TD－LTE系統(tǒng)中簡單易行的AMC方案研究

陳發(fā)堂，孫 鵬，徐熾云

(重慶郵電大學移動通信協(xié)議研究所，重慶 400065)

LTE項目是3G的長期演進，它增強并改進了3G的空中接口技術，在物理層上采用正交頻分復用，多輸入多輸出(MIMO)技術，以達到高數(shù)據(jù)目標和提高頻率利用率［1］。無線移動通信系統(tǒng)中，無線信道存在多徑衰落、陰影效應、噪聲干擾以及多址接入等因素的影響，為了保證通信質(zhì)量，需要增加反饋機制使發(fā)送端知道目前的信道質(zhì)量，然后選擇合適的調(diào)制編碼方式。自適應調(diào)制編碼技術(AMC)正是根據(jù)目前信道狀態(tài)，可以自適應地調(diào)節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的編碼速率以及調(diào)制編碼方式，由此獲得最佳的吞吐量，以獲取數(shù)據(jù)傳輸率和誤碼率的最佳平衡。

因此采用怎樣的AMC方案對LTE的性能有至關重要的作用。目前TD－LTE系統(tǒng)的自適應編碼技術，一般都是用戶根據(jù)接收到的信號估計信噪比，然后根據(jù)目前信道環(huán)境和噪聲環(huán)境下，使BLER不超過10%來選擇最高的MCS，以CQI的形式反饋給eNodeB。這些方法都要通過大量的仿真得到SNR－BLER的仿真曲線，然后尋找一種SNR與CQI的映射關系，并浪費資源以CQI的形式反饋給eNodeB［2］，不僅復雜度高，還占用系統(tǒng)的資源，影響業(yè)務容量。當終端在位置相對固定、信道變化相對較慢的時候，AMC的劣勢尤為明顯?；谶@種情況，本文提出了一種簡單的AMC方案，其思想是eNodeB利用UE反饋的BLER直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸?shù)腗CS，與傳統(tǒng)的CQI上報方案相比，節(jié)省系統(tǒng)資源且簡單易行。通過理論分析和仿真，該AMC方案可以大量地節(jié)省工作時間，為系統(tǒng)節(jié)省了資源，從而提高了系統(tǒng)的吞吐量。該方案已運用于TD－LTE射頻一致性測試系統(tǒng)中。

1 LTE系統(tǒng)中AMC概述

LTE系統(tǒng)中AMC實現(xiàn)過程如圖1所示。首先接收端根據(jù)信噪比的公式算出分配給自己的每個資源塊的SNR，將所有資源塊的SINR值帶入計算，得到有效的SNR值。根據(jù)有效的SNR值到AWGN信道下的SNR－BLER曲線上與目標BLER比較，找出不超過目標BLER(一般設為0.1)所對應的MCS，再根據(jù)MCS與CQI的對應關系得到要反饋的CQI值，并將CQI反饋給eNodeB，eNodeB將其作為參考選擇合適的調(diào)制編碼方式發(fā)給UE。

1.1 有效信噪比映射

圖1 LTE系統(tǒng)AMC實現(xiàn)過程

LTE系統(tǒng)中，由于頻率選擇性，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。但是鏈路層性能曲線是假定頻率平坦信道且在給定的信噪比下產(chǎn)生的，因此，需要一個有效的信噪比，能將系統(tǒng)級(多個)SINR精確映射到鏈路層(單個)SNR上，從而確定BLER。這種映射就稱為有效信噪比映射(ESM)［3－4］。有效信噪比的計算就是將接收到的SINR向量值壓縮為一個有效的SINR標量值。最常用的是指數(shù)有效信噪比映射(EESM)、互信息有效信噪比映射(MIESM)，利用這兩種方法建立一個從多態(tài)信道到單狀態(tài)信道的映射函數(shù)［5］。其中，EESM方法中，信息測量函數(shù)I(x)中尺度因子β在每個子載波中相同，使得每個子載波使用相同的調(diào)制編碼方式。MI－ESM的優(yōu)點是SINR映射的準確性和通用性都很好，因此為最常用的一種映射方法，其公式為

式中:R是子載波的個數(shù);I(x)是MI－ESM的信息測度函數(shù);I－1(x)是I(x)的反函數(shù)。信息測度函數(shù)I(x)的表達式為

式中:Y為零均值、單位方差的高斯隨機變量;為當i=b時的數(shù)據(jù)符號集合，b的取值為0或1;X為2m個數(shù)據(jù)符號的集合;m為MCS中每調(diào)制符號所含的比特個數(shù)。MIESM中β的值根據(jù)目前所用的CQI的值得到。

1.2 CQI的生成

在AWGN信道環(huán)境下，在20 MHz時，通過大量的鏈路級仿真，得到信噪比和誤塊率之間的關系，如圖2所示。

根據(jù)上文中計算出的SNR，在圖2中找到令BLER為

圖2 AWGN下不同CQI的BLER與SNR之間的關系

0.1的最大CQI，這樣既可以保證BLER滿足要求，也能使吞吐量最大化?？梢悦枋鰹椋?］

式中:THn為圖2中得出的各CQI對應的BLER為0.1時的SNR門限值。

2 本文提出的AMC方案

2.1 理論依據(jù)

在LTE－AMC系統(tǒng)中，在一定的發(fā)射功率下，為了優(yōu)化系統(tǒng)的覆蓋量和容量，發(fā)射機的數(shù)據(jù)發(fā)送率要能夠匹配UE接收的信號質(zhì)量，即在UE接收到信號質(zhì)量好的情況下多發(fā)送數(shù)據(jù)，相反則少發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)這種原則，當信道變化較慢時，可以利用基站實時檢測鏈路傳輸?shù)恼`塊率［7］，然后根據(jù)誤塊率通過一定的規(guī)則來調(diào)整下行傳輸使用的MCS，實現(xiàn)自適應調(diào)制編碼方式。調(diào)整的規(guī)則是:如果誤塊率過大(一般取0.1)，則下調(diào)MCS，如果誤塊率過小(一般取0)，則上調(diào)MCS。當信道變化相對較慢的時候，這種方案不僅使整個傳輸過程中的誤塊率較低(處于可接受的范圍)，又能為系統(tǒng)節(jié)省資源。尤其在系統(tǒng)的業(yè)務資源緊張時，可以更大程度地提高系統(tǒng)的業(yè)務容量。

2.2 方案步驟

整體步驟如圖3所示。

1)基站實時地檢測用戶傳來的BLER，在BLER統(tǒng)計長度內(nèi)(一般取10個無線幀100 ms，下面所述的統(tǒng)計范圍均指10個無線幀)，將用戶反饋回來的BLER存在一個列表中，關于生成用戶反饋的BLER列表，可以分為以下幾個步驟:

圖3 方案步驟

(1)首先，如果收到用戶反饋的上一個無線幀的傳輸結果，則繼續(xù)步驟(2)，否則把NULL(表示給無線幀沒有傳輸數(shù)據(jù)或者收到的反饋不符合統(tǒng)計要求，不用與計算BLER值)插到表頭，并執(zhí)行步驟(4)。

(2)判斷剛剛收到的反饋結果是否符合統(tǒng)計要求，如果符合，則執(zhí)行步驟(3)，否則把NULL插到表頭，并執(zhí)行步驟(4)。

(3)把這些符合條件的反饋結果(ACK或NACK)放在列表的表頭，繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)。

(4)判斷目前統(tǒng)計的表長度，如果大于BLER統(tǒng)計長度(10個子幀)，則把隊尾方向多余的部分從列表中刪除，同時執(zhí)行下面的步驟2)，否則執(zhí)行步驟(1)，繼續(xù)循環(huán)。

2)根據(jù)基站記錄的下行傳輸列表，計算下行鏈路的誤塊率。其中BLER值=(NACK數(shù)目)/(ACK數(shù)目+NACK數(shù)目)。

3)根據(jù)誤塊率來適當調(diào)整MCS。當BLER值不小于0.1(常選取的BLER高門限)，則將MCS下降一級;當BLER值小于0(常設置的BLER低門限)，則將MCS上升一級;否則，保持MCS不變。

3 仿真及結果

3.1 仿真條件

本文采用MATLAB 7.0，通過搭建仿真鏈路，對算法進行仿真。為了便于分析上述AMC方案，在慢變信道下進行，選擇信道模型EPA(Extended Pedestrian A model)5 Hz下進行仿真(見表1)，基本參數(shù)如下:系統(tǒng)帶寬為20 MHz，采用的幾種MCS如表2所示，F(xiàn)FT大小為2 048，CP長度160，TTI長度1 ms，每個OFDM符號數(shù)為14，每個PRB子載波數(shù)取12，采樣頻率15.36 MHz，信道編碼為Turbo編碼。

表1 LTE系統(tǒng)中EPA傳播環(huán)境參數(shù)

表2 LTE系統(tǒng)幾種MCS

3.2 仿真結果與性能分析

對上述兩種AMC方案進行仿真，令上文介紹的LTE系統(tǒng)中傳統(tǒng)的自適應編碼技術為AMC1，令本文介紹的自適應調(diào)制編碼技術為AMC2，同時為了便于比較，本文還采用兩種固定的MCS，分別為64QAM調(diào)制、3/4編碼速率(稱為MCS1)和QPSK調(diào)制、1/4編碼速率(稱為MCS2)。

圖4和圖5是上述幾種調(diào)制編碼方式的仿真結果。從圖中可以看出，在該環(huán)境下，AMC1和AMC2都比固定的MCS1和MCS2吞吐量有很大的提高。同時隨著SNR值的增大，AMC2比AMC1的吞吐量更大，在SNR值等于15 dB的時候，AMC2已經(jīng)比 AMC1吞吐量增加了5 bit/symbol。實際上，從圖4中可以看出，SNR達到一定值時，AMC1的吞吐量甚至沒有 MCS1高，這是因為20 MHz寬帶時，系統(tǒng)的業(yè)務量更大，資源比較緊缺，而AMC1中CQI計算的復雜度較高，而且CQI信息通過編碼調(diào)制并資源映射到RE上浪費時頻資源，AMC2正是利用發(fā)送端計算出BLER直接得出MCS，不占用系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)容量，解決了資源緊張的情況，令吞吐量有明顯的提升。

圖4 AMC1，AMC2和MCS2吞吐量比較

4 結束語

圖5 AMC1，AMC2和MCS1吞吐量比較

針對TD－LTE系統(tǒng)中現(xiàn)有的自適應調(diào)制編碼技術需占用上行資源，進而使可提供的業(yè)務資源減少的情況，本文利用慢變信道特征，提出了一種在該信道環(huán)境下簡單易行的AMC方案，并將其運用到TD－LTE系統(tǒng)中。該方案通過接收端計算信道BLER來自適應地調(diào)整MCS，與目前的AMC相比計算復雜度低且不占用額外的資源，在保證通信可靠性條件下，增加了系統(tǒng)的容量，從而增加了系統(tǒng)的吞吐量。仿真結果表明，當信道環(huán)境變換較慢時，該方案明顯地提高了系統(tǒng)性能，尤其是在系統(tǒng)資源比較緊缺的時候，其優(yōu)勢更突出。

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