TD-LTE系統(tǒng)中一種AMC方案的研究*

陳發(fā)堂,徐熾云

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065）

作為3G的長期演進(jìn)，LTE系統(tǒng)采用將OFDM與多天線技術(shù)(MIMO)相結(jié)合的方案，在20 MHz帶寬下能夠達(dá)到上行50 Mb/s,下行100 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，達(dá)到了提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲的目標(biāo)[1]。在無線通信系統(tǒng)中，為保證通信的有效性和可靠性同時能滿足系統(tǒng)要求，有限頻譜資源以及開放的無線傳播環(huán)境導(dǎo)致干擾成為無線通信系統(tǒng)考慮的首要元素之一，自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)(AMC)根據(jù)信道環(huán)境質(zhì)量適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)傳輸?shù)恼{(diào)制編碼方式，使得系統(tǒng)適應(yīng)信道環(huán)境變化，即在保證可靠性的同時，吞吐量達(dá)到最大[2]。

LTE系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)能夠在保證可靠性的前提下提高系統(tǒng)頻譜利用率和系統(tǒng)容量，盡量避免開放的信道環(huán)境對接收信號的影響。接收端采用怎樣的方案將當(dāng)前信道質(zhì)量反饋給發(fā)送端是LTE-AMC系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。這些AMC大多都是在接收端計(jì)算信道質(zhì)量，并得出保證BLER達(dá)到系統(tǒng)要求的最大MCS，然后以CQI的形式反饋給發(fā)送端，發(fā)送端將其作為下次傳輸?shù)恼{(diào)制編碼方式的參考。在AMC技術(shù)中存在CQI計(jì)算復(fù)雜度較高和傳輸延時的問題，而且AMC技術(shù)本身對信道變化較為敏感。當(dāng)SNR隨著時間變化較快而導(dǎo)致BLER較高時，這會導(dǎo)致AMC性能有很大程度的下降，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。

針對這種情況，本文介紹了一種在使用相同RB對數(shù)下選擇最低CQI等級的AMC方案，使LTE-AMC系統(tǒng)適應(yīng)了信道SNR隨時間變化較快的情況。理論和仿真分析結(jié)果表明，該方案降低了傳輸時延帶來的影響,提高了系統(tǒng)吞吐量。

1 LTE系統(tǒng)AMC概述

1.1 LTE系統(tǒng)中AMC結(jié)構(gòu)

LTE系統(tǒng)中AMC結(jié)構(gòu)如圖1，發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過加擾碼、信道編碼、調(diào)制、層映射、預(yù)編碼、資源映射以及IFFT產(chǎn)生OFDM符號[3]之后經(jīng)過中頻、射頻、發(fā)射出去。接收端經(jīng)過發(fā)送端的逆過程，即對于某個資源塊(可以稱為自適應(yīng)塊)的數(shù)據(jù)，根據(jù)上次SNR估計(jì)和信道估計(jì)得出對應(yīng)的MCS，進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)、譯碼，恢復(fù)原始信號。鏈路自適應(yīng)通過估算系統(tǒng)下行鏈路的信道質(zhì)量，將其映射成CQI并反饋給發(fā)送端，建議發(fā)送端將其作為下次傳輸?shù)恼{(diào)制編碼方式。要選擇不同的自適應(yīng)調(diào)制方式，對系統(tǒng)性能的影響有至關(guān)重要的作用。

圖1 LTE-AMC框架

1.2 LTE-AMC實(shí)現(xiàn)過程

AMC實(shí)現(xiàn)的過程是：接收端先獲得鏈路級信噪比，通過建立的SNR與MCS的映射關(guān)系，得出MCS，然后以CQI的形式反饋給發(fā)送端[4]。SNR與MCS的映射理論依據(jù)是在滿足規(guī)定的系統(tǒng)誤塊率(一般BLER≤0.1)要求下，選擇使鏈路吞吐量最大的MCS，公式如下：

式中，x表示目標(biāo)BLER，M表示LTE系統(tǒng)中MCS集合，Ri表示第i個MCS的數(shù)據(jù)傳輸率，F(xiàn)i(η)表示當(dāng)SINR為η時，第i個MCS的BLER，表示期望獲得的最大吞吐量。η是系統(tǒng)級到映射再到鏈路鏈級的有效信噪比,是選擇的MCS。

2 本文提出的MCS方案

2.1 理論依據(jù)

在LTE-AMC技術(shù)中，發(fā)送端根據(jù)接收端反饋的CQI調(diào)節(jié)下次傳輸?shù)恼{(diào)制編碼方式，其中CQ是無線信道質(zhì)量指示，當(dāng)SNR較大時，CQI等級也較高，對應(yīng)較高的調(diào)制編碼方式，即對應(yīng)更高的碼率和效率。此時，傳輸相同負(fù)荷所用的資源塊(RB)對數(shù)越少。同時，BLER越高，系統(tǒng)丟包率增加，因此選擇的調(diào)制編碼方式要兼顧RB和BLER。傳統(tǒng)的AMC技術(shù)是接收端根據(jù)不同CQI等級對應(yīng)的SNR-BLER曲線,找出BLER=0.1得出最大CQ反饋給發(fā)送端，即計(jì)算的一定范圍的SNR對應(yīng)一個CQI等級。在實(shí)際資源調(diào)度時，傳輸資源塊RB對數(shù)是一個向上取整值，所以對應(yīng)于相同業(yè)務(wù)幀長度時，相鄰若干個CQI可能對應(yīng)于同一個RB對數(shù)。因此本方案采用在相同資源RB對數(shù)情況下，使用最低的CQI,以抵抗SNR隨時間變化較快的情況。

2.2 方案實(shí)現(xiàn)步驟

(1)接收端測量信道質(zhì)量SNR

信噪比估計(jì)對于AMC至關(guān)重要，決定著AMC的性能。LTE系統(tǒng)中有對接收端已知的參考信號RS，可以利用子載波的參考信號RS進(jìn)行SNR估計(jì)。接收的參考信號可以表示為：

其中xl,k、hl,k、wl,k分別代表第l個OFDM符號、第k個子載波上的發(fā)送符號、信道響應(yīng)值復(fù)加性高斯白噪聲。系統(tǒng)的信噪比可以表示為：

(2)確定SNR對應(yīng)的CQI等級

在LTE-AMC中，為了計(jì)算CQI，需要得出鏈路層的BLER-SNR性能曲線，而該性能曲線假定是在信道頻率平坦情況下產(chǎn)生的，而實(shí)際信道由于多徑效應(yīng)，使得各個子載波經(jīng)過具有相同信噪比的鏈路，其產(chǎn)生的誤塊率卻不同。因此需要一個有效的信噪比能將系統(tǒng)級SINR精確映射到鏈路級SNR上，進(jìn)而確定BLER[5-6]。參考文獻(xiàn)[5-6]介紹了兩種常見的有效信噪比映射，指數(shù)有效信噪比映射EESM和互信息信噪比映射MI-ESM，EESM要求每個PRB使用相同的MCS，限制了系統(tǒng)的性能。本文使用互信息有效信噪比映射SNReff。在AWGN信道環(huán)境下，通過大量鏈路仿真，得出BLER-SNR-CQI的關(guān)系(如圖2)[7]，通過計(jì)算出的SNReff對照圖2，找到令BLER=0.1的最大CQI，即CQI0。

圖2 AWGN信道下BLER和SNR曲線

(3)求CQI0對應(yīng)的RB對數(shù)RB0

由協(xié)議可知系統(tǒng)資源RB對數(shù)和業(yè)務(wù)幀長度L、CQI存在函數(shù)關(guān)系RB對數(shù)=f(L,CQI)∶

當(dāng)L已知，將CQI0帶入式(5)即可獲得CQI0對應(yīng)的RB等級RB0。

(4)獲得最低CQI等級

由式(5)可知，對于一定系統(tǒng)傳輸資源RB對數(shù)，可能對應(yīng)幾個相鄰的CQI等級。因此，對應(yīng)特定幀長度，計(jì)算相同RB對數(shù)下最低CQI等級步驟為：將步驟(2)獲得的CQI0減1得到CQI1，并將L和CQI1代入式(5)得到對應(yīng)的RB對數(shù)RB1。比較RB1和RB0，如果不相等，則RB0對應(yīng)的CQI0為最低CQI等級。否則，將CQI1繼續(xù)減1計(jì)算RB對數(shù)，直到RBn-1不等于RB0，則將RBn-1對應(yīng)的CQIn-1作為最低CQI等級。

(5)確定MCS

LTE系統(tǒng)定義了16種CQI組合方式，由CQI序號表示，各個CQI序號所代表的調(diào)制編碼方式MCS如表1[8]所示。

表1 LTE系統(tǒng)中ETU(Extended Typical Urban model)傳播環(huán)境參數(shù)

3 仿真及結(jié)果

3.1 仿真條件

本文采用MATLBA 7.0對LTE系統(tǒng)下行鏈路進(jìn)行仿真，該仿真基于與LTE協(xié)議相符的鏈路級平臺。為了便于分析，本文在有反饋時延的情景下進(jìn)行，并在信道模型BLER變化較大時的ETU 70 Hz(如表1)條件下進(jìn)行仿真，基本仿真參數(shù)如表2所示。

表2 基本仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果與性能分析

為了便于比較本文采用傳統(tǒng)的兩種固定的MCS;64QAM調(diào)制、3/4編碼速率(稱為MCS1)和QPSK調(diào)制、1/4編碼速率(成為MCS2)。并采用兩種AMC，一種是傳統(tǒng)的利用鏈路層的BLER-SNR性能曲線曲線，找到BLER=0.1的最大MCS(稱為AMC1)；另一種是本文提出的在同RB對數(shù)下選擇最低CQI等級的AMC方案(稱為AMC2)。

從圖3和圖4是以MCS1和MCS2為例，在3.1節(jié)所述信道環(huán)境下的仿真結(jié)果。AMC1和AMC2都比固定的MCS1和MCS2吞吐量有明顯的提升。使用AMC1和AMC2在一定程度上比固定的MCS1和MCS2系統(tǒng)吞吐量有所增加。當(dāng)SNR較低時，AMC1的性能很差，幾乎還不如MCS2的性能,這是由于在當(dāng)前信道環(huán)境下，SNR隨時間變化導(dǎo)致BLER變化較快，同時系統(tǒng)分組傳輸?shù)臅r候存在時延，從而導(dǎo)致丟包率增加，此時即使使用自適應(yīng)調(diào)制編碼方式AMC1，也不能適應(yīng)BLER的快速變化，致使系統(tǒng)的吞吐量下降。而AMC2利用一定的RB資源下最低的MCS適應(yīng)了BLER變化較大的情況，吞吐量則可以得到很好的提高，在SNR只有5 dB時，使用AMC2的吞吐量比使用MCS2提高了1.5 bit/symbol，卻比AMC1提高了8.5 bit/symbol。

圖3 AMC1、AMC2、MCS2吞吐量比較

圖4 AMC1、AMC2、MCS1吞吐量比較

本文提出了一種可靠性好的AMC方案，該方案通過相同資源對數(shù)下選擇最小的CQI，使得分組交換中各分組可承受的SNR變化范圍增大，避免了當(dāng)前AMC技術(shù)在系統(tǒng)SNR變化較快而性能下降的情況。通過仿真分析可知，當(dāng)SNR變化較大時，該方案方比現(xiàn)有的AMC技術(shù)的系統(tǒng)吞吐量大大提高了。

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