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摘 要:如果正交频分复用(OFDM)技术与自适应调制与编码(AMC)技术相结合,能大大增加系统的性能。本文中,主要研究了在OFDM中,根据信道特性的变化自动选择相应的调制编码方案(MCS),采用的算法是最大吞吐量准则的固定阈值算法。
关键词:OFDM;AMC
中图分类号:TN91 文献标志码:A文章编号:16717953(2009)04008903
Researching of AMC Technology in OFDM System
YU Yueqing,WANG Mingye,ZHANG Guixin
(Air force Da lian communication sergeangt academy command automatic departmeng Dalian Liaoning 116600,China)
Abstract: The system's performance will be improved greatly if OFDM combines with AMC technology. How to select the MCS adaptively according to the channel state information is researched in OFDM system,the fixed threshold algorithm based on most throughput rules is adapted.
Key words: OFDM;AMC
在宽带无线传输中,整个传输系统带宽大于信道的相干带宽,信道表现为频率选择性,即信道对信号的不同频率成分衰减大小不一。这正是宽带OFDM传输系统的基本特性。由于OFDM系统在频域传输数据,整个频带划分为若干个子载波信道,这些子载波上的符号传输时间大于信道的时延扩展,子载波带宽较窄,信道在每个子载波上表现为平坦衰落,可以用一个时变的乘性Rayleigh衰落因子描述,而整个带宽远大于信道的相干带宽,不同子载波上的乘性Rayleigh衰落因子幅度大小不一[1]。在一般OFDM系统中,各子载波上使用相同的发送功率和调制方式,则OFDM系统的误比特率性能主要由那些处于深衰落的子载波决定。
采用AMC技术的OFDM系统就是通过对信道状态信息(CSI)的充分利用,在衰落幅度较大的子载波上采用低阶调制编码方案,而在衰落幅度较小的子载波上采用高阶调制编码方案。
1 AMC系统模型
1.1 AMC原理模型
AMC技术作为链路自适应技术一种重要形式,通过改变系统中的星座图大小、编码效率、传输功率等参数来自适应跟踪信道的变化。图1是在OFDM系统中应用了AMC技术的系统框图。
仿真中所使用的系统参数采用了3GPP的E-UTRA标准,各参数值如表1所示。仿真中采用了编码技术,由于编码技术的纠错功能,不能用误码率公式来确定每一条误码率曲线,误码率的计算通过输入与输出端数据的比较来求得的;吞吐量的计算是依据一帧中的误码性能。此处,仿真中还假设系统中有一个信令反馈信道,并且反馈信道没有延迟。
本文分析了基于子载波模式的AMC系统的性能。子载波模式,就是在子载波处理过程中,可以以每一个子载波为单位来进行单独处理,可以单独选择调制方式和编码方式。
基于子载波模式的自适应算法主要有固定阈值算法、比特分配算法、常吞吐量自适应算法等等,本文主要研究了最大吞吐量准则的固定阈值算法。
1.2 吞吐量的计算
吞吐量是指单位时间内所传输的信息量,在我们的AMC系统中,可以形象地描述为每秒正确传输的信息比特数。假设第i个子载波的系统长期BER为Pi,则整个OFDM符号正确传输的概率P0为:
P0=Nci=1(1-Pi)
每帧包含Nf个OFDM符号,每帧正确传输的概率Pc为:
Pc=Nfj=1P0(j)
假设信道在一帧内保持不变,则
Pc=(P0)Nf=Nci=1(1-Pi)Nf
对于固定的调制编码方案,调制所选择的调制阶数和编码效率都是固定的,则
Throughput=ENf•Nc•m•cTs Nci=1(1-Pi)Nf
=Nf•Nc•m•cTs ENci=1(1-Pi)Nf bits/sec
2 固定阈值算法
固定阈值算法是自适应调制与编码系统中最简单、最常用的方法。假定可用的调制方式共有n种,分别表示为{m0,m1,…,mn-1｝,其星座图的大小是依次递增的;相应地,将信道SNRγ的取值范围也划分为n个区间,分隔点的集合表示为{γ0=-∞,γ1,…,γn-1,γn=+∞｝。当γ的估计值位于区间i(γi,γi+1),(0in-1)时,则下一次传输就采用mi。SNR区间的划分可以依据最大吞吐量原则。以Ti(γ)代表备选方案mi的吞吐量在干扰信道下的SNR性能。随着γ在其取值范围内递增,具有最大吞吐量的方案也随之改变;当γ很小时,m0的吞吐量T0(γ)是最大的,随着γ的增大,首先是T1(γ)变成最大,接着是T2(γ),…,最后是Tn-1(γ),将这种替代发生时的γ值定义为区间的分割点,在区间(γi,ri+1),(0in-1)内,Ti(γ)是最大的。
同样采用读图的方法,根据最大吞吐量准则,从图3中,可以得到关于SNR的阈值区间如表3所示。
3 阈值可控算法的改进
对于以最大吞吐量原则为准则的固定阈值算法,关键技术之一是怎么样选择MCS,也就是说如何找到一个准确的SNR,来完成MCS之间的交换[3]。如果SNR小于SNR1,就选择MCS1,如果SNR介于SNR1和SNR2之间,就选择MCS2,如果SNR大于SNR2,就选择MCS3,如图4所示,这样就能得到最大吞吐量。MCS的选择是通过测量的信噪比的大小来进行的,在本文中,信噪比是通过仿真而得到的,信噪比的门限值根据信道的变化是动态变化的。在理想条件下,系统能够得到最优的信噪比门限,并且能够预知系统的吞吐量曲线,所以就能够获得最优的信噪比门限值。然而,实际系统当中,很难准确得知复杂的信道变化,尤其是在实时的移动通信系统当中,多径信道是时变的,更难获得最优的信噪比门限值。如果这个门限值不准确,系统的吞吐量性能将下降,如图5所示。如果SNR1低于理想的最优值,则在交点1处就已经转换到MCS2,吞吐量变小;如果SNR2高于理想的最优值,则在交点2处才能够转换到MCS3,吞吐量亦变小。可以看出,信噪比门限值的不稳定,严重影响了系统的吞吐量。
为了解决这个问题,提出一种改进的自适应门限值可控的方案,根据循环冗余校验(CRC)的结果来控制信噪比的门限值。如果CRC为0(正确),信噪比的门限值减小一定量的值δdown,如果CRC为1(有错误),信噪比的门限值增大一定量的值δup。当然应用CRC技术需要从接收端返回一个确认值(ACK或NACK),这样可以统计出系统的误帧率。根据给定的系统目标误帧率的要求,可以确定出增加或者减小的步长值δdown和δup的值。如果假定目标误帧率为1%,则令δdown=0.01,δup=0.99。对于吞吐量来说,1%的误帧率和最大吞吐量的99%是等价的。假定目前选择的是MCS(n),T(n)表示改变MCS的上限,即为从MCS(n)变换到MCS(n+1)门限值;T(n-1)表示改变MCS的下限,即为从MCS(n)变换到MCS(n-1)门限值。调整方法为:对于T(n),当CRC正确,则T(n)的值减小δdown;当CRC错误,则T(n)的值增大δup。对于T(n-1),当CRC正确,则T(n-1)的值减小δdown=Max-thpt(n-1)Max-thpt(n);当CRC错误,则T(n-1)的值增大δup=1.0-Max-thpt(n-1)Max-thpt(n)。其中Max-thpt(n)表示MCS(n)的最大吞吐量。
4 结论
本文中首先介绍了系统模型,然后详细分析了基于子载波模式的AMC系统中的固定阈值算法,其中所选择的准则为最大吞吐量原则,并在此原则下,确定了阈值区间。最后,对阈值区间的选择提出了一点改进方法。
参考文献
[1] 3GPP TR 25.814 V7.1.0.
[2] DAISUKE T,YUU C C,PAUL S,etl.Threshold Controlling Scheme for Adaptive Modulation and Coding System[C].IEEE 2004:1351-1355.
[3] 汪裕民.OFDM关键技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2007(1).
关键词:OFDM;AMC
中图分类号:TN91 文献标志码:A文章编号:16717953(2009)04008903
Researching of AMC Technology in OFDM System
YU Yueqing,WANG Mingye,ZHANG Guixin
(Air force Da lian communication sergeangt academy command automatic departmeng Dalian Liaoning 116600,China)
Abstract: The system's performance will be improved greatly if OFDM combines with AMC technology. How to select the MCS adaptively according to the channel state information is researched in OFDM system,the fixed threshold algorithm based on most throughput rules is adapted.
Key words: OFDM;AMC
在宽带无线传输中,整个传输系统带宽大于信道的相干带宽,信道表现为频率选择性,即信道对信号的不同频率成分衰减大小不一。这正是宽带OFDM传输系统的基本特性。由于OFDM系统在频域传输数据,整个频带划分为若干个子载波信道,这些子载波上的符号传输时间大于信道的时延扩展,子载波带宽较窄,信道在每个子载波上表现为平坦衰落,可以用一个时变的乘性Rayleigh衰落因子描述,而整个带宽远大于信道的相干带宽,不同子载波上的乘性Rayleigh衰落因子幅度大小不一[1]。在一般OFDM系统中,各子载波上使用相同的发送功率和调制方式,则OFDM系统的误比特率性能主要由那些处于深衰落的子载波决定。
采用AMC技术的OFDM系统就是通过对信道状态信息(CSI)的充分利用,在衰落幅度较大的子载波上采用低阶调制编码方案,而在衰落幅度较小的子载波上采用高阶调制编码方案。
1 AMC系统模型
1.1 AMC原理模型
AMC技术作为链路自适应技术一种重要形式,通过改变系统中的星座图大小、编码效率、传输功率等参数来自适应跟踪信道的变化。图1是在OFDM系统中应用了AMC技术的系统框图。
仿真中所使用的系统参数采用了3GPP的E-UTRA标准,各参数值如表1所示。仿真中采用了编码技术,由于编码技术的纠错功能,不能用误码率公式来确定每一条误码率曲线,误码率的计算通过输入与输出端数据的比较来求得的;吞吐量的计算是依据一帧中的误码性能。此处,仿真中还假设系统中有一个信令反馈信道,并且反馈信道没有延迟。
本文分析了基于子载波模式的AMC系统的性能。子载波模式,就是在子载波处理过程中,可以以每一个子载波为单位来进行单独处理,可以单独选择调制方式和编码方式。
基于子载波模式的自适应算法主要有固定阈值算法、比特分配算法、常吞吐量自适应算法等等,本文主要研究了最大吞吐量准则的固定阈值算法。
1.2 吞吐量的计算
吞吐量是指单位时间内所传输的信息量,在我们的AMC系统中,可以形象地描述为每秒正确传输的信息比特数。假设第i个子载波的系统长期BER为Pi,则整个OFDM符号正确传输的概率P0为:
P0=Nci=1(1-Pi)
每帧包含Nf个OFDM符号,每帧正确传输的概率Pc为:
Pc=Nfj=1P0(j)
假设信道在一帧内保持不变,则
Pc=(P0)Nf=Nci=1(1-Pi)Nf
对于固定的调制编码方案,调制所选择的调制阶数和编码效率都是固定的,则
Throughput=ENf•Nc•m•cTs Nci=1(1-Pi)Nf
=Nf•Nc•m•cTs ENci=1(1-Pi)Nf bits/sec
2 固定阈值算法
固定阈值算法是自适应调制与编码系统中最简单、最常用的方法。假定可用的调制方式共有n种,分别表示为{m0,m1,…,mn-1｝,其星座图的大小是依次递增的;相应地,将信道SNRγ的取值范围也划分为n个区间,分隔点的集合表示为{γ0=-∞,γ1,…,γn-1,γn=+∞｝。当γ的估计值位于区间i(γi,γi+1),(0in-1)时,则下一次传输就采用mi。SNR区间的划分可以依据最大吞吐量原则。以Ti(γ)代表备选方案mi的吞吐量在干扰信道下的SNR性能。随着γ在其取值范围内递增,具有最大吞吐量的方案也随之改变;当γ很小时,m0的吞吐量T0(γ)是最大的,随着γ的增大,首先是T1(γ)变成最大,接着是T2(γ),…,最后是Tn-1(γ),将这种替代发生时的γ值定义为区间的分割点,在区间(γi,ri+1),(0in-1)内,Ti(γ)是最大的。
同样采用读图的方法,根据最大吞吐量准则,从图3中,可以得到关于SNR的阈值区间如表3所示。
3 阈值可控算法的改进
对于以最大吞吐量原则为准则的固定阈值算法,关键技术之一是怎么样选择MCS,也就是说如何找到一个准确的SNR,来完成MCS之间的交换[3]。如果SNR小于SNR1,就选择MCS1,如果SNR介于SNR1和SNR2之间,就选择MCS2,如果SNR大于SNR2,就选择MCS3,如图4所示,这样就能得到最大吞吐量。MCS的选择是通过测量的信噪比的大小来进行的,在本文中,信噪比是通过仿真而得到的,信噪比的门限值根据信道的变化是动态变化的。在理想条件下,系统能够得到最优的信噪比门限,并且能够预知系统的吞吐量曲线,所以就能够获得最优的信噪比门限值。然而,实际系统当中,很难准确得知复杂的信道变化,尤其是在实时的移动通信系统当中,多径信道是时变的,更难获得最优的信噪比门限值。如果这个门限值不准确,系统的吞吐量性能将下降,如图5所示。如果SNR1低于理想的最优值,则在交点1处就已经转换到MCS2,吞吐量变小;如果SNR2高于理想的最优值,则在交点2处才能够转换到MCS3,吞吐量亦变小。可以看出,信噪比门限值的不稳定,严重影响了系统的吞吐量。
为了解决这个问题,提出一种改进的自适应门限值可控的方案,根据循环冗余校验(CRC)的结果来控制信噪比的门限值。如果CRC为0(正确),信噪比的门限值减小一定量的值δdown,如果CRC为1(有错误),信噪比的门限值增大一定量的值δup。当然应用CRC技术需要从接收端返回一个确认值(ACK或NACK),这样可以统计出系统的误帧率。根据给定的系统目标误帧率的要求,可以确定出增加或者减小的步长值δdown和δup的值。如果假定目标误帧率为1%,则令δdown=0.01,δup=0.99。对于吞吐量来说,1%的误帧率和最大吞吐量的99%是等价的。假定目前选择的是MCS(n),T(n)表示改变MCS的上限,即为从MCS(n)变换到MCS(n+1)门限值;T(n-1)表示改变MCS的下限,即为从MCS(n)变换到MCS(n-1)门限值。调整方法为:对于T(n),当CRC正确,则T(n)的值减小δdown;当CRC错误,则T(n)的值增大δup。对于T(n-1),当CRC正确,则T(n-1)的值减小δdown=Max-thpt(n-1)Max-thpt(n);当CRC错误,则T(n-1)的值增大δup=1.0-Max-thpt(n-1)Max-thpt(n)。其中Max-thpt(n)表示MCS(n)的最大吞吐量。
4 结论
本文中首先介绍了系统模型,然后详细分析了基于子载波模式的AMC系统中的固定阈值算法,其中所选择的准则为最大吞吐量原则,并在此原则下,确定了阈值区间。最后,对阈值区间的选择提出了一点改进方法。
参考文献
[1] 3GPP TR 25.814 V7.1.0.
[2] DAISUKE T,YUU C C,PAUL S,etl.Threshold Controlling Scheme for Adaptive Modulation and Coding System[C].IEEE 2004:1351-1355.
[3] 汪裕民.OFDM关键技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2007(1).