基于TD-LTE系統的新型SNR和CQI映射方案

陳發堂,游 杰,楚 楊

(重慶郵電大學 重慶市移動通信技術重點實驗,重慶 400065)

1 引 言

長期演進(LTE)是3GPP提出的具有高速數據業務的寬帶通信系統,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。為了滿足其目標需求,LTE上行鏈路采用單載波頻分多址技術(SC-FDMA),下行鏈路采用了正交頻分復用(OFDM)接入技術在內的一些關鍵技術[1]。

鏈路自適應技術能夠改善頻譜利用率,調整傳輸數據的調制編碼方式和編碼速率,補償由于信道變化對接收信號造成的影響。在LTE系統中,如何反饋當前的信道質量給網絡端是鏈路自適應的關鍵技術所在。這些技術都需要用戶根據當前接收到的信號來獲得信噪比(SNR),然后根據一定的規律將SNR映射成信道質量指示(CQI),反饋給網絡端。其中UE只有通過PUSCH或者PUCCH上承載CQI的幾個比特上報給網絡端,所以如何將當前的信道環境質量轉化為CQI是非常重要的。

本文采用了互信息有效SINR映射(MI-ESM)算法來測量SNR,并且合并TD-SCDMA的CQI計算和映射的思想,提出了一種新的CQI序號和SNR的區域映射關系,解決了不同的編碼速率和調制方式形成的CQI組合較多的情況。通過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實現非常的簡單,極大地節省了工作量。

2 LTE系統鏈路自適應框架

LTE鏈路自適應過程如圖1所示,下行發送的數據經過添加循環冗余校驗(CRC)、信道編碼、速率匹配、加擾、調制、資源映射、基帶信號生成等過程[2]。在接收端,要經過發送端的所有逆過程。而鏈路自適應調制編碼方案則是在信道估計之后計算SNR、映射CQI、選擇MCS然后再反饋給網絡端的過程[3-4]。

圖1 鏈路自適應框架Fig.1 LTE adaptive system model

其中鏈路信道模型的時域滿足:

式中,L是多徑數目,τl代表第l條路徑的延時,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行仿真,AWGN用來仿真CQI和誤塊率(BLER)之間的映射關系,EPA用來求實際上求得的SNR。其中EPA信道模型的信道環境參數[5]見表1。

表1 LTE系統中EPA信道環境參數Table 1 EPA channel parameters in LTE systems

3 SNR映射方法

在OFDM系統中,由于頻率選擇性的影響,各子載波上的衰落經過都不同,致使兩條具有同樣信噪比的鏈路也可能產生不同的誤塊率。在多載波移動通信系統中主要有兩種鏈路級和系統級映射方法[6,7]:指數有效SNR映射(EESM)和互信息有效SNR映射(MI-ESM)。這兩種算法建立一個從多狀態信道到等效單狀態信道的映射函數,并使該映射函數只依賴于編碼調制方式,而與信道類型無關。這兩種方法的主要差別就是使用的信息測度函數不一樣。

3.1 EESM方法

EESM方法的主要優點是可以提供精確的即時BLER估計,而且該方法與信道類型無關。基本思想是把即時信道狀態映射為一個有效的SNR,通過這個標量值從AWGN性能曲線上得到該信道狀態的BLER。文獻[7]使用壓縮函數 I(x)也叫信息測度函數來反映SNR。I-1(x)是I(x)的反函數,其表達式為

這樣通過式(2)和式(3)得到SNR的映射函數:

式中,M為用戶分得的子載波個數,γi為每個子載波上的SNR。為了滿足式(4),每一種MCS都有一個對應的尺度因子 β,用于性能曲線與估計性能曲線不匹配時的調節。β是一個漸進優化過程,其目標是使多態信道下的性能曲線都可以逼近AWGN信道的性能曲線。依據“最小適配準則”優化 β值,其公式如下:

在EESM方法中,一個UE所有的子載波都使用相同的 β值,使得每個子載波使用相同的調制和編碼方式,這樣就限制了自適應調試編碼方式的使用,在某種程度上EESM會影響其性能。

3.2 MI-ESM映射方法

和EESM相比,當使用MI-ESM的時候,自適應調制和編碼的性能會更容易得到體現,因為這種映射方法不要求每一個用戶的所有子載波都使用相同的調制和編碼方式,公式如下:

式中,mp是每個調制符號的比特數,X是數據符號的集合,Y是零均值單位方差復高斯變量,β是只和調制編碼方式有關的自由參數。因為 β只和MCS有關,而MCS和SNR又對應著CQI,所以我們根據系統鏈路級仿真,可以得出β和CQI是對應的,其對應關系如表2所示。

表2 β和CQI的關系Table 2 The relationship between β and CQI

對比EESM算法,每一種調制方式X下的互信息量I(x)都需要預先實現并存儲在一個表格里面,然后再通過系統查表來完成SNR映射的操作,這樣就會加快仿真的速度。而且在使用MI-ESM的時候,自適應調制和編碼的性能能夠得到更好的體現,因為這種映射方法不要求一個用戶的所有子載波都使用相同的調制編碼方式,這樣我們就有更大的自由度和時間去設計自適應多載波資源的分配。根據這些優點本文在系統仿真中采用的是MI-ESM方法。

4 SNR到CQI的映射方法

在SNR到CQI映射的過程中,首先介紹了一種傳統的映射方法,然后提出了一種新的SNR到CQI的映射關系。按照協議的要求,我們上報給網絡端的調制編碼方式必須滿足BLER≤10%。

4.1 傳統的映射方法

文獻[8]提出了一種SNR到CQI的直接映射關系,這種映射關系的環境是在AWGN環境下固定BLER=0.1的情況下,通過系統仿真曲線來確定SNR和CQI的線性對應關系。其表達式如下:

式中,VSINRi代表第 i個SNR的值,VCQIi表示的是第i個CQI的值。而其中使用的編碼塊是PDSCH的傳輸塊大小(ITBS)。這種方法雖然簡單,存儲方便,但是在ITBS很小的時候,SNR基本不隨ITBS的變化而變化;而當ITBS很大的時候,SNR和ITBS的變化不成線性關系,這樣會導致上報時選擇不能夠負荷ITBS,導致吞吐量下降。所以下面介紹一種改進的映射方法。

4.2 新型的映射方法

結合區域擬合可以優化DSP存儲的思想,本文提出了一種新型的映射方法。

(1)計算每一個ITBS對應的物理資源塊的編碼速率,其中編碼速率=(數據塊大小+CRC冗余比特)/PDSCH分配的物理資源比特數,而編碼效率=編碼速率×調制編碼方式,CRC固定比特數位24。

(2)計算每一個ITBS所對應的物理資源塊的平均編碼速率。

(3)通過大量的仿真得出CQI和 ITBS之間的關系,如表3所示。其中仿真包括改變數據塊大小、改變調制編碼方式、改變信道環境等來得出其關系。

(4)對下行共享信道PDSCH的不同數據塊在AWGN信道環境下進行系統級仿真,其仿真結果如圖2所示。

表3 CQI和 ITBS的關系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行擬合。根據步驟3,擬合SNR和CQI之間的關系,在這里我們把SNR劃分為3個不同的區域,而在這3個區域之中,SNR和CQI都擬合成線性的關系,其CQI和SNR的線性表達式如下:

TMS320C64x系列在TMS320C6000 DSP芯片中處于領先水平,它不但提高了時鐘頻率,而且在體系結構上采用了VelociTI甚長指令集(Very Long Instruction Word,VLIW)結構[9]。本文在TMS320C64x DSP芯片中進行實現。在DSP軟件實現中,通過指令并行執行,盡量優化程序循環體,減少或消除程序中的“NOP”指令,通過在CCS3.3上仿真運行程序,此時TMS320C64x芯片的主頻一般為1 GHz,即在1 ms內可以完成1.0×106cycle,一個指令周期耗時為1 ns左右,在理想信道情況下,新型的映射算法在整個實現過程耗時8 496個指令周期,而且這種映射方法在DSP中所占有的內存非常少。

通過這種映射關系,我們在實現中不僅易于存儲和實現,而且適用于不同的信道環境、調制編碼方式、數據塊大小等,對比傳統的方法有更好的自適應性能。

5 MATLAB仿真

本文采用MATLAB 7.0對TD-LTE下行鏈路進行系統級仿真,映射方法則采用MI-ESM算法,經過系統框架中的所有流程處理,無線信道為高斯信道。分別對不同的調制方式、SINR、BLER和頻譜利用率進行了仿真。仿真采用統一的條件和參數,如表4所示。

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

我們用15種調制編碼方式和15傳輸塊大小來對應15種CQI的序號,由仿真知,隨著SNR的增加,CQI序號也增加。從這里我們可以看出,信道質量越好CQI序號就越大,由此所對應的調制編碼方式的階數也就越高,傳輸塊就越大。根據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。然后根據本文4.2節提出來的改進映射方法來映射出CQI和SNR之間的關系,對比傳統的CQI和SNR映射關系,改進方法具有良好的自適應能力,而且從圖3中可以看到不同的CQI所對應的吞吐量曲線都能夠滿足協議上規定的要求。

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

通過以上分析可知,改進的映射方法不僅可以有效地解決不同調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,因此非常適合TD-LTE系統的要求,可以應用于該系統的實現。

6 結束語

針對TD-LTE系統中的高效實時性要求和復雜的CQI上報過程,本文介紹了兩種常用的SNR映射方法,在理論和實際過程中都能夠應用到。同時本文提出了一種基于TD-LTE系統的新型CQI和SNR映射關系,并且用TMS320C64x DSP芯片進行cycle的計算。這種映射關系可以很好地反應出當前的信道質量,而且適用于各種系統仿真參數的變化,在DSP實現中易于存儲和實現。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,具有實際的應用價值,值得推廣使用。

[1] 沈嘉,索士強,全海洋,等.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計[M].北京:人民郵電大學出版社,2008:1-17.SHEN Jia,SUO Shi-qiang,QUAN Hai-yang,et al.3GPP Long Term Evolution(LTE)Principle and System Design[M].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Press,2008:1-17.(in Chinese)

[2] GOLDAMITH A J,CHUA S G.Adaptive coded modulation for fading channels[J].IEEE Communication Magazine,1998,46(5):595-602.

[3] 3GPP.TS36.212 v9.0.0,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Multiplexing and channel coding(Release 9)[S].

[4] 3GPP.TS 36.211 v9.0.0,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Physical Channels and Modulation(Release 9)[S].

[5] 3GPP.TS 36.101v9.0.0,Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)User Equipment(UE)radio transmission and reception(Release 9)[S].

[6] 張金寶,鄭洪明,談振輝,等.MIMO MLD物理層抽象技術[J].通信學報,2009,30(11):1-7.ZHANG Jin-bao,ZHENG Hong-ming,TAN Zhen-hui,et al.Physical layer abstraction for MIMOMLD[J].Journal on Communications,2009,30(11):1-7.(in Chinese)

[7] 汪海明,艾薩·圖瑪拉.多載波通信系統仿真中的EESM和MI-ESM方法[J].電訊技術,2006,46(1):26-30.WANG Hai-ming,ESA Tuomaala.Effective SINR Approach of Link to System Mapping in OFDM/Multi-Carrier Mobile Network[J].Telecommunication Engineering,2006,46(1):26-30.(in Chinese)

[8] Motorla.Revised CQI Proposal(R1-02-0675)[R].Paris:Motorla,Ericsson,2002.

[9] Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP編程工具與指南[M].田黎育,何佩琨,朱夢宇,譯.北京:清華大學出版社,2006:32-50.Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000 series DSP programming tools and guidelines[M].Translated by TIAN Li-yu,HE Pei-kun,ZHU Meng-yu.Beijing:Tsinghua University Press,2006:32-50.(in Chinese)