基于鏈路自適應(yīng)的CQI優(yōu)化研究

劉增釗，湯春麗

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 引言

LTE網(wǎng)絡(luò)作為3G演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的空口接入能力，以O(shè)FDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）技術(shù)等作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的重要技術(shù)。在20MHz頻率帶寬下，提供更高效的用戶(hù)速率，極大地改善小區(qū)邊緣的用戶(hù)速率。

鏈路自適應(yīng)是LTE 的重要技術(shù)之一，它提高了LTE系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约坝行浴TE系統(tǒng)下行鏈路采用CQI（Channel Quality Indicator，信道質(zhì)量指示）反饋機(jī)制，選取自適應(yīng)調(diào)制編碼方案，用于決定在調(diào)度周期內(nèi)的傳輸塊大小。由于不同廠(chǎng)家CQI上報(bào)范圍及上報(bào)周期有差異，會(huì)對(duì)用戶(hù)下行速率產(chǎn)生影響，因此本文通過(guò)選取LTE網(wǎng)絡(luò)CQI指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，提出合理的CQI上報(bào)機(jī)制，從而使用戶(hù)得到更加良好的速率感知。

2 LTE鏈路自適應(yīng)技術(shù)

LTE鏈路自適應(yīng)技術(shù)分為功率控制和速率控制。LTE功率控制是通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整，維持接收端一定的信噪比，保證鏈路的傳輸質(zhì)量，功率控制的目的是避免小區(qū)間用戶(hù)干擾。速率控制是在保證功率控制恒定的情況下，通過(guò)調(diào)整鏈路傳輸?shù)恼{(diào)制方式和編碼速率，確保鏈路質(zhì)量，速率控制的目的是充分利用所有功率資源。LTE鏈路自適應(yīng)技術(shù)通過(guò)功率控制和速率控制結(jié)合，動(dòng)態(tài)調(diào)整信道配置，最大化保證傳輸數(shù)據(jù)的高效性和可靠性。

LTE系統(tǒng)下行鏈路自適應(yīng)包括添加CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn)碼）、信道編碼、速率匹配、物理層加擾、調(diào)制、資源映射、符號(hào)信號(hào)生成等過(guò)程。而接收端信號(hào)自適應(yīng)過(guò)程為發(fā)送端的逆過(guò)程。鏈路自適應(yīng)調(diào)制編碼方案就是通過(guò)下行信道反饋信噪比、映射CQI、選擇MCS（Modulation and Coding Scheme，調(diào)制與編碼策略），然后再反饋給網(wǎng)絡(luò)端的過(guò)程。鏈路自適應(yīng)框架如圖1所示。

3 CQI定義及上報(bào)機(jī)制

LTE-CQI參數(shù)定義，CQI是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)信道通信質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)。CQI是根據(jù)下行信道有用信號(hào)與噪聲的比值，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的編碼性能，使數(shù)據(jù)能夠滿(mǎn)足當(dāng)前信道進(jìn)行傳輸。當(dāng)信道質(zhì)量良好時(shí)，盡可能多的傳輸數(shù)據(jù)，提高用戶(hù)下載速率。當(dāng)信道質(zhì)量較差時(shí)，以降低傳輸速率為代價(jià)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)為了滿(mǎn)足用戶(hù)極速體驗(yàn)需求，LTE網(wǎng)絡(luò)提供64QAM高階調(diào)制方式，使用戶(hù)獲得更高的吞吐率。

3.1 CQI參數(shù)釋義

LTE-CQI用以表示下行信道的質(zhì)量，eNodeB根據(jù)CQI信息選擇合適的調(diào)度算法和下行數(shù)據(jù)塊大小，以保證UE在不同無(wú)線(xiàn)環(huán)境下都能獲取最優(yōu)的下行性能。UE根據(jù)測(cè)量下行參考信號(hào)的信噪比評(píng)估下行鏈路特性，并通過(guò)廠(chǎng)家核心算法確定當(dāng)前信道條件下所能獲取的BLER（Block Error Ratio，誤碼率）值，并根據(jù)BLER≤10%的限制，上報(bào)對(duì)應(yīng)的CQI值，得出適合MCS，決定傳輸塊的大小。SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號(hào)與干擾加噪聲比）與CQI映射關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)E-UTRA物理層的規(guī)定，UE上報(bào)的CQI index的范圍為0—15，每個(gè)上報(bào)的CQI-index值對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制方式和編碼效率，通過(guò)獲取UE上報(bào)的CQI，可以對(duì)應(yīng)調(diào)整每個(gè)數(shù)據(jù)流的調(diào)制方式使得數(shù)據(jù)速率與各信道的傳輸能力更好地匹配。LTE CQI各值與其對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式以及碼率如表1所示：

表1 LTE CQI各值與其對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式以及碼率

其中調(diào)制方式與調(diào)制階數(shù)相關(guān)，表示一個(gè)符號(hào)中所攜帶的信息量。QPSK調(diào)制階數(shù)為2，16QAM調(diào)制階數(shù)為4，64QAM調(diào)制階數(shù)為6。由此可見(jiàn)，調(diào)制階數(shù)與符號(hào)攜帶信息的能力為正比關(guān)系。

圖2 SINR與CQI映射關(guān)系

碼率=傳輸塊中信息比特?cái)?shù)/物理信道總比特?cái)?shù)=信息比特?cái)?shù)/（物理信道總符號(hào)數(shù)×調(diào)制階數(shù)）=效率/調(diào)制階數(shù)。從公式可得出不同CQI索引決定了下行調(diào)制階數(shù)與物理信道每個(gè)符號(hào)攜帶信息的差異。根據(jù)映射關(guān)系可得出，CQI值越大，所采用的調(diào)制編碼方式越高，映射到物理層符號(hào)的信息越多，因此在調(diào)度時(shí)間內(nèi)下行峰值吞吐率越高。

表2 LTE傳輸模式與CQI上報(bào)模式對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 CQI上報(bào)機(jī)制

LTE系統(tǒng)分周期性的CQI上報(bào)和非周期性上報(bào)兩種模式，PUCCH信道通常承載周期性上報(bào)CQI信息，PUSCH信道承載非周期性上報(bào)CQI信息，如果UE發(fā)送周期性CQI的子幀，同時(shí)有數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)由PUSCH信道完成上報(bào)，與周期性上報(bào)格式相同。如果同時(shí)存在周期性和非周期上報(bào)，UE只上報(bào)非周期性CQI。

LTE-CQI上報(bào)分為3種方式：1）寬帶CQI上報(bào)；2）用戶(hù)選擇子帶CQI上報(bào)；3）高層配置子帶CQI上報(bào)。同時(shí)，LTE中的CQI上報(bào)還與UE的傳輸模式有關(guān)。LTE定義了8種不同的傳輸模式，對(duì)應(yīng)不同模式多天線(xiàn)技術(shù)。LTE傳輸模式與CQI上報(bào)模式對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

（1）周期性上報(bào)

對(duì)于CQI周期性上報(bào)，eNodeB可以通過(guò)參數(shù)Cqi-FormatIndicatorPeriodic，配置UE進(jìn)行周期性的上報(bào)，包括CQI 的上報(bào)模式，所使用的PUCCH 資源以及上報(bào)周期信息。周期上報(bào)無(wú)高層配置的子帶類(lèi)型上報(bào)模式，對(duì)于PUCCH周期上報(bào)模式分為4種，如表3所示：

表3 PUCCH周期上報(bào)4種模式

（2）非周期性上報(bào)

對(duì)于CQI非周期性上報(bào)，當(dāng)UE在下行子幀上接收到DCI format 0或者Random Access Response Grant（CQI request=1），反饋相應(yīng)的CQI。

非周期CQI上報(bào)模式是由3種CQI上報(bào)類(lèi)型和PMI上報(bào)類(lèi)型組合而成，對(duì)于PUSCH非周期上報(bào)有5種模式，如表4所示：

表4 PUSCH周期上報(bào)5種模式

4 LTE網(wǎng)絡(luò)CQI指標(biāo)分析

LTE下行鏈路信道通過(guò)CQI反饋選擇典型的調(diào)制方式及編碼率。通常，一個(gè)高階CQI值能反映出良好的下行鏈路質(zhì)量，反之亦然。因此CQI從側(cè)面反映LTE系統(tǒng)噪聲干擾情況。根據(jù)表1可以看出，CQI≥10是采用64QAM調(diào)制的必要條件，CQI≥7是采用16QAM調(diào)制的必要條件。

4.1 廠(chǎng)家CQI定義

（1）愛(ài)立信CQI指標(biāo)定義：小區(qū)CQI平均數(shù)＝（CQI0個(gè)數(shù)×0+CQI1個(gè)數(shù)×1…+CQI15個(gè)數(shù)×15）/CQI上報(bào)總個(gè)數(shù)；其中，CQI個(gè)數(shù)=pmRadioUeRepCqiD istr[i]+pmRadioUeRepCqiDistr2[i]，(i=0, 1, 2, …, 15)。

（2）華為CQI 指標(biāo)定義：小區(qū)CQI 平均數(shù)=（CQI0個(gè)數(shù)×0+CQI1個(gè)數(shù)×1…+CQI15個(gè)數(shù)×15）/CQI上報(bào)總個(gè)數(shù)；若UE上報(bào)的Rank大于1，則分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)碼字的CQI指標(biāo)。

愛(ài)立信與華為CQI指標(biāo)定義的相同點(diǎn)：從上報(bào)機(jī)制來(lái)看，在全帶寬上，兩個(gè)廠(chǎng)家都是分16個(gè)段統(tǒng)計(jì)0到15的CQI上報(bào)數(shù)，且在RANK為2的時(shí)候，CQI皆上報(bào)同一值2次。

4.2 CQI指標(biāo)分析

通過(guò)分析廠(chǎng)家CQI取值的范圍，驗(yàn)證CQI上報(bào)與用戶(hù)下行速率關(guān)系，指導(dǎo)LTE網(wǎng)絡(luò)CQI指標(biāo)的優(yōu)化工作。

（1）CQI指標(biāo)占比分布：CQI指標(biāo)以廠(chǎng)家為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，通過(guò)廠(chǎng)家定義的CQI平均數(shù)，統(tǒng)計(jì)CQI平均數(shù)大于10的小區(qū)占比情況，評(píng)估噪聲干擾對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的影響。

愛(ài)立信小區(qū)CQI平均數(shù)＞10的小區(qū)占比為89.78%，華為小區(qū)CQI平均數(shù)＞10的小區(qū)占比為71.96%。愛(ài)立信平均CQI值高于華為。愛(ài)立信、華為CQI平均數(shù)分布如圖3所示。

（2）CQI高階占比：CQI≥10的采樣點(diǎn)占比=小區(qū)CQI≥10的采樣點(diǎn)數(shù)量/小區(qū)全部采樣點(diǎn)數(shù)量，指標(biāo)以小區(qū)為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，統(tǒng)計(jì)小區(qū)上報(bào)不同CQI值的次數(shù)，衡量小區(qū)下行鏈路的整體質(zhì)量情況。愛(ài)立信小區(qū)高階CQI占80%到100%的比例為41.57%；華為小區(qū)高階CQI占比80%到100%的比例為17.08%。愛(ài)立信、華為高階CQI占比分布如圖4所示。

由此可見(jiàn)，高階CQI指標(biāo)的占比越高，用戶(hù)級(jí)下行吞吐率越高。愛(ài)立信在高階占比80%以上分段，用戶(hù)速率遠(yuǎn)高于華為區(qū)域，所以上報(bào)CQI取值對(duì)用戶(hù)下行速率有直接影響。高階CQI與用戶(hù)級(jí)下行速率關(guān)系如圖5所示：

圖3 愛(ài)立信、華為CQI平均數(shù)分布

圖4 愛(ài)立信、華為高階CQI占比分布

圖5 高階CQI與用戶(hù)級(jí)下行速率關(guān)系

（3）廠(chǎng)家上報(bào)周期間隔決定不同廠(chǎng)家CQI的采樣點(diǎn)數(shù)量存在差異。上報(bào)周期間隔設(shè)置較長(zhǎng)，雖然降低了下行交互的信令開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也降低了下行信道估計(jì)的精度，帶來(lái)用戶(hù)下行速率的損失。反之，上報(bào)周期間隔設(shè)置較短，額外占用上行承載數(shù)據(jù)的資源，降低了系統(tǒng)上行鏈路的效率，因此需均衡考慮CQI的配置參數(shù)。從上報(bào)周期來(lái)看，愛(ài)立信周期性上報(bào)為80ms一次，非周期上報(bào)10ms一次，周期性上報(bào)可選，出廠(chǎng)默認(rèn)為80ms；華為則為5ms～40ms的自適應(yīng)上報(bào)，周期和非周期都一樣。愛(ài)立信與華為采樣點(diǎn)數(shù)量如圖6所示：

圖6 廠(chǎng)家CQI采集總數(shù)對(duì)比

4.3 CQI對(duì)LTE系統(tǒng)的影響

CQI 作用于LTE 系統(tǒng)下行鏈路資源分配，U E 根據(jù)每個(gè)信道的等效SINR值估算CQI，通過(guò)系統(tǒng)分配上行資源上報(bào)基站。基站根據(jù)適應(yīng)當(dāng)前信道的CQI上報(bào)機(jī)制來(lái)選取相應(yīng)的寬帶或者子帶信息，獲悉終端在選擇頻帶上的干擾情況，實(shí)現(xiàn)頻率選擇性或者非選擇性調(diào)度。基站根據(jù)CQI取值和系統(tǒng)帶寬獲取MCS（Modulation and Coding Scheme，調(diào)制與編碼策略）和TBS（Transport Block Size，傳輸塊）信息，從而直接影響下行吞吐率。

如果UE上報(bào)了較低的CQI取值，但是LTE系統(tǒng)卻錯(cuò)誤地發(fā)送了較大的傳輸塊，則可能導(dǎo)致誤碼率抬升，從而U E 解碼失敗并發(fā)送NACK信息，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)重傳，增加系統(tǒng)負(fù)荷，影響網(wǎng)絡(luò)資源利用率。如果網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)環(huán)境較差，但UE卻錯(cuò)誤上報(bào)較高CQI取值，則系統(tǒng)根據(jù)上報(bào)CQI選擇較大的傳輸塊，而這也同樣可能導(dǎo)致UE解碼失敗，導(dǎo)致系統(tǒng)資源利用率降低。因此基站應(yīng)根據(jù)當(dāng)前信道條件上報(bào)正確的CQI取值，通過(guò)MCS選擇合適的TBS發(fā)送數(shù)據(jù)，達(dá)到最佳的用戶(hù)速率體驗(yàn)感知。

5 結(jié)束語(yǔ)

CQI指標(biāo)對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)下行調(diào)度起著關(guān)鍵作用，因此了解CQI上報(bào)的基本原理、上報(bào)機(jī)制和現(xiàn)網(wǎng)指標(biāo)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作有很大幫助。本文主要對(duì)CQI指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)介紹了CQI對(duì)LTE系統(tǒng)的影響。通過(guò)監(jiān)控CQI指標(biāo)評(píng)估LTE網(wǎng)絡(luò)整體的覆蓋和干擾的情況，指導(dǎo)優(yōu)化工作，從而提升用戶(hù)感知體驗(yàn)。

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