UE速度和CQI時延對LTE/LTE-A系統(tǒng)效率的影響

陳發(fā)堂　高　奇

(重慶郵電大學重慶市移動通信技術重點實驗室，四川 重慶　400065)

UE速度和CQI時延對LTE/LTE-A系統(tǒng)效率的影響

陳發(fā)堂高奇

(重慶郵電大學重慶市移動通信技術重點實驗室，四川 重慶400065)

摘要：針對無線信道復雜的時變特性，采用自適應調(diào)制編碼(AMC)技術進行下行資源的調(diào)度，以提高LTE/LTE-A系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)性能。AMC技術的關鍵是網(wǎng)絡端使用終端反饋的實時信道質(zhì)量指示(CQI)進行下行調(diào)度，但現(xiàn)有LTE/LTE-A系統(tǒng)中，為了簡化系統(tǒng)設計，大多并未考慮CQI時延帶來的影響。因此，建立LTE/LTE-A系統(tǒng)模型，并結合WINNER II信道模型，對不同信道環(huán)境下CQI時延和用戶設備(UE)速度對LTE/LTE-A系統(tǒng)的影響進行仿真分析。分析結果表明，LTE/LTE-A系統(tǒng)的效率隨著終端速度和CQI時延的增加而降低，并且在惡劣的信道環(huán)境下，終端速度和CQI時延對LTE/LTE-A系統(tǒng)效率的影響更嚴重。

關鍵詞：自適應調(diào)制編碼信道質(zhì)量信道模型無線移動通信高速路網(wǎng)可靠性

0引言

無線移動通信的一個重要特征就是瞬時信道條件具有快速而顯著的波動。在一個小區(qū)內(nèi)，各條無線鏈路上所經(jīng)歷的信道質(zhì)量存在快速且一定程度的隨機波動，這種波動對于系統(tǒng)的頻譜效率和通信的可靠性都會產(chǎn)生不可忽略的影響[1]。對此，LTE與LTE-A系統(tǒng)均采用了自適應調(diào)制編碼(adaptive modulation and coding,AMC)技術進行下行資源調(diào)度。AMC技術根據(jù)無線信道在時間、頻率和空間上的變化，自適應地調(diào)整傳輸參數(shù)，在維持不同業(yè)務服務質(zhì)量(quality of service,QoS)需求的同時，有效地提升了無線通信系統(tǒng)的平均頻帶利用率和傳輸效率，并提高了系統(tǒng)容量和可靠性[2]。

1LTE/LTE-A系統(tǒng)中的AMC技術

AMC技術根據(jù)無線信道的質(zhì)量調(diào)節(jié)調(diào)制方式與信道編碼速率來實現(xiàn)[3]。

LTE/LTE-A中AMC技術原理框圖如圖1所示。

圖1　AMC技術原理框圖

當無線信道質(zhì)量較好時，接收機具有較高的信噪比，此時限制LTE/LTE-A系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的主要因素為無線鏈路的帶寬，系統(tǒng)采用高階的調(diào)制等級(如64QAM和16QAM)與較高的編碼速率。類似地，當無線信道的質(zhì)量較差時，系統(tǒng)適用QPSK等低階的調(diào)制等級和較低的編碼速率[4]。這樣，既保證了系統(tǒng)的資源得到有效利用，提高了吞吐量，又保證了整個系統(tǒng)的可靠性。

AMC技術的關鍵是要獲得用戶設備(user eqipment,UE)實時的CQI反饋，而大多實際使用的LTE/LTE-A系統(tǒng)中并沒有考慮CQI的時延,這就導致在t時刻，網(wǎng)絡端進行下行調(diào)度決策的時候使用的是(t-τ)時刻的CQI。

2系統(tǒng)模型

根據(jù)圖1所示的AMC技術原理框圖，建立分析實際CQI反饋對LTE/LTE-A系統(tǒng)性能影響的系統(tǒng)模型。該模型包括無線信道功能模塊、終端功能模塊以及網(wǎng)絡端功能模塊。

2.1無線信道功能模塊

LTE/LTE-A系統(tǒng)采用的頻段多在2 GHz附近，并且單載波的帶寬最大達到了20 MHz，通過載波聚合技術更能達到100 MHz的驚人帶寬。在這種情況下，無線通信環(huán)境更加復雜，且不同的場景對通信影響也有很大的差別，因此3G 時代的信道模型(如SCM信道模型)由于最大支持帶寬的限制以及場景選擇的匱乏等原因，已不再適用于LTE/LTE-A系統(tǒng)的仿真。本文選擇了WINNER II 無線信道模型。WINNER II信道模型能夠支持2～6 GHz的載頻和100 MHz的系統(tǒng)帶寬，并且將通信場景細分為17種傳播場景[4]。WINNER II 信道模型是一個基于幾何的參數(shù)化信道模型，其信道參數(shù)都是WINNER 組織根據(jù)實際信道的大量測量統(tǒng)計得到的。這些信道參數(shù)包括時延擴展、角度擴展、陰影衰落等大尺度參數(shù)和時延、到達角/離開角(AOA/AOD)、簇功率等小尺度參數(shù)。WINNER II 信道模型的不同場景可以采用相同的方法建模，只是各個參數(shù)的設置不同，這為無線通信系統(tǒng)的仿真提供了很大的便利[4]。

根據(jù)仿真系統(tǒng)的要求，采用WINNER II信道模型中的C2場景(典型城市宏蜂窩場景)和C3場景(惡劣城市宏蜂窩場景)進行系統(tǒng)仿真，其主要信道參數(shù)見文獻[4]。

需要注意的是，C2和C3場景在NLOS(無視距徑)情況下采用的路損模型參數(shù)相同，如式(1)所示；但是C2場景的LOS和NLOS有很大不同，如式(2)所示。

PLNLOS=[44.9-6.55 log10(hBS)]log10(d)+

(1)

PLLOS=40 log10(d)+13.47-141log10(hBS)-

(2)

2.2終端功能模塊

終端模塊主要進行下行鏈路質(zhì)量的測量，將得到的各子載波信干噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio,SINR)根據(jù)相應策略映射為CQI，并反饋給終端。為了盡可能地提高系統(tǒng)吞吐率，LTE/LTE-A高層要求信噪比(signaltonoiseratio,SNR)到CQI的映射必須保證系統(tǒng)誤塊率不超過0.1[1-6]。

LTE/LTE-A系統(tǒng)終端進行下行信道質(zhì)量測量的過程如圖2所示。

圖2　下行信道質(zhì)量測量流程圖

式(3)和式(4)分別給出了網(wǎng)絡端進行調(diào)制編碼方式選擇的策略以及相應系統(tǒng)吞吐量的期望值。

(3)

(4)

須進一步說明的是，終端在測量下行信道生成過程中需要進行有效信噪比映射，即將終端測量得到的SNR映射為單態(tài)信道的SNR。現(xiàn)在比較流行的有效信噪比映射算法有：互信息有效信噪比(mutualinformationeffectiveSNRmapping,MIESM)映射和指數(shù)有效信噪比(emponentialeffectiveSNRmapping,EESM)映射[7]。

大量的文獻研究證明：MI-ESM算法整體性能要略優(yōu)于EESM算法，但是帶來了很大的時間復雜度。本文選擇了EESM算法，以減小系統(tǒng)的復雜度。其采用的信息測度函數(shù)為：

(5)

SISO信道下的SNR-BLER曲線是由大量的系統(tǒng)仿真得出的，并應用于實際的LTE/LTE-A系統(tǒng)中。

2.3網(wǎng)絡端功能模塊

網(wǎng)絡端模塊的功能主要為下行調(diào)度策略的選擇。網(wǎng)絡端根據(jù)各個終端上報的CQI及相關策略，決定各個終端的下行數(shù)據(jù)發(fā)送使用的物理資源塊以及傳輸格式[8]。本文采用的下行調(diào)度策略為比例公平調(diào)度算法。比例公平調(diào)度算法在每個時間間隔內(nèi)，基于式(6)選擇用戶k進行下行傳輸[9]。

(6)

這種調(diào)度策略雖然對整個系統(tǒng)的下行性能造成了一定的影響，但是允許無線鏈路條件相對較差的終端得到一定的下行資源，符合本文的要求。

3系統(tǒng)仿真與分析

根據(jù)上文介紹的系統(tǒng)模型，在試驗室的仿真平臺基礎上搭建符合本文的仿真平臺。在仿真的過程中記錄各時間各個RB的CQI，分析其與終端移動速度以及設置CQI反饋時延之間的相互影響。仿真的配置參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)參數(shù)配置

根據(jù)表1的配置，首先得到在WINNER II C2和C3場景不同情況下，網(wǎng)絡端獲得的CQI的標準差和延遲的CQI與理想的CQI的均方根誤差(root mean square error,RMSE)(以0 ms時延為基準)，如圖3所示。

圖3　C2和C3場景下的CQI標準差

CQI的實質(zhì)是離散化的SINR，CQI的標準差表示無線信道的波動程度。從圖3中可以看到：在相同的CQI反饋時延下，終端速度越大，無線信道波動越嚴重；在相同的終端速度情況下，CQI反饋時延越大，無線信道的波動越嚴重。此外，在通信場景惡劣時，無線信道的波動會更嚴重。為了進一步分析，計算得到各個情況下的延遲CQI與理想CQI的均方根誤差(以0 ms時延的仿真記錄為理想CQI)，如圖4所示。

仿真結果表明，在相同的終端速度下，隨著時延的增大，反饋CQI與理想CQI之間的誤差越大；在相同的時延下，隨著終端的速度增加，反饋CQI和理想CQI之間的誤差越大。大的CQI誤差很可能導致網(wǎng)絡端選擇的調(diào)制編碼方案(modulation code scheme,MCS)和實際應采用的方案不一致，降低系統(tǒng)性能。

圖4　C2、C3場景下的CQI均方根誤差

仿真得到的C2和C3場景下系統(tǒng)的吞吐率結果如圖5所示。

圖5　C2 、C3場景下系統(tǒng)的下行吞吐率

從圖5可以直觀地看出終端速度和CQI時延對系統(tǒng)吞吐率的影響。在同樣的終端速度情況下，系統(tǒng)的吞吐率隨著CQI時延的增大而降低；在同樣的CQI時延下，系統(tǒng)的吞吐率隨著終端速度的增加而降低。在惡劣的信道環(huán)境下(C3場景)，系統(tǒng)的吞吐率會隨著CQI時延的增加而更加快速地降低。

4結束語

本文通過在WINNER II信道模型C2和C3場景中，就終端速度和CQI反饋時延對LTE/LTE-A系統(tǒng)下行調(diào)度的影響進行了仿真分析，得出LTE/LTE-A系統(tǒng)中AMC系統(tǒng)的效率隨著終端速度和CQI反饋時延的增大而降低的結論。現(xiàn)在實際的LTE/LTE-A系統(tǒng)仍然使用延遲的CQI作為下行調(diào)度的依據(jù)，其原因是在實際使用環(huán)境中，由于小區(qū)終端多處于隨機狀態(tài)，大多數(shù)情況下不會出現(xiàn)本文仿真中終端狀態(tài)高度一致

的現(xiàn)象，所以系統(tǒng)的性能不會受到很大的影響。但是在如高速鐵路以及城市高速公路等極端場景下，系統(tǒng)性能以及用戶體驗都會受到較大影響。下一步，將對這些場景下依據(jù)CQI的下行調(diào)度算法作進一步研究，以提高終端速度和大CQI反饋時延下的LTE/LTE-A系統(tǒng)性能。

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Influence of UE Speed and CQI Delay on Efficiency of LTE/LTE-A System

Abstract：Aiming at the complex time-varying characteristics of wireless channel, the adaptive modulation and coding (AMC) technology is adopted for scheduling downlink resource to improve the reliability and performance of LTE/LTE-A system.The key of AMC technology is using real time channel quality indicator (CQI), the feedback from user terminal, to conduct downlink scheduling; but at present, in most of the existing LTE/LTE-A systems, the CQI delay is ignored to simplify the design of system.Thus the model of LTE/LTE-A system is established and combined with WINNER II channel model for simulated analyzing the influence of user equipment (UE) and speed of CQI delay velouty on LTE/LTE-A system.The results show that the efficiency of LTE/LTE-A system is decreasing along with the increasing of the UE speed and CQI delay, and the impaction of UE speed and CQI delay on LTE/LTE system may be more serious under bad channel environment.

Keywords:AdaptiveModulationCodingChannel qualityChannel modelWireless mobile communicationHigh speed road networkRealibility

中圖分類號：TH86;TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606005

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2011ZX03001-002);

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2012ZX03001009-004);

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2012ZX03001024)。

修改稿收到日期：2015-10-28。

第一作者陳發(fā)堂(1965-)，男，1999年畢業(yè)于北京郵電大學應用數(shù)學專業(yè)，獲碩士學位，教授；主要從事TD-LTE物理層協(xié)議方向的研究。