TD－LTE系统中简单易行的AMC方案研究

陈发堂，孙 鹏，徐炽云

(重庆邮电大学移动通信协议研究所，重庆 400065)

LTE项目是3G的长期演进，它增强并改进了3G的空中接口技术，在物理层上采用正交频分复用，多输入多输出(MIMO)技术，以达到高数据目标和提高频率利用率［1］。无线移动通信系统中，无线信道存在多径衰落、阴影效应、噪声干扰以及多址接入等因素的影响，为了保证通信质量，需要增加反馈机制使发送端知道目前的信道质量，然后选择合适的调制编码方式。自适应调制编码技术(AMC)正是根据目前信道状态，可以自适应地调节传输数据的编码速率以及调制编码方式，由此获得最佳的吞吐量，以获取数据传输率和误码率的最佳平衡。

因此采用怎样的AMC方案对LTE的性能有至关重要的作用。目前TD－LTE系统的自适应编码技术，一般都是用户根据接收到的信号估计信噪比，然后根据目前信道环境和噪声环境下，使BLER不超过10%来选择最高的MCS，以CQI的形式反馈给eNodeB。这些方法都要通过大量的仿真得到SNR－BLER的仿真曲线，然后寻找一种SNR与CQI的映射关系，并浪费资源以CQI的形式反馈给eNodeB［2］，不仅复杂度高，还占用系统的资源，影响业务容量。当终端在位置相对固定、信道变化相对较慢的时候，AMC的劣势尤为明显。基于这种情况，本文提出了一种简单的AMC方案，其思想是eNodeB利用UE反馈的BLER直接调节系统传输的MCS，与传统的CQI上报方案相比，节省系统资源且简单易行。通过理论分析和仿真，该AMC方案可以大量地节省工作时间，为系统节省了资源，从而提高了系统的吞吐量。该方案已运用于TD－LTE射频一致性测试系统中。

1 LTE系统中AMC概述

LTE系统中AMC实现过程如图1所示。首先接收端根据信噪比的公式算出分配给自己的每个资源块的SNR，将所有资源块的SINR值带入计算，得到有效的SNR值。根据有效的SNR值到AWGN信道下的SNR－BLER曲线上与目标BLER比较，找出不超过目标BLER(一般设为0.1)所对应的MCS，再根据MCS与CQI的对应关系得到要反馈的CQI值，并将CQI反馈给eNodeB，eNodeB将其作为参考选择合适的调制编码方式发给UE。

1.1 有效信噪比映射

图1 LTE系统AMC实现过程

LTE系统中，由于频率选择性，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。但是链路层性能曲线是假定频率平坦信道且在给定的信噪比下产生的，因此，需要一个有效的信噪比，能将系统级(多个)SINR精确映射到链路层(单个)SNR上，从而确定BLER。这种映射就称为有效信噪比映射(ESM)［3－4］。有效信噪比的计算就是将接收到的SINR向量值压缩为一个有效的SINR标量值。最常用的是指数有效信噪比映射(EESM)、互信息有效信噪比映射(MIESM)，利用这两种方法建立一个从多态信道到单状态信道的映射函数［5］。其中，EESM方法中，信息测量函数I(x)中尺度因子β在每个子载波中相同，使得每个子载波使用相同的调制编码方式。MI－ESM的优点是SINR映射的准确性和通用性都很好，因此为最常用的一种映射方法，其公式为

式中:R是子载波的个数;I(x)是MI－ESM的信息测度函数;I－1(x)是I(x)的反函数。信息测度函数I(x)的表达式为

式中:Y为零均值、单位方差的高斯随机变量;为当i=b时的数据符号集合，b的取值为0或1;X为2m个数据符号的集合;m为MCS中每调制符号所含的比特个数。MIESM中β的值根据目前所用的CQI的值得到。

1.2 CQI的生成

在AWGN信道环境下，在20 MHz时，通过大量的链路级仿真，得到信噪比和误块率之间的关系，如图2所示。

根据上文中计算出的SNR，在图2中找到令BLER为

图2 AWGN下不同CQI的BLER与SNR之间的关系

0.1的最大CQI，这样既可以保证BLER满足要求，也能使吞吐量最大化。可以描述为［6］

式中:THn为图2中得出的各CQI对应的BLER为0.1时的SNR门限值。

2 本文提出的AMC方案

2.1 理论依据

在LTE－AMC系统中，在一定的发射功率下，为了优化系统的覆盖量和容量，发射机的数据发送率要能够匹配UE接收的信号质量，即在UE接收到信号质量好的情况下多发送数据，相反则少发送数据。根据这种原则，当信道变化较慢时，可以利用基站实时检测链路传输的误块率［7］，然后根据误块率通过一定的规则来调整下行传输使用的MCS，实现自适应调制编码方式。调整的规则是:如果误块率过大(一般取0.1)，则下调MCS，如果误块率过小(一般取0)，则上调MCS。当信道变化相对较慢的时候，这种方案不仅使整个传输过程中的误块率较低(处于可接受的范围)，又能为系统节省资源。尤其在系统的业务资源紧张时，可以更大程度地提高系统的业务容量。

2.2 方案步骤

整体步骤如图3所示。

1)基站实时地检测用户传来的BLER，在BLER统计长度内(一般取10个无线帧100 ms，下面所述的统计范围均指10个无线帧)，将用户反馈回来的BLER存在一个列表中，关于生成用户反馈的BLER列表，可以分为以下几个步骤:

图3 方案步骤

(1)首先，如果收到用户反馈的上一个无线帧的传输结果，则继续步骤(2)，否则把NULL(表示给无线帧没有传输数据或者收到的反馈不符合统计要求，不用与计算BLER值)插到表头，并执行步骤(4)。

(2)判断刚刚收到的反馈结果是否符合统计要求，如果符合，则执行步骤(3)，否则把NULL插到表头，并执行步骤(4)。

(3)把这些符合条件的反馈结果(ACK或NACK)放在列表的表头，继续执行步骤(4)。

(4)判断目前统计的表长度，如果大于BLER统计长度(10个子帧)，则把队尾方向多余的部分从列表中删除，同时执行下面的步骤2)，否则执行步骤(1)，继续循环。

2)根据基站记录的下行传输列表，计算下行链路的误块率。其中BLER值=(NACK数目)/(ACK数目+NACK数目)。

3)根据误块率来适当调整MCS。当BLER值不小于0.1(常选取的BLER高门限)，则将MCS下降一级;当BLER值小于0(常设置的BLER低门限)，则将MCS上升一级;否则，保持MCS不变。

3 仿真及结果

3.1 仿真条件

本文采用MATLAB 7.0，通过搭建仿真链路，对算法进行仿真。为了便于分析上述AMC方案，在慢变信道下进行，选择信道模型EPA(Extended Pedestrian A model)5 Hz下进行仿真(见表1)，基本参数如下:系统带宽为20 MHz，采用的几种MCS如表2所示，FFT大小为2 048，CP长度160，TTI长度1 ms，每个OFDM符号数为14，每个PRB子载波数取12，采样频率15.36 MHz，信道编码为Turbo编码。

表1 LTE系统中EPA传播环境参数

表2 LTE系统几种MCS

3.2 仿真结果与性能分析

对上述两种AMC方案进行仿真，令上文介绍的LTE系统中传统的自适应编码技术为AMC1，令本文介绍的自适应调制编码技术为AMC2，同时为了便于比较，本文还采用两种固定的MCS，分别为64QAM调制、3/4编码速率(称为MCS1)和QPSK调制、1/4编码速率(称为MCS2)。

图4和图5是上述几种调制编码方式的仿真结果。从图中可以看出，在该环境下，AMC1和AMC2都比固定的MCS1和MCS2吞吐量有很大的提高。同时随着SNR值的增大，AMC2比AMC1的吞吐量更大，在SNR值等于15 dB的时候，AMC2已经比 AMC1吞吐量增加了5 bit/symbol。实际上，从图4中可以看出，SNR达到一定值时，AMC1的吞吐量甚至没有 MCS1高，这是因为20 MHz宽带时，系统的业务量更大，资源比较紧缺，而AMC1中CQI计算的复杂度较高，而且CQI信息通过编码调制并资源映射到RE上浪费时频资源，AMC2正是利用发送端计算出BLER直接得出MCS，不占用系统资源，提高了系统容量，解决了资源紧张的情况，令吞吐量有明显的提升。

图4 AMC1，AMC2和MCS2吞吐量比较

4 结束语

图5 AMC1，AMC2和MCS1吞吐量比较

针对TD－LTE系统中现有的自适应调制编码技术需占用上行资源，进而使可提供的业务资源减少的情况，本文利用慢变信道特征，提出了一种在该信道环境下简单易行的AMC方案，并将其运用到TD－LTE系统中。该方案通过接收端计算信道BLER来自适应地调整MCS，与目前的AMC相比计算复杂度低且不占用额外的资源，在保证通信可靠性条件下，增加了系统的容量，从而增加了系统的吞吐量。仿真结果表明，当信道环境变换较慢时，该方案明显地提高了系统性能，尤其是在系统资源比较紧缺的时候，其优势更突出。

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［1］沈嘉，索士强，全海洋，等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电大学出版社，2008.

［2］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(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.

［4］WAN L，TSAI S，ALMGREN M.A fading－insensitve performance metric for a unified link quality model［C］//Proc.IEEE Wireless Communications&Networking Conference WCNC.［S.l.］:IEEE Press，2006:2110－2114.

［5］HE X，NIU K，HE Z，et al.Link layer abstraction in MIMO－OFDM system［C］//Proc.International Workshop on Cross Layer Design.［S.l.］:IEEE Press，2007:41－44.

［6］CHEN Fatang，TAO Genlin.A novel MCS selection criterion for supporting AMC in LTE system［C］//Proc.International Conference on Computer Application and System Modeling.Taiyuan:IEEE Press，2010:598－603.

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