TD－LTE系統中簡單易行的AMC方案研究

陳發堂，孫 鵬，徐熾云

(重慶郵電大學移動通信協議研究所，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，以達到高數據目標和提高頻率利用率［1］。無線移動通信系統中，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，為了保證通信質量，需要增加反饋機制使發送端知道目前的信道質量，然后選擇合適的調制編碼方式。自適應調制編碼技術(AMC)正是根據目前信道狀態，可以自適應地調節傳輸數據的編碼速率以及調制編碼方式，由此獲得最佳的吞吐量，以獲取數據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系統的自適應編碼技術，一般都是用戶根據接收到的信號估計信噪比，然后根據目前信道環境和噪聲環境下，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，還占用系統的資源，影響業務容量。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。基于這種情況，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直接調節系統傳輸的MCS，與傳統的CQI上報方案相比，節省系統資源且簡單易行。通過理論分析和仿真，該AMC方案可以大量地節省工作時間，為系統節省了資源，從而提高了系統的吞吐量。該方案已運用于TD－LTE射頻一致性測試系統中。

1 LTE系統中AMC概述

LTE系統中AMC實現過程如圖1所示。首先接收端根據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制編碼方式發給UE。

1.1 有效信噪比映射

圖1 LTE系統AMC實現過程

LTE系統中，由于頻率選擇性，使得各個子載波經過具有相同信噪比的鏈路，其產生的誤塊率卻不同。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生的，因此，需要一個有效的信噪比，能將系統級(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信道到單狀態信道的映射函數［5］。其中，EESM方法中，信息測量函數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制編碼方式。MI－ESM的優點是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;I(x)是MI－ESM的信息測度函數;I－1(x)是I(x)的反函數。信息測度函數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時的數據符號集合，b的取值為0或1;X為2m個數據符號的集合;m為MCS中每調制符號所含的比特個數。MIESM中β的值根據目前所用的CQI的值得到。

1.2 CQI的生成

在AWGN信道環境下，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。可以描述為［6］

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

在LTE－AMC系統中，在一定的發射功率下，為了優化系統的覆蓋量和容量，發射機的數據發送率要能夠匹配UE接收的信號質量，即在UE接收到信號質量好的情況下多發送數據，相反則少發送數據。根據這種原則，當信道變化較慢時，可以利用基站實時檢測鏈路傳輸的誤塊率［7］，然后根據誤塊率通過一定的規則來調整下行傳輸使用的MCS，實現自適應調制編碼方式。調整的規則是:如果誤塊率過大(一般取0.1)，則下調MCS，如果誤塊率過小(一般取0)，則上調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)，又能為系統節省資源。尤其在系統的業務資源緊張時，可以更大程度地提高系統的業務容量。

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統計長度內(一般取10個無線幀100 ms，下面所述的統計范圍均指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，則繼續步驟(2)，否則把NULL(表示給無線幀沒有傳輸數據或者收到的反饋不符合統計要求，不用與計算BLER值)插到表頭，并執行步驟(4)。

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

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

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

2)根據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數目)/(ACK數目+NACK數目)。

3)根據誤塊率來適當調整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)，基本參數如下:系統帶寬為20 MHz，采用的幾種MCS如表2所示，FFT大小為2 048，CP長度160，TTI長度1 ms，每個OFDM符號數為14，每個PRB子載波數取12，采樣頻率15.36 MHz，信道編碼為Turbo編碼。

表1 LTE系統中EPA傳播環境參數

表2 LTE系統幾種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系統中傳統的自適應編碼技術為AMC1，令本文介紹的自適應調制編碼技術為AMC2，同時為了便于比較，本文還采用兩種固定的MCS，分別為64QAM調制、3/4編碼速率(稱為MCS1)和QPSK調制、1/4編碼速率(稱為MCS2)。

圖4和圖5是上述幾種調制編碼方式的仿真結果。從圖中可以看出，在該環境下，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，系統的業務量更大，資源比較緊缺，而AMC1中CQI計算的復雜度較高，而且CQI信息通過編碼調制并資源映射到RE上浪費時頻資源，AMC2正是利用發送端計算出BLER直接得出MCS，不占用系統資源，提高了系統容量，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系統中現有的自適應調制編碼技術需占用上行資源，進而使可提供的業務資源減少的情況，本文利用慢變信道特征，提出了一種在該信道環境下簡單易行的AMC方案，并將其運用到TD－LTE系統中。該方案通過接收端計算信道BLER來自適應地調整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，增加了系統的容量，從而增加了系統的吞吐量。仿真結果表明，當信道環境變換較慢時，該方案明顯地提高了系統性能，尤其是在系統資源比較緊缺的時候，其優勢更突出。

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［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.

［2］陳發堂，游杰，楚楊.基于TD－LTE系統的新型SNR和CQI映射方案［J］.電訊技術，2011(8):1－5.

［3］SCHWARZ S，MEHLFHRER C，RUPP M.Calculation of the spatial preprocessing and link adaption feedback for 3GPP UMTS/LTE［C］//Proc.IEEE Wireless Advanced 2010.London，UK:IEEE Press，2010:1－6.

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