TD-LTE系统中一种AMC方案的研究*

陈发堂,徐炽云

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065）

作为3G的长期演进，LTE系统采用将OFDM与多天线技术(MIMO)相结合的方案，在20 MHz带宽下能够达到上行50 Mb/s,下行100 Mb/s的数据传输速率，改善了小区边缘用户的性能，达到了提高小区容量和降低系统延迟的目标[1]。在无线通信系统中，为保证通信的有效性和可靠性同时能满足系统要求，有限频谱资源以及开放的无线传播环境导致干扰成为无线通信系统考虑的首要元素之一，自适应调制编码技术(AMC)根据信道环境质量适当地调节传输的调制编码方式，使得系统适应信道环境变化，即在保证可靠性的同时，吞吐量达到最大[2]。

LTE系统中自适应调制编码技术能够在保证可靠性的前提下提高系统频谱利用率和系统容量，尽量避免开放的信道环境对接收信号的影响。接收端采用怎样的方案将当前信道质量反馈给发送端是LTE-AMC系统的研究热点。这些AMC大多都是在接收端计算信道质量，并得出保证BLER达到系统要求的最大MCS，然后以CQI的形式反馈给发送端，发送端将其作为下次传输的调制编码方式的参考。在AMC技术中存在CQI计算复杂度较高和传输延时的问题，而且AMC技术本身对信道变化较为敏感。当SNR随着时间变化较快而导致BLER较高时，这会导致AMC性能有很大程度的下降，进而影响系统性能。

针对这种情况，本文介绍了一种在使用相同RB对数下选择最低CQI等级的AMC方案，使LTE-AMC系统适应了信道SNR随时间变化较快的情况。理论和仿真分析结果表明，该方案降低了传输时延带来的影响,提高了系统吞吐量。

1 LTE系统AMC概述

1.1 LTE系统中AMC结构

LTE系统中AMC结构如图1，发送端发送的数据经过加扰码、信道编码、调制、层映射、预编码、资源映射以及IFFT产生OFDM符号[3]之后经过中频、射频、发射出去。接收端经过发送端的逆过程，即对于某个资源块(可以称为自适应块)的数据，根据上次SNR估计和信道估计得出对应的MCS，进行相应的解调、译码，恢复原始信号。链路自适应通过估算系统下行链路的信道质量，将其映射成CQI并反馈给发送端，建议发送端将其作为下次传输的调制编码方式。要选择不同的自适应调制方式，对系统性能的影响有至关重要的作用。

图1 LTE-AMC框架

1.2 LTE-AMC实现过程

AMC实现的过程是：接收端先获得链路级信噪比，通过建立的SNR与MCS的映射关系，得出MCS，然后以CQI的形式反馈给发送端[4]。SNR与MCS的映射理论依据是在满足规定的系统误块率(一般BLER≤0.1)要求下，选择使链路吞吐量最大的MCS，公式如下：

式中，x表示目标BLER，M表示LTE系统中MCS集合，Ri表示第i个MCS的数据传输率，Fi(η)表示当SINR为η时，第i个MCS的BLER，表示期望获得的最大吞吐量。η是系统级到映射再到链路链级的有效信噪比,是选择的MCS。

2 本文提出的MCS方案

2.1 理论依据

在LTE-AMC技术中，发送端根据接收端反馈的CQI调节下次传输的调制编码方式，其中CQ是无线信道质量指示，当SNR较大时，CQI等级也较高，对应较高的调制编码方式，即对应更高的码率和效率。此时，传输相同负荷所用的资源块(RB)对数越少。同时，BLER越高，系统丢包率增加，因此选择的调制编码方式要兼顾RB和BLER。传统的AMC技术是接收端根据不同CQI等级对应的SNR-BLER曲线,找出BLER=0.1得出最大CQ反馈给发送端，即计算的一定范围的SNR对应一个CQI等级。在实际资源调度时，传输资源块RB对数是一个向上取整值，所以对应于相同业务帧长度时，相邻若干个CQI可能对应于同一个RB对数。因此本方案采用在相同资源RB对数情况下，使用最低的CQI,以抵抗SNR随时间变化较快的情况。

2.2 方案实现步骤

(1)接收端测量信道质量SNR

信噪比估计对于AMC至关重要，决定着AMC的性能。LTE系统中有对接收端已知的参考信号RS，可以利用子载波的参考信号RS进行SNR估计。接收的参考信号可以表示为：

其中xl,k、hl,k、wl,k分别代表第l个OFDM符号、第k个子载波上的发送符号、信道响应值复加性高斯白噪声。系统的信噪比可以表示为：

(2)确定SNR对应的CQI等级

在LTE-AMC中，为了计算CQI，需要得出链路层的BLER-SNR性能曲线，而该性能曲线假定是在信道频率平坦情况下产生的，而实际信道由于多径效应，使得各个子载波经过具有相同信噪比的链路，其产生的误块率却不同。因此需要一个有效的信噪比能将系统级SINR精确映射到链路级SNR上，进而确定BLER[5-6]。参考文献[5-6]介绍了两种常见的有效信噪比映射，指数有效信噪比映射EESM和互信息信噪比映射MI-ESM，EESM要求每个PRB使用相同的MCS，限制了系统的性能。本文使用互信息有效信噪比映射SNReff。在AWGN信道环境下，通过大量链路仿真，得出BLER-SNR-CQI的关系(如图2)[7]，通过计算出的SNReff对照图2，找到令BLER=0.1的最大CQI，即CQI0。

图2 AWGN信道下BLER和SNR曲线

(3)求CQI0对应的RB对数RB0

由协议可知系统资源RB对数和业务帧长度L、CQI存在函数关系RB对数=f(L,CQI)∶

当L已知，将CQI0带入式(5)即可获得CQI0对应的RB等级RB0。

(4)获得最低CQI等级

由式(5)可知，对于一定系统传输资源RB对数，可能对应几个相邻的CQI等级。因此，对应特定帧长度，计算相同RB对数下最低CQI等级步骤为：将步骤(2)获得的CQI0减1得到CQI1，并将L和CQI1代入式(5)得到对应的RB对数RB1。比较RB1和RB0，如果不相等，则RB0对应的CQI0为最低CQI等级。否则，将CQI1继续减1计算RB对数，直到RBn-1不等于RB0，则将RBn-1对应的CQIn-1作为最低CQI等级。

(5)确定MCS

LTE系统定义了16种CQI组合方式，由CQI序号表示，各个CQI序号所代表的调制编码方式MCS如表1[8]所示。

表1 LTE系统中ETU(Extended Typical Urban model)传播环境参数

3 仿真及结果

3.1 仿真条件

本文采用MATLBA 7.0对LTE系统下行链路进行仿真，该仿真基于与LTE协议相符的链路级平台。为了便于分析，本文在有反馈时延的情景下进行，并在信道模型BLER变化较大时的ETU 70 Hz(如表1)条件下进行仿真，基本仿真参数如表2所示。

表2 基本仿真参数

3.2 仿真结果与性能分析

为了便于比较本文采用传统的两种固定的MCS;64QAM调制、3/4编码速率(称为MCS1)和QPSK调制、1/4编码速率(成为MCS2)。并采用两种AMC，一种是传统的利用链路层的BLER-SNR性能曲线曲线，找到BLER=0.1的最大MCS(称为AMC1)；另一种是本文提出的在同RB对数下选择最低CQI等级的AMC方案(称为AMC2)。

从图3和图4是以MCS1和MCS2为例，在3.1节所述信道环境下的仿真结果。AMC1和AMC2都比固定的MCS1和MCS2吞吐量有明显的提升。使用AMC1和AMC2在一定程度上比固定的MCS1和MCS2系统吞吐量有所增加。当SNR较低时，AMC1的性能很差，几乎还不如MCS2的性能,这是由于在当前信道环境下，SNR随时间变化导致BLER变化较快，同时系统分组传输的时候存在时延，从而导致丢包率增加，此时即使使用自适应调制编码方式AMC1，也不能适应BLER的快速变化，致使系统的吞吐量下降。而AMC2利用一定的RB资源下最低的MCS适应了BLER变化较大的情况，吞吐量则可以得到很好的提高，在SNR只有5 dB时，使用AMC2的吞吐量比使用MCS2提高了1.5 bit/symbol，却比AMC1提高了8.5 bit/symbol。

图3 AMC1、AMC2、MCS2吞吐量比较

图4 AMC1、AMC2、MCS1吞吐量比较

本文提出了一种可靠性好的AMC方案，该方案通过相同资源对数下选择最小的CQI，使得分组交换中各分组可承受的SNR变化范围增大，避免了当前AMC技术在系统SNR变化较快而性能下降的情况。通过仿真分析可知，当SNR变化较大时，该方案方比现有的AMC技术的系统吞吐量大大提高了。

[1]沈嘉.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[2]SCHWARZ S,MEHLFHRER C,RUPP M.Calculation of the spatial preprocessing and link adaption feedback for 3GPP UMTS/LTE.IEEE Wireless Advanced 2010.London,UK.June 2010.

[3]3GPP TS 36.211 V9.1.0∶Physical Channels and Modulation.(Release 9)[S].2010.03.

[4]陈发堂，游杰，楚杨.基于TD-LTE系统的新型SNR和CQI映射方案[J].电讯技术，2011,51(8)∶1-5.

[5]张金宝，郑洪明，谈振辉.MIMO，MLD物理层抽象技术[J].通信学报，2009,30(11)∶1-7.

[6]汪海明，艾萨.图玛拉.多载波通信系统仿真中的EESM和MI-ESM方法[J].电讯技术，2006,46(1)∶26-30.

[7]3GPP TS 36.213 V9.1.0∶Physical layer procedures(Release 9)[S].2010.03.

[8]GOLDSMITH A J,VARAIYA P P.Capacity of fading channels with channel side information[J].IEEE Translation Information Therory,1997,43(6)∶1986-11992.