UE速度和CQI时延对LTE/LTE-A系统效率的影响

陈发堂　高　奇

(重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室，四川 重庆　400065)

UE速度和CQI时延对LTE/LTE-A系统效率的影响

陈发堂高奇

(重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室，四川 重庆400065)

摘要：针对无线信道复杂的时变特性，采用自适应调制编码(AMC)技术进行下行资源的调度，以提高LTE/LTE-A系统的可靠性和系统性能。AMC技术的关键是网络端使用终端反馈的实时信道质量指示(CQI)进行下行调度，但现有LTE/LTE-A系统中，为了简化系统设计，大多并未考虑CQI时延带来的影响。因此，建立LTE/LTE-A系统模型，并结合WINNER II信道模型，对不同信道环境下CQI时延和用户设备(UE)速度对LTE/LTE-A系统的影响进行仿真分析。分析结果表明，LTE/LTE-A系统的效率随着终端速度和CQI时延的增加而降低，并且在恶劣的信道环境下，终端速度和CQI时延对LTE/LTE-A系统效率的影响更严重。

关键词：自适应调制编码信道质量信道模型无线移动通信高速路网可靠性

0引言

无线移动通信的一个重要特征就是瞬时信道条件具有快速而显著的波动。在一个小区内，各条无线链路上所经历的信道质量存在快速且一定程度的随机波动，这种波动对于系统的频谱效率和通信的可靠性都会产生不可忽略的影响[1]。对此，LTE与LTE-A系统均采用了自适应调制编码(adaptive modulation and coding,AMC)技术进行下行资源调度。AMC技术根据无线信道在时间、频率和空间上的变化，自适应地调整传输参数，在维持不同业务服务质量(quality of service,QoS)需求的同时，有效地提升了无线通信系统的平均频带利用率和传输效率，并提高了系统容量和可靠性[2]。

1LTE/LTE-A系统中的AMC技术

AMC技术根据无线信道的质量调节调制方式与信道编码速率来实现[3]。

LTE/LTE-A中AMC技术原理框图如图1所示。

图1　AMC技术原理框图

当无线信道质量较好时，接收机具有较高的信噪比，此时限制LTE/LTE-A系统数据速率的主要因素为无线链路的带宽，系统采用高阶的调制等级(如64QAM和16QAM)与较高的编码速率。类似地，当无线信道的质量较差时，系统适用QPSK等低阶的调制等级和较低的编码速率[4]。这样，既保证了系统的资源得到有效利用，提高了吞吐量，又保证了整个系统的可靠性。

AMC技术的关键是要获得用户设备(user eqipment,UE)实时的CQI反馈，而大多实际使用的LTE/LTE-A系统中并没有考虑CQI的时延,这就导致在t时刻，网络端进行下行调度决策的时候使用的是(t-τ)时刻的CQI。

2系统模型

根据图1所示的AMC技术原理框图，建立分析实际CQI反馈对LTE/LTE-A系统性能影响的系统模型。该模型包括无线信道功能模块、终端功能模块以及网络端功能模块。

2.1无线信道功能模块

LTE/LTE-A系统采用的频段多在2 GHz附近，并且单载波的带宽最大达到了20 MHz，通过载波聚合技术更能达到100 MHz的惊人带宽。在这种情况下，无线通信环境更加复杂，且不同的场景对通信影响也有很大的差别，因此3G 时代的信道模型(如SCM信道模型)由于最大支持带宽的限制以及场景选择的匮乏等原因，已不再适用于LTE/LTE-A系统的仿真。本文选择了WINNER II 无线信道模型。WINNER II信道模型能够支持2～6 GHz的载频和100 MHz的系统带宽，并且将通信场景细分为17种传播场景[4]。WINNER II 信道模型是一个基于几何的参数化信道模型，其信道参数都是WINNER 组织根据实际信道的大量测量统计得到的。这些信道参数包括时延扩展、角度扩展、阴影衰落等大尺度参数和时延、到达角/离开角(AOA/AOD)、簇功率等小尺度参数。WINNER II 信道模型的不同场景可以采用相同的方法建模，只是各个参数的设置不同，这为无线通信系统的仿真提供了很大的便利[4]。

根据仿真系统的要求，采用WINNER II信道模型中的C2场景(典型城市宏蜂窝场景)和C3场景(恶劣城市宏蜂窝场景)进行系统仿真，其主要信道参数见文献[4]。

需要注意的是，C2和C3场景在NLOS(无视距径)情况下采用的路损模型参数相同，如式(1)所示；但是C2场景的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终端功能模块

终端模块主要进行下行链路质量的测量，将得到的各子载波信干噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio,SINR)根据相应策略映射为CQI，并反馈给终端。为了尽可能地提高系统吞吐率，LTE/LTE-A高层要求信噪比(signaltonoiseratio,SNR)到CQI的映射必须保证系统误块率不超过0.1[1-6]。

LTE/LTE-A系统终端进行下行信道质量测量的过程如图2所示。

图2　下行信道质量测量流程图

式(3)和式(4)分别给出了网络端进行调制编码方式选择的策略以及相应系统吞吐量的期望值。

(3)

(4)

须进一步说明的是，终端在测量下行信道生成过程中需要进行有效信噪比映射，即将终端测量得到的SNR映射为单态信道的SNR。现在比较流行的有效信噪比映射算法有：互信息有效信噪比(mutualinformationeffectiveSNRmapping,MIESM)映射和指数有效信噪比(emponentialeffectiveSNRmapping,EESM)映射[7]。

大量的文献研究证明：MI-ESM算法整体性能要略优于EESM算法，但是带来了很大的时间复杂度。本文选择了EESM算法，以减小系统的复杂度。其采用的信息测度函数为：

(5)

SISO信道下的SNR-BLER曲线是由大量的系统仿真得出的，并应用于实际的LTE/LTE-A系统中。

2.3网络端功能模块

网络端模块的功能主要为下行调度策略的选择。网络端根据各个终端上报的CQI及相关策略，决定各个终端的下行数据发送使用的物理资源块以及传输格式[8]。本文采用的下行调度策略为比例公平调度算法。比例公平调度算法在每个时间间隔内，基于式(6)选择用户k进行下行传输[9]。

(6)

这种调度策略虽然对整个系统的下行性能造成了一定的影响，但是允许无线链路条件相对较差的终端得到一定的下行资源，符合本文的要求。

3系统仿真与分析

根据上文介绍的系统模型，在试验室的仿真平台基础上搭建符合本文的仿真平台。在仿真的过程中记录各时间各个RB的CQI，分析其与终端移动速度以及设置CQI反馈时延之间的相互影响。仿真的配置参数如表1所示。

表1　系统参数配置

根据表1的配置，首先得到在WINNER II C2和C3场景不同情况下，网络端获得的CQI的标准差和延迟的CQI与理想的CQI的均方根误差(root mean square error,RMSE)(以0 ms时延为基准)，如图3所示。

图3　C2和C3场景下的CQI标准差

CQI的实质是离散化的SINR，CQI的标准差表示无线信道的波动程度。从图3中可以看到：在相同的CQI反馈时延下，终端速度越大，无线信道波动越严重；在相同的终端速度情况下，CQI反馈时延越大，无线信道的波动越严重。此外，在通信场景恶劣时，无线信道的波动会更严重。为了进一步分析，计算得到各个情况下的延迟CQI与理想CQI的均方根误差(以0 ms时延的仿真记录为理想CQI)，如图4所示。

仿真结果表明，在相同的终端速度下，随着时延的增大，反馈CQI与理想CQI之间的误差越大；在相同的时延下，随着终端的速度增加，反馈CQI和理想CQI之间的误差越大。大的CQI误差很可能导致网络端选择的调制编码方案(modulation code scheme,MCS)和实际应采用的方案不一致，降低系统性能。

图4　C2、C3场景下的CQI均方根误差

仿真得到的C2和C3场景下系统的吞吐率结果如图5所示。

图5　C2 、C3场景下系统的下行吞吐率

从图5可以直观地看出终端速度和CQI时延对系统吞吐率的影响。在同样的终端速度情况下，系统的吞吐率随着CQI时延的增大而降低；在同样的CQI时延下，系统的吞吐率随着终端速度的增加而降低。在恶劣的信道环境下(C3场景)，系统的吞吐率会随着CQI时延的增加而更加快速地降低。

4结束语

本文通过在WINNER II信道模型C2和C3场景中，就终端速度和CQI反馈时延对LTE/LTE-A系统下行调度的影响进行了仿真分析，得出LTE/LTE-A系统中AMC系统的效率随着终端速度和CQI反馈时延的增大而降低的结论。现在实际的LTE/LTE-A系统仍然使用延迟的CQI作为下行调度的依据，其原因是在实际使用环境中，由于小区终端多处于随机状态，大多数情况下不会出现本文仿真中终端状态高度一致

的现象，所以系统的性能不会受到很大的影响。但是在如高速铁路以及城市高速公路等极端场景下，系统性能以及用户体验都会受到较大影响。下一步，将对这些场景下依据CQI的下行调度算法作进一步研究，以提高终端速度和大CQI反馈时延下的LTE/LTE-A系统性能。

参考文献

[1] DAHLMAN E, PARKVALL S.SKOLD J.4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband [M]sweden:Elsevier,2012:82-101.

[2] NANDA S, BALACHANDRAN K, KUMAR S.Adaptation Techniques in Wireless Packet Data Services [J].IEEE Comm.Mag, 2000,38(1):54-64.

[3] CHOI J, HA J.On the Energy Efficiency of AMC and HARQ-IR

With QoS Constraints[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2013, 62(7):3261-3270.

[5] 陶根林,陈发堂.LTE系统中自适应调制编码技术的研究[J].现代电信科技,2010,26(9):41-44.

[6] 葛跃田.自适应调制编码技术及其在移动通信中的应用[J].现代电子技术, 2004, 169(2):34-36.

[7] 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.

[8] XU J, LEE S J, KANG W S, et al.Adaptive resource allocation for MIMO-OFDM based wireless multicast systems [J].Broadcasting, IEEE Transactions on, 2010, 56(1): 98-102.

[9] 陈磊,卢军,印翀.LTE基于Qos业务的比例公平调度算法研究[J].光通信研究,2012(5):64-67.

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

中图分类号：TH86;TP27

文献标志码：A

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

国家科技重大专项基金资助项目(编号：2011ZX03001-002);

国家科技重大专项基金资助项目(编号：2012ZX03001009-004);

国家科技重大专项基金资助项目(编号：2012ZX03001024)。

修改稿收到日期：2015-10-28。

第一作者陈发堂(1965-)，男，1999年毕业于北京邮电大学应用数学专业，获硕士学位，教授；主要从事TD-LTE物理层协议方向的研究。