多载波通信系统中CQI无损压缩法研究

付 翔



多载波通信系统中CQI无损压缩法研究

付 翔

本文采用自适应多载波调制节省带宽资源，基于反馈的信道状态信息调整子载波参数(比特和功率分配信息)。比较不同无损压缩反馈技术，重点研究OFDM和MIMO-OFDM系统中的信道时间相关性并设定门限误码率以降低反馈次数，量化反馈信息并用无损压缩算法(Huffman编码，游程编码和LZW编码)压缩反馈信息,仿真比较不同条件下的压缩算法的压缩性能，仿真结果表明Huffman编码的压缩性能最佳。

正交频分复用;多输入多输出;信道质量信息;比特分配;无损压缩

随着物理科学和材料科学的飞速发展，移动通信技术也得到了长足的发展。投入运营的第三代(3G)移动通信和第四代(4G)移动通信系统必须高效综合利用系统的空间、时间、频率和功率等资源，使系统具有更大的用户容量、更高的传输速率和可靠性。移动通信系统的最大技术瓶颈在于空中接口,为了多用户调度和自适应调制编码，发送端需在所有时间知道所有用户的信道质量。尤其在频率选择性信道下的OFDM[1](正交频分复用技术)系统中，反馈量与子载波数N成正比，这消耗了系统带宽并降低了系统吞吐量。信道的比特和功率信息均为N的整数倍。MIMO技术充分利用空间资源，多个天线多发多收，不需增加频谱资源和天线发送功率的情况下，提高信道容量[2-6]。两者结合的自适应OFDM和MIMO-OFDM系统中，有效反馈CQI和信令传输信息至关重要。

近年来，有限反馈技术受到广泛关注。CQI的压缩反馈技术大致可分为三类：量化法，即对实值SINR量化；选择反馈法，最多可将反馈量降低到原来的10%；数据压缩法可分为无损压缩和有损压缩，本文着重研究在已提出的无损压缩算法基础上，采用无损压缩算法提高系统性能、降低CQI反馈量。无损压缩也称作无失真压缩编码或无噪声编码，工作机理就是除去或降低数据冗余度。无损压缩技术始终是可逆的。分为统计式编码和替换式编码。本文用游程编码，Huffman编码[7]和LZW编码[8-9]做系统仿真。

1 编码系统仿真

1.1 游程编码压缩反馈信息仿真

使用降低反馈法后，游程编码压缩反馈信息。图1为OFDM和MIMO-OFDM系统中游程编码反馈信息的压缩率。虚线为未压缩的性能。压缩率定义为压缩反馈信息除以反馈量。100个子信道中，反馈比特数为5120000bits。1个比特和游程取代字符串中重复出现的比特。由于只有6种调制方式，比特分配信息有冗余信息，量化功率分配信息后也有冗余信息，可用游程编码降低反馈量。OFDM系统中，平均压缩率为75%，信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达51%。MIMO-OFDM2*2系统中，平均压缩率为90.3%，信道相关性高时，压缩率可达90.7%，信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达80%。MIMO-OFDM4*4系统中，平均压缩率为90.7%，信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达82%。MIMO-OFDM系统游程编码压缩率比OFDM系统好15%。

图1 OFDM和MIMO-OFDM系统中游程编码反馈信息的压缩率

1.2 Huffman编码压缩反馈信息仿真

Huffman编码中，出现概率高的字符分配短编码。图2为OFDM和MIMO-OFDM系统的Huffman编码反馈信息的压缩率。虚线为未压缩的性能。降低反馈信息后Huffman编码，OFDM系统的平均压缩率可达85.5%，信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达61%。MIMO-OFDM2*2系统平均压缩率可达94.7%，信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达88%。MIMO-OFDM4*4系统平均压缩率可达到94.6%。信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达87%。MIMO-OFDM系统压缩率比OFDM系统压缩率好9%。OFDM系统中, Huffman编码压缩率比游程编码压缩率好10%，MIMO-OFDM系统中，Huffman编码压缩率比游程编码压缩率好4%。字符出现概率高时，使用Huffman 编码压缩效果优于游程编码压缩效果。信道相关性高时，游程压缩率和Huffman压缩率一样，但当信道相关性低时，Huffman编码压缩率更高。

图2 OFDM和MIMO-OFDM系统中Huffman编码反馈信息的压缩率

1.3 LZW编码压缩反馈信息仿真

LZW编码将变长字符串转变为定长的编码，若反馈信息中有频繁出现的字符时，LZW算法可达良好的压缩率。图3为OFDM和MIMO-OFDM系统中LZW编码反馈信息压缩率。虚线为未压缩的性能，OFDM系统的平均压缩率可达83.8%，信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达66%。MIMO-OFDM2*2系统的平均压缩率可达 91.8%,信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达84%。MIMO-OFDM 4*4系统的平均压缩率可达92.3%。信道相关性高时，压缩率可达98%，信道无相关时，压缩率可达86%。MIMO-OFDM系统压缩率比OFDM系统压缩率好9%。可见，LZW编码压缩效果比游程编码压缩效果好，但稍逊于Huffman编码压缩效果。OFDM系统中，Huffman编码压缩比游程编码压缩好10%，比LZW编码压缩好2%。MIMO-OFDM系统中，Huffman编码压缩效果比游程编码压缩效果好4%，比LZW编码压缩效果好3%。信道相关高时，三种压缩算法的压缩率一样，信道相关性低时，LZW编码压缩效果优于游程编码压缩效果，但稍逊于Huffman编码压缩效果。信道相关性高时，任意一种压缩算法都能达到理想的压缩效果。信道相关性低时，选择Huffman编码最佳。

图3 OFDM和MIMO-OFDM系统中LZW编码反馈信息的压缩率

2 结论

本文研究时间相关性，运用降低反馈法降低反馈次数。无损压缩编码压缩反馈信息，可有效地压缩反馈信息。OFDM系统中，降低反馈法可实现60%平均降低率，通过游程编码,Huffman编码，LZW编码压缩反馈信息，可以达到80%的平均压缩率。MIMO-OFDM系统中，降低反馈法可实现80%平均降低率，90%的平均压缩率。

[1] 佟学俭,罗涛著.OFDM移动通信技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社,2003(7).

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[7] D.A.Huffman.“A method for the construction of minimum-redundancy codes”[J].Resonance, 2006,11(2): 91-99.

[8] J. Ziv and A. Lempel. “Compression of Individual Sequences Via Variable Rate Coding”[J]. IEEE Tran on Information Theory, 1978, 24(5): 530-536.

[9] T. A. Welch. “A technique for high-performance data compression” [J].Computer, 1984, 17(6): 8-19.

责任编辑：刘海涛

TN929.5

A

1673-1794(2016)05-0068-02

付翔，滁州学院电子与电气工程学院实验师(安徽 滁州 239000)。

滁州学院科研启动基金资助(2014qd026)

2016-06-16