CN101087287B - 一种正交频分复用系统自适应调制和编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，包括：第一步，设置初始时间窗；第二步，根据时间窗参数，得到适配时间窗；第三步，基站估计下行发送时间窗内的平均RSSI值及其标准差；第四步，根据平均RSSI值及其标准差查询AMC判别图得到对应调制和编码方式；第五步，估计误码率值，并与期望误码率值进行比较：如果估计误码率值≤期望误码率值，则转到第六步；否则，调整时间窗参数，返回到第二步；第六步，进行调制和编码。本发明能更精确的得到适合于当前信道的调制和编码方式，增强了AMC的实效性，降低了系统中断的可能性，提高了系统的频谱效率，同时减少了错误率。

Description

一种正交频分复用系统自适应调制和编码方法

技术领域

本发明涉及无线通信中的调制和编码技术，尤其涉及正交频分复用(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)系统中自适应调制和编码方法。

背景技术

实际中无线信道具有时变特性和衰落特性，当没有系统误码或误比特限制条件时，无线信道容量也是一个时变的随机变量，要最大限度地利用信道容量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是使编码和调制方式具有自适应特性。针对物理信道的时变特性进行自适应跟踪将会给系统性能的改善带来很大的好处，链路自适应技术可以有许多方法，如功率控制、自适应调制和编码(AMC，Adaptive Modulation and Coding)等。

AMC根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的调制和编码方式，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率。显然，提高比特传输速率的有效方法是采用高码率信道编码和高阶调制。理想情况下，MQAM的最高频谱利用率为log₂Mbits/s·Hz。通过改变正交幅相调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)调制阶数M，可实现变速率数据传输，适应信道时变特性，提高系统频谱效率。目前，高性能的Turbo码或RS码已被采纳作为高质量业务信道的主流编译码方案，常用的高阶调制方式有8PSK、16QAM、64QAM等。

OFDM本身只是一种频域波形成形及信号处理技术，井非一种调制技术，与MQAM等高阶调制的组合才能更好地体现出它的高频谱利用率。在正交频分多路复用系统中，链路自适应技术常将接收到的符号信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)或接收信号场强(RSSI，ReceivedSignal Strength Indicator)作为信道品质信息(CQI，Channel Quaity Indicator)来使用，自适应调制和编码可以在不同SNR或RSSI范围内实施。在自适应调制和编码方式的时间窗内，接收到的RSSI可位于预先定义的RSSI区间的任意一个区段内，对应每一区段有相应的调制和编码方式。

中国专利申请CN200510059500“使用自适应调制方式的无线通信方法及无线通信装置”公开了一种自适应调制和编码方法，该方法在终端站的传输线路推定部中，检测下行线路的RSSI平均值，将其结果通知给基站。而在基站中，从上述终端站接收下行线路的RSSI平均值，同时通过传输线路推定部检测上行线路的RSSI平均值。而且，在自适应调制控制部中，将上述所接收的下行线路的RSSI平均值和上述所检测的上行线路的RSSI平均值中差的一方，与阈值进行比较，确定调制方式，将该确定的调制方式通知给终端站，在调制部及解调部上进行设定，并且同步于该终端站上的设定定时，在基站的调制部及解调部上分别设定上述确定的调制方式。

上述方法能较好地用于慢衰落时变信道下，这时一个固定的时间窗能够跟踪缓慢变化信道的要求。但是在快速时变环境中，固定时间窗可能难以用预先定义的更新周期跟踪快速衰落信道。或者说，更新周期相对较大，且当前CQI对于有实际反馈延迟的下次传送可能无效。

此外，上述方法采用在时间窗内接收到的信号的平均RSSI，并以此确定与变化的信道相对应的调制解调和编码方式(MCS，Modulation and Coding Schemes)，而没有考虑信道波动情况。实际上，接收信号RSSI的波动误差会导致选择不恰当的调制方案，其结果是信号调制和编码方式选择不当，浪费了系统容量或造成误码率的上升。对于多载波的OFDM系统，信道波动是一个不可忽视的问题。某时间窗发送的错误率不仅取决于此时间窗发送时的RSSI，还同此时间窗的信道波动有关，对于OFDM系统也就是所谓的频率选择性衰落。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的在快衰落和频率选择性衰落环境中，系统难以确定合适的调制和编码方式的缺点。提出了一种动态时间窗设计方法，并引入信道波动参数，从而完善调制和编码方法与相关参数的对应关系表设计，得到与信道特性匹配的、精确合理的调制和编码方式。

本发明的核心思想是依据动态选择合适的时间窗来跟踪信道的选择性衰落，使得终端在不同的移动环境下，通过时间窗的切换，保证当前时间窗能更好的跟踪时变信道。

此外，在考虑接收信号平均RSSI的同时，通过估计RSSI的标准差σ来反映信道的波动，避免了因信道波动而采用不合适的调制和编码方式，使得系统错误率过高导致效率下降。

为实现上述发明目的，本发明具体是这样实现的：

一种正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，包括如下步骤：

第一步，设置初始时间窗；

第二步，根据时间窗参数，得到适配时间窗；

第三步，基站估计下行发送时间窗内的平均RSSI值及其标准差；

第四步，根据平均RSSI值及其标准差查询自适应调制和编码判别图得到对应调制和编码方式；

第五步，估计误码率值，并与期望误码率值进行比较：

如果估计误码率值≤期望误码率值，则转到第六步；

否则，调整时间窗参数，然后返回到第二步；

第六步，根据得到的调制和编码方式进行调制和编码。

所述第一步中，选窗长最大的时间窗作为初始时间窗。

所述第二步中，时间窗对应终端不同的终端移动速度，将通过估计信道相干时间进行确定。

所述第三步中，平均RSSI值及其标准差是通过前次接收上行信道的RSSI值及其标准差得出的。

所述第三步中，平均RSSI值及其标准差是由接收终端估计RSSI值及其标准差，并反馈给基站的。

所述第四步中，

所述自适应调制和编码判别图是在确保估计误码率不高于期望误码率值做出的；

所述自适应调制和编码判别图中的参数是通过仿真和推算得到的；

所述期望误码可以根据系统的实际需求确定。

所述第五步中的调整时间窗参数，是指将时间窗切换为较小一级。

若调制编码方式为最低阶，且估计误码率大于期望误码率时，

将时间窗参数进行调整，对应的时间窗切换为较小一级。

本发明利用时间窗内的平均RSSI值估计无线信道的特性，并通过RSSI的标准差反映信道的波动，构造了二维AMC表，同时辅助以动态时间窗的切换，使得CQI信息能接近实际需求。与传统的一维门限法相比，能更精确的得到适合于当前信道的调制和编码方式，增强了AMC的实效性，降低了系统中断的可能性，提高了系统的频谱效率，同时减少了错误率。此外RSSI值在实际系统中估计简便，是一个易于工程实现的方法。

附图说明

图1是本发明所述的自适应调制和编码方法流程图。

图2是本发明所述的自适应调制和编码在特定时间窗内的判别图。

图3是本发明所述的动态适配时间窗选择方法图。

具体实施方式

图1是本发明所述的自适应调制和编码方法流程图，包括以下步骤：

步骤110，设置初始时间窗参数k＝1，通常选择窗长最大的作为初始时间窗。

步骤120，根据时间窗参数k，得到适配时间窗W_k，k∈1，2，…，K。

时间窗W_k，k＝1，2，…，K分别对应终端不同的终端移动速度v_k，k＝1，2，…，K，可以通过估计信道相干时间确定，相干时间t_k＝λ·v_c/(v_k·f)，k＝1，2，…，K。其中λ是经验系数，v_c是光速，v_k是终端移动速度，f是载波频率。

当载波频率为3.5MHz，终端移动速度为3km/h、30km/h、60km/h、120km/h时，对应的信道相干时间分别为43.51ms、4.35ms、2.18ms、1.09ms，这时时间窗可以分别取为40ms、4ms、2ms、1ms。

也就是说，当终端低速移动时，采用较长的时间窗，信息处理时间间隔较大，单位时间内信息容量较少；当终端高速移动时，采用较短的时间窗，信息处理时间间隔较小，单位时间内信息容量较大。

步骤130，基站估计下行发送时间窗内的平均RSSI值及其标准差σ。

基站估计下行发送时间窗内的平均RSSI值及其标准差σ，是通过前次接收上行信道的RSSI和标准差σ得出的。

本方法适用于时分双工(TDD，Time Division Duplex)系统，因为上行链路和下行链路使用同一频率，所以上行链路和下行链路的传输线路特性可以认为是相同的。

而对于频分双工(FDD，Frequency Division Duplex)系统，可以由接收终端估计RSSI值及标准差，并反馈给基站作为基站发送时选择调制编码的依据。

步骤140，根据RSSI及其方差查询AMC判别图得到对应调制和编码方式MCS。

AMC判别图列出了给定RSSI，且在确保估计误码率BER_g不高于期望误码率值BER_q时，对应的调制和编码方式，AMC判别图中的具体参数是通过预先的仿真和推算得到的。通常方法是依据自适应编码调制系统分析模型，通过计算机仿真得到变速率RS-CC-MQAM调制编码的系统BER性能，再基于各固定RS-CC-MQAM编码调制方式的BER性能，对平均RSSI范围进行分段，使每种RS-MQAM编码调制方案对应于一个平均RSSI范围，然后应用反映信道波动的标准差σ参数得到自适应RS-MQAM编码调制系统的RSSI转换门限R₀，R₁，R₂，…等。期望误码BER_q可以根据系统的实际需求确定，一般在数据通信中期望误码率低于10^-6，而在语音通信中期望误码率低于10^-3。

步骤150，估计误码率BER_g，并与期望误码率值BER_q进行比较。如果BER_g≤BER_q，则转到160；否则，调整时间窗参数，然后返回到120。

步骤160，根据得到的调制和编码方式MCS进行调制和编码。实现中可以采用如下的MCS对应的调制编码表。

MCS

调制方式

信息字节数

编码字节数

码率

RS码

卷积码码率

M1

BPSK

12Bytes

24Bytes

1/2

(12，12，0)

1/2

M2

QPSK

24Bytes

48Bytes

1/2

(32，24，4)

2/3

M3

QPSK

36Bytes

48Bytes

3/4

(40，36，2)

5/6

M4

16QAM

48Bytes

96Bytes

1/2

(64，48，8)

2/3

M5

16QAM

72Bytes

96Bytes

3/4

(80，72，4)

5/6

M6

64QAM

96Bytes

144Bytes

2/3

(108，96，6)

3/4

M7

64QAM

108Bytes

144Bytes

3/4

(120，108，6)

5/6

例如，当阈值R₁＜平均RSSI＜阈值R₂时，调制编码方式选取为M₂，这时调制方式为QPSK，编码方式为级联的RS(32，24，4)码和码率为1/2的卷积码。

步骤170，调整时间窗参数k←k+1。

在移动通信环境中，无线信道在时间上呈现时间选择性衰落，信道的时变引起多普勒频率扩展，至于是快衰落还是慢衰落还要看具体应用：如果相干时间远小于传输一个信道编码块的持续时间，那么就可以认为是快衰落，否则认为是慢衰落。

例如在时间窗W₂内，调制方式为M₁＝BPSK时，系统误码率仍然不能满足要求，表明信道的时变引起的多普勒频率扩展，相应的相干时间小于传输一个信道编码块的持续时间，可以认为是快衰落，这时需要调整时间窗参数k←k+1，即将时间窗切换为较小一级的W₃，从而弥补时间选择性衰落带来的影响。

图2是本发明所述的自适应调制和编码方法在特定时间窗内的判别图。

图中横坐标代表时间窗内的平均RSSI，其中R₀、R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇是不同区段的阈值，当平均RSSI由一个区段滑到另一个区段时，导致调制编码方式MCS的切换；纵坐标代表RSSI的标准差，其中σ_M是标准差的阈值，当标准差σ大于阈值σ_M，会导致时间窗的切换。

例如，当阈值R₅＜平均RSSI＜阈值R₆时，调制编码方式选取为M₆，这时调制方式为64QAM，编码方式为级联的RS(108，96，6)码和码率为3/4的卷积码。

而如果此时RSSI的标准差σ大于阈值σ_M，则应选择下较低阶的调制方式M₅，依次类推。

图3是本发明所述的动态适配时间窗选择方法图。

一般来说，当调制和编码方式为最低阶，且估计误码率大于期望误码率时，即MCS＝M₁，且BER_g＞BER_q时，将时间窗参数进行调整，即k←k+1，对应的时间窗切换为较小一级。以弥补时间选择性衰落带来的影响，使得系统既不会因发送的错误率过高而导致效率下降；也不会因调制编码方式设计过于保守，使得系统运行在较低频谱效率的调制编码方式上。

Claims (8)

1.一种正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，设置初始时间窗；

第二步，根据时间窗参数，得到适配时间窗；

第三步，基站估计下行发送时间窗内的平均接收信号场强RSSI值及其标准差；

第四步，根据平均RSSI值及其标准差查询自适应调制和编码判别图得到对应调制和编码方式；自适应调制和编码判别图列出了给定RSSI，且在确保估计误码率不高于期望误码率值时，对应的调制和编码方式，其中，每种RS-MQAM编码调制方案对应于一个平均RSSI范围；自适应调制和编码判别图还包括应用反映信道波动的标准差σ参数得到的每种自适应RS-MQAM编码调制系统的RSSI转换门限；

第五步，估计误码率值，并与期望误码率值进行比较：

如果估计误码率值小于等于期望误码率值，则转到第六步；

否则，调整时间窗参数，然后返回到第二步；

第六步，根据得到的调制和编码方式进行调制和编码。

2.如权利要求1所述的正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于：

所述第一步中，选窗长最大的时间窗作为初始时间窗。

3.如权利要求1所述的正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于：

所述第二步中，时间窗对应终端不同的终端移动速度，将通过估计信道相干时间进行确定。

4.如权利要求1所述的正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于：

所述第三步中，平均RSSI值及其标准差是通过前次接收上行信道的RSSI值及其标准差得出的。

5.如权利要求1所述的正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于：

所述第三步中，平均RSSI值及其标准差是由接收终端估计RSSI值及其标准差，并反馈给基站的。

6.如权利要求1所述的正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于：

所述第四步中，

所述自适应调制和编码判别图是在确保估计误码率不高于期望误码率值做出的；

所述自适应调制和编码判别图中的参数是通过仿真和推算得到的；

所述期望误码率值根据系统的实际需求确定。

7.如权利要求1所述的正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于：

所述第五步中的调整时间窗参数，是指将时间窗切换为较小一级。

8.如权利要求1所述的正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法，其特征在于：

若调制编码方式为最低阶，且估计误码率大于期望误码率时，

将时间窗参数进行调整，对应的时间窗切换为较小一级。

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