同CQI的誤塊率曲線，然后在誤塊率為10%的約束下，根據(jù)不同傳輸塊大小的誤塊率曲線把信道的整個(gè)SNR范圍劃分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)CQI值。如圖1所示，如果UE測(cè)得的SNR介于T(n-1)與T(n)之間，根據(jù)映射關(guān)系，將反饋CQI(n-1)。

圖1 特定場(chǎng)景下不同CQI的誤塊率曲線

3 CQI預(yù)測(cè)算法

由于SNR與CQI的映射表是在保證誤塊率為10%的情況下建立的，如果UE端的CQI映射表足夠準(zhǔn)確，而NodeB端的CQI預(yù)測(cè)也足夠準(zhǔn)確，可以使吞吐量在保證系統(tǒng)誤塊率小于10%的情況下盡可能地大?；谶@種思想，將綜合考慮CQI預(yù)測(cè)和門限值調(diào)整，在NodeB端進(jìn)行CQI預(yù)測(cè)，在UE端進(jìn)行門限值調(diào)整。

1)NodeB端的CQI預(yù)測(cè)

由于反饋時(shí)延和調(diào)度時(shí)延以及信道的時(shí)變性，NodeB調(diào)度時(shí)的信道環(huán)境與UE測(cè)量時(shí)的信道環(huán)境可能有很大的變化，所以NodeB端反饋的CQI進(jìn)行調(diào)整的關(guān)鍵問題在于如何利用信道的相關(guān)性預(yù)測(cè)調(diào)度時(shí)刻的CQI。對(duì)于TD-HSDPA來說，根據(jù)協(xié)議中規(guī)定，HS-SCCH和對(duì)應(yīng)的HS-PDSCH信道至少間隔2個(gè)時(shí)隙，HS-PDSCH和對(duì)應(yīng)的HS-SICH信道至少間隔8個(gè)時(shí)隙，即從UE估計(jì)CQI到NodeB調(diào)度至少間隔了10個(gè)常規(guī)時(shí)隙，反饋和調(diào)度時(shí)延加起來至少10 ms。對(duì)于HSDPA業(yè)務(wù)，一個(gè)TTI為5 ms。當(dāng)UE運(yùn)動(dòng)速度為3 km/h時(shí)，相干時(shí)間為180 ms，信道相關(guān)性很好，利用一些預(yù)測(cè)算法可以達(dá)到很好的預(yù)測(cè)效果;當(dāng)UE運(yùn)動(dòng)速度為120 km/h時(shí)，其相干時(shí)間為4.5 ms，也就是說當(dāng)前幀與下一幀幾乎沒有相關(guān)性，只能跟蹤信道的慢衰落特性。此外，理論上來說，UE上報(bào)的CQI與實(shí)際接收的信干噪比是相對(duì)應(yīng)的，如果不考慮干擾的時(shí)變特性，則上報(bào)CQI隨時(shí)間的波動(dòng)完全對(duì)應(yīng)著UE經(jīng)歷的衰弱包絡(luò)，所以可以直接利用CQI的歷史值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

綜合以上兩點(diǎn)，本文提出的CQI預(yù)測(cè)算法首先會(huì)設(shè)置一個(gè)預(yù)測(cè)重置門限，如果預(yù)測(cè)步長(zhǎng)超過預(yù)測(cè)重置門限，則用初始默認(rèn)的CQI值作為調(diào)度時(shí)刻的CQI，否則根據(jù)式(1)～(2)得到CQI預(yù)測(cè)值，然后用CQI預(yù)測(cè)值作為調(diào)度時(shí)刻的CQI。

式中:CQI_rmf(n)是 UE上報(bào)的第 n幀的 CQI值;CQI_s(n)是第n幀的平滑值;CQI_est(n+D)是第(n+D)幀的預(yù)測(cè)值;p是歸一化的平滑因子，由UE的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定。由于在低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，信道相關(guān)性很強(qiáng)，所以當(dāng)預(yù)測(cè)步長(zhǎng)較小時(shí)，第(n+D)時(shí)刻的CQI值與第n時(shí)刻的CQI值也存在很強(qiáng)的相關(guān)性，因此選擇較大的平滑因子(p=1)。在非低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，信道相關(guān)性很弱，此時(shí)很難跟蹤信道的瞬時(shí)特性，可以盡可能選取較小的平滑因子(p=1/64)。在本文中，利用一定窗長(zhǎng)內(nèi)CQI的波動(dòng)性來判斷UE的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

假設(shè)預(yù)測(cè)步長(zhǎng)為D，滑動(dòng)窗長(zhǎng)為W，判斷第k幀時(shí)UE的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):

(1)從UE上報(bào)的CQI的歷史值中取出第k-W～k幀的 CQI，即

(2)對(duì)每相鄰兩個(gè)CQI_rmf求差值，即

(3)如果CQI_diff中的元素的值大于0(說明UE上報(bào)的CQI持續(xù)增大，信道質(zhì)量持續(xù)變好)，則記為1;小于0(說明UE上報(bào)的CQI持續(xù)減小，信道質(zhì)量持續(xù)變差)，則記為-1;等于0(說明信道質(zhì)量不變)，則記為與前一個(gè)元素相同的值。

(4)計(jì)算中的元素從1變?yōu)?1或者從-1變?yōu)?的次數(shù)為n(即信道由好變差或者由差變好的次數(shù))。如果在一定窗長(zhǎng)W內(nèi)，n超過某個(gè)值，則認(rèn)為UE處于非低速移動(dòng)狀態(tài)，設(shè)p=1/64;否則認(rèn)為UE處于低速移動(dòng)狀態(tài)，設(shè)p=1。

2)UE端進(jìn)行門限值調(diào)整

由于SNR與CQI的映射關(guān)系是在特定場(chǎng)景下得到的，用于實(shí)際信道環(huán)境中時(shí)，這種映射關(guān)系并不準(zhǔn)確，需要進(jìn)行一定的調(diào)整。傳統(tǒng)的集中式門限值調(diào)整算法是根據(jù)對(duì)每個(gè)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)的結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)門限值。假設(shè)共有N個(gè)CQI，CQI的切換門限值為T(1)～T(N-1)。若檢測(cè)到SNR高于T(i)，則下一幀選擇CQI(i+1)，若SNR低于T(i)，則下一幀選擇CQI(i)。在集中式門限調(diào)整算法中，如果接收的數(shù)據(jù)經(jīng)CRC校驗(yàn)正確，則將門限值減小Δdown，如果接收數(shù)據(jù)經(jīng)CRC校驗(yàn)不正確，則將門限值增加 Δup。Δdown為

式中:BLERtarget是系統(tǒng)的目標(biāo)誤塊率。

但是這種方法在調(diào)整時(shí)沒有考慮到信道的時(shí)延。接收數(shù)據(jù)沒有通過CRC校驗(yàn)的原因可能是因?yàn)镃QI映射不準(zhǔn)確導(dǎo)致，也可能是由于預(yù)測(cè)偏大導(dǎo)致的;同樣，接收數(shù)據(jù)經(jīng)CRC校驗(yàn)正確的原因也可能是由于預(yù)測(cè)偏小導(dǎo)致。此外，在下行傳輸信道的傳輸塊很小和很大的時(shí)候，CQI幾乎不隨SNR變化。所以不能像傳統(tǒng)門限值調(diào)整方法那樣，每接收到一幀數(shù)據(jù)就調(diào)整一次。對(duì)于第k幀數(shù)據(jù)，具體步驟如下:

(1)測(cè)量第k幀數(shù)據(jù)的SNR。如果SNR大于門限值的最大值或者小于門限值的最小值，則不調(diào)整;否則，進(jìn)入步驟(2)。

(2)判斷第k幀的CQI預(yù)測(cè)值是否等于第k幀UE上報(bào)的CQI。如果不相等，則不調(diào)整;否則，進(jìn)入步驟(3)。

(3)判斷第k幀數(shù)據(jù)經(jīng)過CRC校驗(yàn)的結(jié)果。如果正確，則將門限值減小Δdown;否則，將門限值增加Δup。

4 仿真鏈路及結(jié)果分析

4.1 仿真鏈路及仿真參數(shù)設(shè)置

為了對(duì)CQI預(yù)測(cè)算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證，使用MATLAB搭建了TD-HSDPA下行仿真鏈路，如圖2所示。仿真參數(shù)如表1所示。

圖2 TD-HSDPA下行仿真鏈路

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果

主要從兩個(gè)方面來衡量CQI預(yù)測(cè)算法的性能:預(yù)測(cè)誤差和系統(tǒng)的吞吐量。

1)預(yù)測(cè)誤差

CQI的預(yù)測(cè)誤差定義為

圖3～圖5分別為3 km/h，30 km/h，120 km/h速度情況下，沒有CQI預(yù)測(cè)算法、CQI線性預(yù)測(cè)以及本文提出的改進(jìn)的CQI預(yù)測(cè)算法的預(yù)測(cè)誤差。從圖中可以看出，使用改進(jìn)的CQI預(yù)測(cè)算法時(shí)，CQI調(diào)度值更加接近真實(shí)值。因?yàn)镃QI線性預(yù)測(cè)算法只考慮了反饋時(shí)延的問題，沒有考慮到SNR與CQI映射表的準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。而改進(jìn)的CQI預(yù)測(cè)算法同時(shí)補(bǔ)償了反饋時(shí)延和SNR與CQI映射表的準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，因此，改進(jìn)的CQI預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度更高。

2)系統(tǒng)的吞吐量

吞吐量定義為成功傳輸?shù)男畔⑺俾?，?/p>

式中:R為信息比特速率;Nsuc為成功傳輸?shù)膸瑪?shù);N為總的傳輸幀數(shù)。

圖6～圖8分別為3 km/h，30 km/h，120 km/h速度情況下，沒有CQI預(yù)測(cè)算法、CQI線性預(yù)測(cè)以及本文提出的改進(jìn)的CQI預(yù)測(cè)算法的系統(tǒng)的吞吐量。從圖中可以看出在30 km/h和120 km/h速度下，使用改進(jìn)的CQI預(yù)測(cè)算法能使吞吐量得到明顯的提高。這是因?yàn)槭褂酶倪M(jìn)的CQI預(yù)測(cè)算法后，CQI調(diào)度值更加接近真實(shí)值，從而使得傳輸成功率提高，最終導(dǎo)致吞吐量提高。

5 小結(jié)

文中提出了一種CQI預(yù)測(cè)算法。該算法綜合考慮SNR與CQI的映射的準(zhǔn)確性和反饋時(shí)延對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在基站端利用CQI的歷史值進(jìn)行信道預(yù)測(cè)，同時(shí)根據(jù)接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在UE端對(duì)SNR與CQI的映射表進(jìn)行調(diào)整。仿真結(jié)果表明，該算法能在中高速移動(dòng)環(huán)境下帶來較大的吞吐量增益。

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