基于链路自适应的CQI优化研究

2015-04-13刘增钊汤春丽

移动通信 2015年21期

刘增钊，汤春丽

（广州杰赛科技股份有限公司，广东广州 510000）

1 引言

LTE网络作为3G演进网络，增强了无线移动通信的空口接入能力，以OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术等作为无线网络演进的重要技术。在20MHz频率带宽下，提供更高效的用户速率，极大地改善小区边缘的用户速率。

链路自适应是LTE 的重要技术之一，它提高了LTE系统数据传输的可靠性及有效性。LTE系统下行链路采用CQI（Channel Quality Indicator，信道质量指示）反馈机制，选取自适应调制编码方案，用于决定在调度周期内的传输块大小。由于不同厂家CQI上报范围及上报周期有差异，会对用户下行速率产生影响，因此本文通过选取LTE网络CQI指标进行验证，提出合理的CQI上报机制，从而使用户得到更加良好的速率感知。

2 LTE链路自适应技术

LTE链路自适应技术分为功率控制和速率控制。LTE功率控制是通过动态调整，维持接收端一定的信噪比，保证链路的传输质量，功率控制的目的是避免小区间用户干扰。速率控制是在保证功率控制恒定的情况下，通过调整链路传输的调制方式和编码速率，确保链路质量，速率控制的目的是充分利用所有功率资源。LTE链路自适应技术通过功率控制和速率控制结合，动态调整信道配置，最大化保证传输数据的高效性和可靠性。

LTE系统下行链路自适应包括添加CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码）、信道编码、速率匹配、物理层加扰、调制、资源映射、符号信号生成等过程。而接收端信号自适应过程为发送端的逆过程。链路自适应调制编码方案就是通过下行信道反馈信噪比、映射CQI、选择MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略），然后再反馈给网络端的过程。链路自适应框架如图1所示。

3 CQI定义及上报机制

LTE-CQI参数定义，CQI是无线网信道通信质量的衡量标准。CQI是根据下行信道有用信号与噪声的比值，动态调整系统的编码性能，使数据能够满足当前信道进行传输。当信道质量良好时，尽可能多的传输数据，提高用户下载速率。当信道质量较差时，以降低传输速率为代价，保证数据传输的可靠性。同时为了满足用户极速体验需求，LTE网络提供64QAM高阶调制方式，使用户获得更高的吞吐率。

3.1 CQI参数释义

LTE-CQI用以表示下行信道的质量，eNodeB根据CQI信息选择合适的调度算法和下行数据块大小，以保证UE在不同无线环境下都能获取最优的下行性能。UE根据测量下行参考信号的信噪比评估下行链路特性，并通过厂家核心算法确定当前信道条件下所能获取的BLER（Block Error Ratio，误码率）值，并根据BLER≤10%的限制，上报对应的CQI值，得出适合MCS，决定传输块的大小。SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比）与CQI映射关系如图2所示。

根据E-UTRA物理层的规定，UE上报的CQI index的范围为0—15，每个上报的CQI-index值对应不同的调制方式和编码效率，通过获取UE上报的CQI，可以对应调整每个数据流的调制方式使得数据速率与各信道的传输能力更好地匹配。LTE CQI各值与其对应的调制方式以及码率如表1所示：

表1 LTE CQI各值与其对应的调制方式以及码率

其中调制方式与调制阶数相关，表示一个符号中所携带的信息量。QPSK调制阶数为2，16QAM调制阶数为4，64QAM调制阶数为6。由此可见，调制阶数与符号携带信息的能力为正比关系。

图2 SINR与CQI映射关系

码率=传输块中信息比特数/物理信道总比特数=信息比特数/（物理信道总符号数×调制阶数）=效率/调制阶数。从公式可得出不同CQI索引决定了下行调制阶数与物理信道每个符号携带信息的差异。根据映射关系可得出，CQI值越大，所采用的调制编码方式越高，映射到物理层符号的信息越多，因此在调度时间内下行峰值吞吐率越高。

表2 LTE传输模式与CQI上报模式对应关系

3.2 CQI上报机制

LTE系统分周期性的CQI上报和非周期性上报两种模式，PUCCH信道通常承载周期性上报CQI信息，PUSCH信道承载非周期性上报CQI信息，如果UE发送周期性CQI的子帧，同时有数据发送，此时由PUSCH信道完成上报，与周期性上报格式相同。如果同时存在周期性和非周期上报，UE只上报非周期性CQI。

LTE-CQI上报分为3种方式：1）宽带CQI上报；2）用户选择子带CQI上报；3）高层配置子带CQI上报。同时，LTE中的CQI上报还与UE的传输模式有关。LTE定义了8种不同的传输模式，对应不同模式多天线技术。LTE传输模式与CQI上报模式对应关系如表2所示。

（1）周期性上报

对于CQI周期性上报，eNodeB可以通过参数Cqi-FormatIndicatorPeriodic，配置UE进行周期性的上报，包括CQI 的上报模式，所使用的PUCCH 资源以及上报周期信息。周期上报无高层配置的子带类型上报模式，对于PUCCH周期上报模式分为4种，如表3所示：

表3 PUCCH周期上报4种模式

（2）非周期性上报

对于CQI非周期性上报，当UE在下行子帧上接收到DCI format 0或者Random Access Response Grant（CQI request=1），反馈相应的CQI。

非周期CQI上报模式是由3种CQI上报类型和PMI上报类型组合而成，对于PUSCH非周期上报有5种模式，如表4所示：

表4 PUSCH周期上报5种模式

4 LTE网络CQI指标分析

LTE下行链路信道通过CQI反馈选择典型的调制方式及编码率。通常，一个高阶CQI值能反映出良好的下行链路质量，反之亦然。因此CQI从侧面反映LTE系统噪声干扰情况。根据表1可以看出，CQI≥10是采用64QAM调制的必要条件，CQI≥7是采用16QAM调制的必要条件。

4.1 厂家CQI定义

（1）爱立信CQI指标定义：小区CQI平均数＝（CQI0个数×0+CQI1个数×1…+CQI15个数×15）/CQI上报总个数；其中，CQI个数=pmRadioUeRepCqiD istr[i]+pmRadioUeRepCqiDistr2[i]，(i=0, 1, 2, …, 15)。

（2）华为CQI 指标定义：小区CQI 平均数=（CQI0个数×0+CQI1个数×1…+CQI15个数×15）/CQI上报总个数；若UE上报的Rank大于1，则分别统计两个码字的CQI指标。

爱立信与华为CQI指标定义的相同点：从上报机制来看，在全带宽上，两个厂家都是分16个段统计0到15的CQI上报数，且在RANK为2的时候，CQI皆上报同一值2次。

4.2 CQI指标分析

通过分析厂家CQI取值的范围，验证CQI上报与用户下行速率关系，指导LTE网络CQI指标的优化工作。

（1）CQI指标占比分布：CQI指标以厂家为统计对象，通过厂家定义的CQI平均数，统计CQI平均数大于10的小区占比情况，评估噪声干扰对LTE网络的影响。

爱立信小区CQI平均数＞10的小区占比为89.78%，华为小区CQI平均数＞10的小区占比为71.96%。爱立信平均CQI值高于华为。爱立信、华为CQI平均数分布如图3所示。

（2）CQI高阶占比：CQI≥10的采样点占比=小区CQI≥10的采样点数量/小区全部采样点数量，指标以小区为统计对象，统计小区上报不同CQI值的次数，衡量小区下行链路的整体质量情况。爱立信小区高阶CQI占80%到100%的比例为41.57%；华为小区高阶CQI占比80%到100%的比例为17.08%。爱立信、华为高阶CQI占比分布如图4所示。

由此可见，高阶CQI指标的占比越高，用户级下行吞吐率越高。爱立信在高阶占比80%以上分段，用户速率远高于华为区域，所以上报CQI取值对用户下行速率有直接影响。高阶CQI与用户级下行速率关系如图5所示：

图3 爱立信、华为CQI平均数分布

图4 爱立信、华为高阶CQI占比分布

图5 高阶CQI与用户级下行速率关系

（3）厂家上报周期间隔决定不同厂家CQI的采样点数量存在差异。上报周期间隔设置较长，虽然降低了下行交互的信令开销，同时也降低了下行信道估计的精度，带来用户下行速率的损失。反之，上报周期间隔设置较短，额外占用上行承载数据的资源，降低了系统上行链路的效率，因此需均衡考虑CQI的配置参数。从上报周期来看，爱立信周期性上报为80ms一次，非周期上报10ms一次，周期性上报可选，出厂默认为80ms；华为则为5ms～40ms的自适应上报，周期和非周期都一样。爱立信与华为采样点数量如图6所示：

图6 厂家CQI采集总数对比

4.3 CQI对LTE系统的影响

CQI 作用于LTE 系统下行链路资源分配，U E 根据每个信道的等效SINR值估算CQI，通过系统分配上行资源上报基站。基站根据适应当前信道的CQI上报机制来选取相应的宽带或者子带信息，获悉终端在选择频带上的干扰情况，实现频率选择性或者非选择性调度。基站根据CQI取值和系统带宽获取MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）和TBS（Transport Block Size，传输块）信息，从而直接影响下行吞吐率。

如果UE上报了较低的CQI取值，但是LTE系统却错误地发送了较大的传输块，则可能导致误码率抬升，从而U E 解码失败并发送NACK信息，系统会产生大量数据重传，增加系统负荷，影响网络资源利用率。如果网络无线环境较差，但UE却错误上报较高CQI取值，则系统根据上报CQI选择较大的传输块，而这也同样可能导致UE解码失败，导致系统资源利用率降低。因此基站应根据当前信道条件上报正确的CQI取值，通过MCS选择合适的TBS发送数据，达到最佳的用户速率体验感知。