TD－HSDPA系統中改進的CQI預測方法

趙偲為，羅 濤，尹長川

(北京郵電大學網絡體系構建與融合北京市重點實驗室，北京 100876)

為了滿足日益增長的數據業務需求，TD-SCDMA在Rel-5中引入了下行高速分組接入技術HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)。它可為下行提供高達2.8 Mbit/s的峰值速率，該性能的提高主要得益于系統在物理層引入了大量關鍵技術，包括高階調制、AMC(Adaptive Modulation and Coding，自適應調制編碼)、HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request，混合自動重傳請求)以及快速調度等技術。AMC是根據信道條件自適應地調整編碼速率和調制方式，當信道條件好的時候，選擇高效率的編碼調制方法，以提高傳輸速率;當信道條件差的時候，選擇低效率的編碼調制方法，以保證通信質量。由此可見，在HSDPA技術中，要想提高傳輸速率和系統吞吐量，AMC技術是問題的關鍵所在。為此，本文將重點分析TD-HSDPA系統的AMC過程中影響其性能的關鍵因素，并提出了一種提高AMC性能的CQI(Channel Quality Indicator，信道質量指示)預測算法。

1 AMC技術的現有研究工作

在TD-HSDPA系統中，AMC的過程如下［1］:

1)基站端通過HS-SCCH信道發送控制信息，指示下一個HS-DSCH傳輸的資源分配情況。UE收到該信息后，將知道在哪一個時隙和碼道接收下一個HS-DSCH信道承載的數據。

2)UE接收HS-DSCH信道承載的數據，并測量信道質量。

3)根據HS-DSCH資源分配情況和測量結果，UE產生一個CQI，并在相應HS-SICH(HS-SICH信道與HSPDSCH信道至少相隔8個時隙)上報給基站。CQI包括UE建議的傳輸塊大小和調制方式。

4)基站根據UE上報的CQI選擇合適的傳輸塊大小和調制方式。

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上采用相應的傳輸格式將數據發送給UE。

整個過程中的關鍵在于:基站如何實時準確地測量信道質量;UE怎樣產生一個合適的CQI;基站如何預測信道的變化，從而克服反饋時延帶來的影響。

一般來說，系統中常用信噪比(SNR)來衡量信道的質量。在一定場景下，通過大量先驗的性能仿真，找到滿足不同的QoS目標(例如:使系統吞吐量最大，或保證一定的目標誤塊率)時的SNR與CQI的映射關系。但這類方法得到的CQI的切換門限值都是在特定場景下的，用于實際信道環境中時，這種映射關系可能并不準確，需要進行一定的調整。文獻［2］提到了一種結合CRC校驗調整門限值的方法，即當接收幀通過CRC校驗時，切換點的門限值降低一定的步長;當接收幀未通過CRC校驗時，切換點的門限值提高一定的步長。但這種方法可能帶來“乒乓效應”，即切換門限值在某一個值附近震蕩。因此，文獻［3］提出了一種改進方案，只有接收端估計的下行鏈路質量靠近當前的切換點(如:±a dB范圍內)才進行調整。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指標來調整門限，就會帶來性能損失，文獻［4］提出了一種綜合考慮接收徑數及多普勒頻移的門限調整算法。原理是在上述門限值調整算法的基礎上，根據NodeB對UE的多普勒頻移估計值和UE對徑數的估計值來確定調整步長。當信道變化率較大時，采用較大的調整步長，達到迅速調節CQI門限以適應信道變化的目的;而信道變化率較小時，采用較小的調整步長，減小門限值不必要的波動。

至于反饋時延方面，最常見的解決方案是信道預測，根據前幾幀的信道質量預測當前調度時刻的信道質量。文獻［5-6］提出了利用歷史的SNR值進行信道預測的方法。基站端根據上報的CQI找到對應的SNR值，然后利用SNR的歷史值進行信道預測，得到調度時刻的SNR預測值，再根據SNR與CQI的關系得到相應的CQI。這種方法需要基站端知道SNR與CQI的映射關系。在FDD系統中，為了方便HSDPA技術的使用，3GPP規范中定義了30種CQI級別，并在技術報告中給出了SNR與CQI的線性關系［7］。所以，在基站端能很方便地從CQI得到SNR。但在TDD系統中，沒有相關文檔給出SNR與CQI的線性關系，不同的終端廠商SNR與CQI映射關系的實現方式不同，所以很難直接根據上報的CQI得到對應的SNR，以致在TD-HSDPA系統中，很難直接利用SNR的歷史值預測信道。同樣，文獻［8］提出的利用每個子幀的DPCH信道的TPC信息對信道預測的結果進行調整的方法也是假設基站端能通過上報的CQI得到對應的SNR，有一定的局限性，而且這些算法都只考慮了反饋時延，沒有考慮到SNR與CQI的映射的準確性帶來的影響。綜上所述，本文將綜合考慮SNR與CQI的映射的準確性和反饋時延對系統性能的影響，提出一種CQI預測的方法。該方法在基站端直接利用CQI的歷史值進行信道預測，克服反饋時延帶來的性能下降，同時，在UE端對SNR與CQI的映射表進行調整，盡可能保證SNR與CQI的映射表的準確性。

2 SNR與CQI的映射

3GPP中要求采用AMC技術時，數據首次傳輸的誤塊率不能超過10%。因此，本文中將采用傳統的SNR與CQI映射方法，在一定的場景下，通過大量先驗的性能仿真，找到使系統在沒有重傳的情況下誤塊率不超過10%的SNR與CQI的映射關系。

假設當前系統采用固定RU分配方案，即一個TTI內所有調度用戶占用的碼道資源固定且相等，系統為HSPDSCH配置了5個時隙，共80個碼道，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，根據不同傳輸塊大小的誤塊率曲線把信道的整個SNR范圍劃分為若干個區域，每個區域對應一個CQI值。如圖1所示，如果UE測得的SNR介于T(n-1)與T(n)之間，根據映射關系，將反饋CQI(n-1)。

圖1 特定場景下不同CQI的誤塊率曲線

3 CQI預測算法

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映射表足夠準確，而NodeB端的CQI預測也足夠準確，可以使吞吐量在保證系統誤塊率小于10%的情況下盡可能地大。基于這種思想，將綜合考慮CQI預測和門限值調整，在NodeB端進行CQI預測，在UE端進行門限值調整。

1)NodeB端的CQI預測

由于反饋時延和調度時延以及信道的時變性，NodeB調度時的信道環境與UE測量時的信道環境可能有很大的變化，所以NodeB端反饋的CQI進行調整的關鍵問題在于如何利用信道的相關性預測調度時刻的CQI。對于TD-HSDPA來說，根據協議中規定，HS-SCCH和對應的HS-PDSCH信道至少間隔2個時隙，HS-PDSCH和對應的HS-SICH信道至少間隔8個時隙，即從UE估計CQI到NodeB調度至少間隔了10個常規時隙，反饋和調度時延加起來至少10 ms。對于HSDPA業務，一個TTI為5 ms。當UE運動速度為3 km/h時，相干時間為180 ms，信道相關性很好，利用一些預測算法可以達到很好的預測效果;當UE運動速度為120 km/h時，其相干時間為4.5 ms，也就是說當前幀與下一幀幾乎沒有相關性，只能跟蹤信道的慢衰落特性。此外，理論上來說，UE上報的CQI與實際接收的信干噪比是相對應的，如果不考慮干擾的時變特性，則上報CQI隨時間的波動完全對應著UE經歷的衰弱包絡，所以可以直接利用CQI的歷史值進行預測。

綜合以上兩點，本文提出的CQI預測算法首先會設置一個預測重置門限，如果預測步長超過預測重置門限，則用初始默認的CQI值作為調度時刻的CQI，否則根據式(1)～(2)得到CQI預測值，然后用CQI預測值作為調度時刻的CQI。

式中:CQI_rmf(n)是 UE上報的第 n幀的 CQI值;CQI_s(n)是第n幀的平滑值;CQI_est(n+D)是第(n+D)幀的預測值;p是歸一化的平滑因子，由UE的運動狀態決定。由于在低速運動狀態下，信道相關性很強，所以當預測步長較小時，第(n+D)時刻的CQI值與第n時刻的CQI值也存在很強的相關性，因此選擇較大的平滑因子(p=1)。在非低速運動狀態下，信道相關性很弱，此時很難跟蹤信道的瞬時特性，可以盡可能選取較小的平滑因子(p=1/64)。在本文中，利用一定窗長內CQI的波動性來判斷UE的運動狀態。

假設預測步長為D，滑動窗長為W，判斷第k幀時UE的運動狀態:

(1)從UE上報的CQI的歷史值中取出第k-W～k幀的 CQI，即

(2)對每相鄰兩個CQI_rmf求差值，即

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

(4)計算中的元素從1變為-1或者從-1變為1的次數為n(即信道由好變差或者由差變好的次數)。如果在一定窗長W內，n超過某個值，則認為UE處于非低速移動狀態，設p=1/64;否則認為UE處于低速移動狀態，設p=1。

2)UE端進行門限值調整

由于SNR與CQI的映射關系是在特定場景下得到的，用于實際信道環境中時，這種映射關系并不準確，需要進行一定的調整。傳統的集中式門限值調整算法是根據對每個接收的數據進行CRC校驗的結果實時調節門限值。假設共有N個CQI，CQI的切換門限值為T(1)～T(N-1)。若檢測到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)。在集中式門限調整算法中，如果接收的數據經CRC校驗正確，則將門限值減小Δdown，如果接收數據經CRC校驗不正確，則將門限值增加 Δup。Δdown為

式中:BLERtarget是系統的目標誤塊率。

但是這種方法在調整時沒有考慮到信道的時延。接收數據沒有通過CRC校驗的原因可能是因為CQI映射不準確導致，也可能是由于預測偏大導致的;同樣，接收數據經CRC校驗正確的原因也可能是由于預測偏小導致。此外，在下行傳輸信道的傳輸塊很小和很大的時候，CQI幾乎不隨SNR變化。所以不能像傳統門限值調整方法那樣，每接收到一幀數據就調整一次。對于第k幀數據，具體步驟如下:

(1)測量第k幀數據的SNR。如果SNR大于門限值的最大值或者小于門限值的最小值，則不調整;否則，進入步驟(2)。

(2)判斷第k幀的CQI預測值是否等于第k幀UE上報的CQI。如果不相等，則不調整;否則，進入步驟(3)。

(3)判斷第k幀數據經過CRC校驗的結果。如果正確，則將門限值減小Δdown;否則，將門限值增加Δup。

4 仿真鏈路及結果分析

4.1 仿真鏈路及仿真參數設置

為了對CQI預測算法的性能進行驗證，使用MATLAB搭建了TD-HSDPA下行仿真鏈路，如圖2所示。仿真參數如表1所示。

圖2 TD-HSDPA下行仿真鏈路

表1 仿真參數設置

4.2 仿真結果

主要從兩個方面來衡量CQI預測算法的性能:預測誤差和系統的吞吐量。

1)預測誤差

CQI的預測誤差定義為

圖3～圖5分別為3 km/h，30 km/h，120 km/h速度情況下，沒有CQI預測算法、CQI線性預測以及本文提出的改進的CQI預測算法的預測誤差。從圖中可以看出，使用改進的CQI預測算法時，CQI調度值更加接近真實值。因為CQI線性預測算法只考慮了反饋時延的問題，沒有考慮到SNR與CQI映射表的準確性對系統性能的影響。而改進的CQI預測算法同時補償了反饋時延和SNR與CQI映射表的準確性對系統性能的影響，因此，改進的CQI預測算法預測準確度更高。

2)系統的吞吐量

吞吐量定義為成功傳輸的信息速率，即

式中:R為信息比特速率;Nsuc為成功傳輸的幀數;N為總的傳輸幀數。

圖6～圖8分別為3 km/h，30 km/h，120 km/h速度情況下，沒有CQI預測算法、CQI線性預測以及本文提出的改進的CQI預測算法的系統的吞吐量。從圖中可以看出在30 km/h和120 km/h速度下，使用改進的CQI預測算法能使吞吐量得到明顯的提高。這是因為使用改進的CQI預測算法后，CQI調度值更加接近真實值，從而使得傳輸成功率提高，最終導致吞吐量提高。

5 小結

文中提出了一種CQI預測算法。該算法綜合考慮SNR與CQI的映射的準確性和反饋時延對系統性能的影響，在基站端利用CQI的歷史值進行信道預測，同時根據接收數據的準確性，在UE端對SNR與CQI的映射表進行調整。仿真結果表明，該算法能在中高速移動環境下帶來較大的吞吐量增益。

［1］3GPP TS 25.224 V9.1.0，Physical layer procedures(TDD)［S］.2010.

［2］LEE J，ARNOTT R，HAMABE K，et al.Adaptive modulation switching level control in high speed downlink packet access transmission［C］//Proc.Third International Conference on 3G Mobile Communication Technologies，2002.［S.l.］:IEEE Press，2002:156-159.

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［4］魏寧，張忠培，李少謙.HSDPA鏈路自適應AMC門限調整［C］//中國西部青年通信學術會議論文集.成都:［s.n.］，2005:307-311.

［5］TOUHEED H，QUDDUS A，TAFAZOLLI R.An improved link adaptaion scheme for high speed downlink packet access［C］//Proc.IEEE Vehicular Technology Conference，2008.［S.l.］:IEEE Press，2008:2051-2055.

［6］TOUHEED H，QUDDUS A，TAFAZOLLI R.Predictive CQI reporting for HSDPA［C］//Proc.IEEE 19th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2008. ［S.l.］:IEEE Press，2008:1-5.

［7］3GPP document R1-02-0675，Revised CQI proposal［S］.2002.

［8］ZHANG Zhonghao，TANG Guanyu，CHANG Yongyu，et al.A CQI adjustment scheme for HSDPA system［C］//Proc.IEEE Vehicular Technology Conference(VTC)，2008.［S.l.］:IEEE Press，2008:1433-1437.

［9］3GPP TS 25.321 v9.4.0，Medium access control(MAC)protocol specification［S］.2010.