基于TD-LTE系统的新型SNR和CQI映射方案

陈发堂,游 杰,楚 杨

(重庆邮电大学 重庆市移动通信技术重点实验,重庆 400065)

1 引 言

长期演进(LTE)是3GPP提出的具有高速数据业务的宽带通信系统,在20 MHz带宽下必须满足300 Mbit/s的下行峰值速率和150 Mbit/s的上行峰值速率。为了满足其目标需求,LTE上行链路采用单载波频分多址技术(SC-FDMA),下行链路采用了正交频分复用(OFDM)接入技术在内的一些关键技术[1]。

链路自适应技术能够改善频谱利用率,调整传输数据的调制编码方式和编码速率,补偿由于信道变化对接收信号造成的影响。在LTE系统中,如何反馈当前的信道质量给网络端是链路自适应的关键技术所在。这些技术都需要用户根据当前接收到的信号来获得信噪比(SNR),然后根据一定的规律将SNR映射成信道质量指示(CQI),反馈给网络端。其中UE只有通过PUSCH或者PUCCH上承载CQI的几个比特上报给网络端,所以如何将当前的信道环境质量转化为CQI是非常重要的。

本文采用了互信息有效SINR映射(MI-ESM)算法来测量SNR,并且合并TD-SCDMA的CQI计算和映射的思想,提出了一种新的CQI序号和SNR的区域映射关系,解决了不同的编码速率和调制方式形成的CQI组合较多的情况。通过大量的仿真得到吞吐量曲线,表明该方案不仅满足性能要求而且使得DSP实现非常的简单,极大地节省了工作量。

2 LTE系统链路自适应框架

LTE链路自适应过程如图1所示,下行发送的数据经过添加循环冗余校验(CRC)、信道编码、速率匹配、加扰、调制、资源映射、基带信号生成等过程[2]。在接收端,要经过发送端的所有逆过程。而链路自适应调制编码方案则是在信道估计之后计算SNR、映射CQI、选择MCS然后再反馈给网络端的过程[3-4]。

图1 链路自适应框架Fig.1 LTE adaptive system model

其中链路信道模型的时域满足:

式中,L是多径数目,τl代表第l条路径的延时,hl代表第l条路径的衰减,Pl代表第l条路径的功率,必须满足本文采用两种信道进行仿真,AWGN用来仿真CQI和误块率(BLER)之间的映射关系,EPA用来求实际上求得的SNR。其中EPA信道模型的信道环境参数[5]见表1。

表1 LTE系统中EPA信道环境参数Table 1 EPA channel parameters in LTE systems

3 SNR映射方法

在OFDM系统中,由于频率选择性的影响,各子载波上的衰落经过都不同,致使两条具有同样信噪比的链路也可能产生不同的误块率。在多载波移动通信系统中主要有两种链路级和系统级映射方法[6,7]:指数有效SNR映射(EESM)和互信息有效SNR映射(MI-ESM)。这两种算法建立一个从多状态信道到等效单状态信道的映射函数,并使该映射函数只依赖于编码调制方式,而与信道类型无关。这两种方法的主要差别就是使用的信息测度函数不一样。

3.1 EESM方法

EESM方法的主要优点是可以提供精确的即时BLER估计,而且该方法与信道类型无关。基本思想是把即时信道状态映射为一个有效的SNR,通过这个标量值从AWGN性能曲线上得到该信道状态的BLER。文献[7]使用压缩函数 I(x)也叫信息测度函数来反映SNR。I-1(x)是I(x)的反函数,其表达式为

这样通过式(2)和式(3)得到SNR的映射函数:

式中,M为用户分得的子载波个数,γi为每个子载波上的SNR。为了满足式(4),每一种MCS都有一个对应的尺度因子 β,用于性能曲线与估计性能曲线不匹配时的调节。β是一个渐进优化过程,其目标是使多态信道下的性能曲线都可以逼近AWGN信道的性能曲线。依据“最小适配准则”优化 β值,其公式如下:

在EESM方法中,一个UE所有的子载波都使用相同的 β值,使得每个子载波使用相同的调制和编码方式,这样就限制了自适应调试编码方式的使用,在某种程度上EESM会影响其性能。

3.2 MI-ESM映射方法

和EESM相比,当使用MI-ESM的时候,自适应调制和编码的性能会更容易得到体现,因为这种映射方法不要求每一个用户的所有子载波都使用相同的调制和编码方式,公式如下:

式中,mp是每个调制符号的比特数,X是数据符号的集合,Y是零均值单位方差复高斯变量,β是只和调制编码方式有关的自由参数。因为 β只和MCS有关,而MCS和SNR又对应着CQI,所以我们根据系统链路级仿真,可以得出β和CQI是对应的,其对应关系如表2所示。

表2 β和CQI的关系Table 2 The relationship between β and CQI

对比EESM算法,每一种调制方式X下的互信息量I(x)都需要预先实现并存储在一个表格里面,然后再通过系统查表来完成SNR映射的操作,这样就会加快仿真的速度。而且在使用MI-ESM的时候,自适应调制和编码的性能能够得到更好的体现,因为这种映射方法不要求一个用户的所有子载波都使用相同的调制编码方式,这样我们就有更大的自由度和时间去设计自适应多载波资源的分配。根据这些优点本文在系统仿真中采用的是MI-ESM方法。

4 SNR到CQI的映射方法

在SNR到CQI映射的过程中,首先介绍了一种传统的映射方法,然后提出了一种新的SNR到CQI的映射关系。按照协议的要求,我们上报给网络端的调制编码方式必须满足BLER≤10%。

4.1 传统的映射方法

文献[8]提出了一种SNR到CQI的直接映射关系,这种映射关系的环境是在AWGN环境下固定BLER=0.1的情况下,通过系统仿真曲线来确定SNR和CQI的线性对应关系。其表达式如下:

式中,VSINRi代表第 i个SNR的值,VCQIi表示的是第i个CQI的值。而其中使用的编码块是PDSCH的传输块大小(ITBS)。这种方法虽然简单,存储方便,但是在ITBS很小的时候,SNR基本不随ITBS的变化而变化;而当ITBS很大的时候,SNR和ITBS的变化不成线性关系,这样会导致上报时选择不能够负荷ITBS,导致吞吐量下降。所以下面介绍一种改进的映射方法。

4.2 新型的映射方法

结合区域拟合可以优化DSP存储的思想,本文提出了一种新型的映射方法。

(1)计算每一个ITBS对应的物理资源块的编码速率,其中编码速率=(数据块大小+CRC冗余比特)/PDSCH分配的物理资源比特数,而编码效率=编码速率×调制编码方式,CRC固定比特数位24。

(2)计算每一个ITBS所对应的物理资源块的平均编码速率。

(3)通过大量的仿真得出CQI和 ITBS之间的关系,如表3所示。其中仿真包括改变数据块大小、改变调制编码方式、改变信道环境等来得出其关系。

(4)对下行共享信道PDSCH的不同数据块在AWGN信道环境下进行系统级仿真,其仿真结果如图2所示。

表3 CQI和 ITBS的关系Table 3 The relationship between CQI and ITBS

图2 误块率和SNR曲线Fig.2 The curve of BLER and SNR

(5)采用近似直线拟合方式进行拟合。根据步骤3,拟合SNR和CQI之间的关系,在这里我们把SNR划分为3个不同的区域,而在这3个区域之中,SNR和CQI都拟合成线性的关系,其CQI和SNR的线性表达式如下:

TMS320C64x系列在TMS320C6000 DSP芯片中处于领先水平,它不但提高了时钟频率,而且在体系结构上采用了VelociTI甚长指令集(Very Long Instruction Word,VLIW)结构[9]。本文在TMS320C64x DSP芯片中进行实现。在DSP软件实现中,通过指令并行执行,尽量优化程序循环体,减少或消除程序中的“NOP”指令,通过在CCS3.3上仿真运行程序,此时TMS320C64x芯片的主频一般为1 GHz,即在1 ms内可以完成1.0×106cycle,一个指令周期耗时为1 ns左右,在理想信道情况下,新型的映射算法在整个实现过程耗时8 496个指令周期,而且这种映射方法在DSP中所占有的内存非常少。

通过这种映射关系,我们在实现中不仅易于存储和实现,而且适用于不同的信道环境、调制编码方式、数据块大小等,对比传统的方法有更好的自适应性能。

5 MATLAB仿真

本文采用MATLAB 7.0对TD-LTE下行链路进行系统级仿真,映射方法则采用MI-ESM算法,经过系统框架中的所有流程处理,无线信道为高斯信道。分别对不同的调制方式、SINR、BLER和频谱利用率进行了仿真。仿真采用统一的条件和参数,如表4所示。

表4 仿真条件和参数Table 4 Simulation condition and parameters

我们用15种调制编码方式和15传输块大小来对应15种CQI的序号,由仿真知,随着SNR的增加,CQI序号也增加。从这里我们可以看出,信道质量越好CQI序号就越大,由此所对应的调制编码方式的阶数也就越高,传输块就越大。根据3GPP提出的要求即CQI的取值必须满足误块率小于等于10%的情况下才能选取,本文取误块率等于10%的条件下取CQI。然后根据本文4.2节提出来的改进映射方法来映射出CQI和SNR之间的关系,对比传统的CQI和SNR映射关系,改进方法具有良好的自适应能力,而且从图3中可以看到不同的CQI所对应的吞吐量曲线都能够满足协议上规定的要求。

图3 吞吐量和SNR曲线Fig.3 The curve of throughput and SNR

通过以上分析可知,改进的映射方法不仅可以有效地解决不同调制编码方式和编码速率形成的CQI组合情况较多的情况,而且易于存储,因此非常适合TD-LTE系统的要求,可以应用于该系统的实现。

6 结束语

针对TD-LTE系统中的高效实时性要求和复杂的CQI上报过程,本文介绍了两种常用的SNR映射方法,在理论和实际过程中都能够应用到。同时本文提出了一种基于TD-LTE系统的新型CQI和SNR映射关系,并且用TMS320C64x DSP芯片进行cycle的计算。这种映射关系可以很好地反应出当前的信道质量,而且适用于各种系统仿真参数的变化,在DSP实现中易于存储和实现。从仿真图可以看出新的映射方法在性能吞吐量方面得到了完美的体现,具有实际的应用价值,值得推广使用。

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