高速環(huán)境下AMC系統(tǒng)中CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整研究

黃寒冰+劉添晶

摘 要：在高速鐵路應(yīng)用場(chǎng)景中，現(xiàn)代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中廣泛使用的自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)（AMC）由于信道時(shí)變特性造成系統(tǒng)性能?chē)?yán)重下降。傳統(tǒng)的固定信道質(zhì)量指示（CQI）反饋周期方式無(wú)法根據(jù)信道時(shí)變程度來(lái)自適應(yīng)調(diào)整上報(bào)間隔。上報(bào)周期較短將增加系統(tǒng)不必要的負(fù)載，浪費(fèi)系統(tǒng)資源；而上報(bào)周期較長(zhǎng)將惡化CQI和當(dāng)前信道質(zhì)量的失配程度并降低系統(tǒng)性能。提出一種適用于高速移動(dòng)環(huán)境下的AMC系統(tǒng)中CQI自適應(yīng)調(diào)整算法和方案，其通過(guò)統(tǒng)計(jì)幀內(nèi)相鄰符號(hào)上的信噪比差值評(píng)估當(dāng)前信道變化程度，并利用評(píng)估結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)信噪比變化程度?；贑QI的量化顆粒度計(jì)算CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整量，使CQI反饋負(fù)載和吞吐量性能均獲得較好的性能。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：CQI；反饋周期；自適應(yīng)；AMC；快時(shí)變信道

DOIDOI：10.11907/rjdk.171273

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0018-05

0 引言

無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)變特性，使得無(wú)線(xiàn)通信存在不確定性，AMC技術(shù)能夠根據(jù)時(shí)變信道的傳播狀況，選擇最佳調(diào)制編碼方式（MCS）以提高通信系統(tǒng)頻帶利用率和可靠性。當(dāng)信道傳播狀況良好時(shí)，選擇高階調(diào)制方式和低冗余的編碼來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

AMC技術(shù)的概念最初起源于1960年代末的自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)。Hayes[1]利用從接收端反饋的信道狀況信息進(jìn)行自適應(yīng)傳輸來(lái)最大化瑞利信道下的吞吐量。Cavers[2]通過(guò)不斷調(diào)整數(shù)據(jù)速率來(lái)響應(yīng)衰落信道中信號(hào)強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)可變速率的傳輸。目前AMC技術(shù)已經(jīng)被大部分蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)所采納以達(dá)到最大化頻譜效率和最小差錯(cuò)率[3]。文獻(xiàn)[4]-[5]對(duì)AMC中不同MCS的選擇策略進(jìn)行了分析和仿真，獲得各門(mén)限下的吞吐量性能比較。文獻(xiàn)[6]在信道估計(jì)以及解碼后計(jì)算有效信噪比，作為一種新的性能度量來(lái)進(jìn)行模式切換實(shí)現(xiàn)最大化數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻(xiàn)[7]中的仿真結(jié)果表明縮短調(diào)整周期能夠有效地提高系統(tǒng)性能。

在諸如高速鐵路等高速移動(dòng)環(huán)境下，信道快速時(shí)變和CQI反饋延遲導(dǎo)致調(diào)制編碼方式無(wú)法準(zhǔn)確匹配當(dāng)前信道條件。一種基于時(shí)間序列的CQI預(yù)測(cè)算法[8]，能根據(jù)不同的CQI反饋時(shí)延自適應(yīng)選擇不同復(fù)雜度的CQI預(yù)測(cè)算法。文獻(xiàn)[9]利用線(xiàn)性衰落預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)信道狀況信息來(lái)提高AMC系統(tǒng)性能。為了緩解移動(dòng)環(huán)境下信號(hào)反饋延遲的影響，文獻(xiàn)[10]利用估計(jì)得到的當(dāng)前信道信息獲得下一時(shí)刻瞬時(shí)信噪比的條件分布，確定合適的MCS。

在高速移動(dòng)環(huán)境中，信道時(shí)變程度加劇，傳統(tǒng)的固定CQI反饋周期方式會(huì)造成吞吐量損失和系統(tǒng)資源浪費(fèi)。本文提出一種適用于諸如高速鐵路等高速移動(dòng)環(huán)境下的AMC系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)整CQI反饋周期方法，其通過(guò)統(tǒng)計(jì)幀內(nèi)相鄰符號(hào)上的信噪比差值來(lái)評(píng)估當(dāng)前信道變化程度，并利用評(píng)估結(jié)果預(yù)測(cè)未來(lái)信噪比變化程度?；贑QI的量化顆粒度來(lái)計(jì)算CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整量，使CQI反饋負(fù)載和吞吐量性能均獲得較好的性能。計(jì)算機(jī)仿真表明，本文方案不僅可獲得較高的吞吐量性能，同時(shí)還降低了由于反饋CQI參數(shù)所消耗的系統(tǒng)信令資源。

1 系統(tǒng)模型

本文研究的自適應(yīng)調(diào)制編碼系統(tǒng)模型如圖1所示。

接收端根據(jù)接收到的信號(hào)計(jì)算多狀態(tài)信道信噪比矢量，利用有效信噪比映射算法將多狀態(tài)信道信噪比矢量映射成有效信噪比標(biāo)量，以降低CQI選取的復(fù)雜度。有效信噪比通過(guò)查找事先通過(guò)仿真確定的信噪比閾值表得到需要反饋給發(fā)送端的CQI值，實(shí)際蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中（如3G和LTE系統(tǒng)），將不同的調(diào)制方式和編碼碼率組合成若干個(gè)固定的調(diào)制編碼方案集合，并且將CQI與MCS進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，發(fā)送端根據(jù)CQI選擇對(duì)應(yīng)的MCS。在高速移動(dòng)環(huán)境下，幀周期內(nèi)的信道呈現(xiàn)快速時(shí)變，該周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)表示為：

在AMC系統(tǒng)中需要選擇合適的CQI滿(mǎn)足目標(biāo)誤塊率要求的同時(shí)，最大化系統(tǒng)吞吐量。在方案實(shí)施過(guò)程中，通常在AWGN信道條件下，通過(guò)離線(xiàn)仿真得到每個(gè)CQI對(duì)應(yīng)的信噪比與誤塊率的曲線(xiàn)，接著根據(jù)仿真曲線(xiàn)獲得BLER=0.1時(shí)每個(gè)CQI相對(duì)應(yīng)的信噪比閾值。CQI計(jì)算過(guò)程如下：

①根據(jù)不同的MCS在AWGN信道下仿真獲得誤碼率曲線(xiàn)，如圖2所示。查找滿(mǎn)足目標(biāo)BLER要求的每種CQI對(duì)應(yīng)的SNR值并儲(chǔ)存，如表1所示；②UE對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，獲得各個(gè)信道狀況的SNR，構(gòu)成一個(gè)信噪比矢量；③對(duì)信噪比矢量通過(guò)有效信噪比映射，得到一個(gè)有效信噪比值；④查找CQI-SNR表和比較有效信噪比，便可以確定CQI值。

根據(jù)步驟（1）及圖2，建立目標(biāo)BLER下的SNR閾值表，如表1所示。

建立SNR閾值表后，需要通過(guò)有效信噪比映射算法將多狀態(tài)信道信噪比矢量映射成有效信噪比標(biāo)量，接著通過(guò)查詢(xún)閾值表獲得反饋CQI參數(shù)。常用有效信噪比映射算法有2種：基于指數(shù)和互信息的有效信噪比映射算法，這兩種映射的基本思想都是把時(shí)變信道的多個(gè)信噪比值{γi}通過(guò)映射函數(shù)將信噪比矢量映射成有效信噪比γeff，然后查找表1選擇合適的CQI反饋值，發(fā)送端根據(jù)反饋回來(lái)的CQI選擇下次傳輸時(shí)發(fā)送信號(hào)調(diào)制編碼方式。另一方面，可根據(jù)獲得的有效信噪比查找對(duì)應(yīng)的SNR-BLER曲線(xiàn)來(lái)預(yù)測(cè)誤塊率。信噪比映射算法預(yù)測(cè)BLER過(guò)程如圖3所示。

γawgn表示AWGN信道條件下滿(mǎn)足BLER=0.1對(duì)應(yīng)的SNR值，γi（β）表示BLER=0.1對(duì)應(yīng)的信道狀況i的有效信噪比。不同的調(diào)制編碼方法參考的AWGN曲線(xiàn)不同，且對(duì)應(yīng)的γawgn值也不同。因此，對(duì)于每種CQI，都需要對(duì)β進(jìn)行優(yōu)化。

2 高速移動(dòng)環(huán)境下AMC系統(tǒng)中CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整算法

高速移動(dòng)性增加了信道時(shí)變程度并使得信道相關(guān)性減弱。信道相關(guān)系數(shù)受到移動(dòng)速率和符號(hào)周期影響嚴(yán)重。隨著移動(dòng)速度以及符號(hào)周期的增加，信道相關(guān)性減弱，如圖4所示。當(dāng)信道相關(guān)系數(shù)較大時(shí)，信道變化相對(duì)緩慢，反饋的CQI值能相對(duì)較好地描述下一調(diào)度周期時(shí)的信道狀況。隨著終端移動(dòng)速度的增加，信道的時(shí)間域相關(guān)性隨之降低，為了降低反饋CQI參數(shù)的失配程度，需要減小CQI的反饋周期以提高反饋CQI參數(shù)同下一調(diào)度周期時(shí)信道狀況的匹配程度，抑制CQI失配。

高速移動(dòng)環(huán)境下信道時(shí)變程度加劇，傳統(tǒng)的固定CQI反饋周期方式無(wú)法根據(jù)信道時(shí)變程度來(lái)調(diào)整周期間隔。CQI反饋周期較小導(dǎo)致不必要地頻繁上報(bào)基站。雖然可提供準(zhǔn)確的信道信息，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)反饋開(kāi)銷(xiāo)。相反若上報(bào)周期偏大，降低了信令開(kāi)銷(xiāo)，但惡化了CQI參數(shù)的失配程度。

2.1 CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整方法

本文提出一種在高速移動(dòng)環(huán)境下，基于信道變化程度CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整的方法。該方法根據(jù)當(dāng)前幀內(nèi)估計(jì)得到的N個(gè)信道系數(shù)，計(jì)算出信噪比矢量。統(tǒng)計(jì)幀內(nèi)相鄰符號(hào)上信噪比的差值來(lái)評(píng)估當(dāng)前幀信道變化程度，并將此用于預(yù)測(cè)不同調(diào)度周期時(shí)刻信噪比的變化。同時(shí)引入調(diào)整因子α用于調(diào)整信噪比時(shí)變程度預(yù)測(cè)值，該參數(shù)可通過(guò)仿真確定，本文所提方法可在反饋開(kāi)銷(xiāo)與吞吐量性能之間進(jìn)行較好的折衷，從而獲得較好的系統(tǒng)性能。其方法步驟如下：

（1）在AWGN信道下仿真獲得不同CQI對(duì)應(yīng)的SNR-BLER的參考曲線(xiàn)，根據(jù)BLER<0.1的要求，獲得基站需要切換MCS的SNR門(mén)限值以及相鄰MCS進(jìn)行切換的SNR容忍值，當(dāng)接收信號(hào)的有效信噪比與當(dāng)前CQI對(duì)應(yīng)門(mén)限值差超過(guò)SNR容忍值，就達(dá)到更新CQI的條件。

（2）通過(guò)信道估計(jì)獲得信道參數(shù)h以及噪聲方差N0并計(jì)算當(dāng)前幀的信噪比矢量，即：

其中，h=[h（0） h（1）…h(huán)（N-1）]，SNR=[SNR（0） SNR（1）…SNR（N-1）]，N為當(dāng)前幀中符號(hào)數(shù)。

（3）通過(guò)信噪比矢量評(píng)估當(dāng)前無(wú)線(xiàn)信道信噪比的時(shí)變程度可表示為：

δ為當(dāng)前幀信噪比時(shí)變度，α為預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)因子，T為幀周期長(zhǎng)度。（4） 利用線(xiàn)性預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的SNR時(shí)變量，當(dāng)預(yù)測(cè)的SNR時(shí)變量超過(guò)當(dāng)前CQI對(duì)應(yīng)的SNR容忍值，達(dá)到切換MCS的條件。預(yù)測(cè)未來(lái)K幀信噪比變化量為δKT，當(dāng)最小整數(shù)K的變化量δKT超過(guò)當(dāng)前CQI對(duì)應(yīng)的SNR容忍值時(shí)，便獲得下次反饋CQI的周期。其中，CQI對(duì)應(yīng)的SNR容忍值即為當(dāng)前CQI信噪比門(mén)限值與其相鄰的前后兩個(gè)CQI對(duì)應(yīng)的門(mén)限值相比，較小的差值即為SNR容忍值，通過(guò)表1計(jì)算得到。

其中，γq-1，γq+1分別為與CQI相鄰的前后兩個(gè)CQI對(duì)應(yīng)的閾值，K即為調(diào)整的CQI上報(bào)周期，該方法流程如圖5所示。

該方法根據(jù)信道參數(shù)估計(jì)值來(lái)評(píng)估信道信噪比時(shí)變程度，當(dāng)預(yù)測(cè)的信噪比時(shí)變量達(dá)到切換MCS條件時(shí)（即超過(guò)當(dāng)前CQI的SNR容忍值條件），計(jì)算新的上報(bào)周期，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整的目的。該方法不僅可獲得較高的吞吐量性能，同時(shí)還降低了由于反饋CQI參數(shù)所消耗的系統(tǒng)信令資源。

2.2 仿真結(jié)果

在仿真過(guò)程中，幀長(zhǎng)1 024symbol，傳輸速率7×106symbol/s，調(diào)節(jié)因子δ=1.4，AMC系統(tǒng)采用LTE標(biāo)準(zhǔn)中定義的15種CQI對(duì)應(yīng)的MCS參數(shù)。仿真時(shí)采用互信息量有效信噪比映射算法。用戶(hù)端在每個(gè)周期上報(bào)時(shí)刻，根據(jù)計(jì)算得到的有效信噪比來(lái)對(duì)比15種SNR的閾值，從而選擇需要上報(bào)的CQI參數(shù)。

在移動(dòng)速度為300km/h時(shí)本文所提自適應(yīng)反饋周期方式與固定反饋周期方式的吞吐量性能隨信噪比變化曲線(xiàn)如圖6所示。不同信噪比和吞吐量下，平均上報(bào)周期仿真如圖7所示?？梢钥闯?，固定周期越短，用戶(hù)上報(bào)CQI越頻繁，基站端獲得的信道狀況越精確，吞吐量性能越好。另外，本文提出的高速移動(dòng)環(huán)境下CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整方法，在消耗CQI信令資源相對(duì)較小的前提下獲得了較高的吞吐量效果。

在移動(dòng)速度為120km/h時(shí)吞吐量性能和平均CQI反饋周期曲線(xiàn)如圖8、圖9 所示。仿真結(jié)果表明，在低速的情況下，由于多普勒頻偏相對(duì)較小，信道時(shí)變程度沒(méi)有300km/h嚴(yán)重。本文所提CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整算法在維持較好吞吐量性能的前提下消耗系統(tǒng)資源更少。

圖10和圖11分別為在信噪比為19dB時(shí)，移動(dòng)速度與吞吐量之間的關(guān)系曲線(xiàn)和平均反饋周期隨移動(dòng)速度變化的曲線(xiàn)。仿真結(jié)果表明，隨著移動(dòng)速度的增大，本文所提方法仍能夠維持較好的吞吐量性能。另外，隨著速度的加快，本文所提方法的平均上報(bào)周期逐漸下降。這是因?yàn)殡S著速度增加，信道隨時(shí)間變化程度越嚴(yán)重。此時(shí)需要增加CQI反饋頻率，減小反饋周期，以維持高吞吐量。

在變速情況下，吞吐量性能和平均反饋周期性能曲線(xiàn)如圖12和圖13所示。該仿真過(guò)程中，移動(dòng)速度變化范圍為200km/h 至300km/h。從圖中可以看出，變速運(yùn)行狀況下，本文所提方法仍然能維持較高吞吐量性能的前提下大大降低系統(tǒng)消耗的CQI信令資源，獲得了較好的性能。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的固定CQI反饋周期方式會(huì)造成吞吐量損失和系統(tǒng)資源浪費(fèi)情況，本文提出一種適用于高速移動(dòng)環(huán)境下的AMC系統(tǒng)中CQI自適應(yīng)調(diào)整算法和方案，其通過(guò)統(tǒng)計(jì)幀內(nèi)相鄰符號(hào)上的信噪比的差值來(lái)評(píng)估當(dāng)前信道變化程度，并利用評(píng)估結(jié)果預(yù)測(cè)未來(lái)信噪比變化程度?；贑QI的量化顆粒度來(lái)計(jì)算CQI反饋周期自適應(yīng)調(diào)整量，使CQI反饋負(fù)載和吞吐量均獲得較好性能。通過(guò)仿真不僅可獲得較高的吞吐量性能，同時(shí)還降低了由于反饋CQI參數(shù)所消耗的系統(tǒng)信令資源。

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