自適應調制編碼技術及其在移動通信中的應用

1、 自適應調制編碼技術及其在移動通信中的應用葛躍田(東南大學移動通信國家重點實驗室江蘇南京210096摘要:自適應調制編碼技術是克服無線信道的時變性的一種重要鏈路適應技術。常用的鏈路自適應技術有自適應功率控制、自適應調制編碼、自適應幀長等。本文主要介紹了兩種自適應調制編碼技術, 并分析了各自的優(yōu)缺點。關鍵詞:自適應調制編碼; 時變信道; 自適應功率控制; 時變性中圖分類號:TN 92915文獻標識碼:B :373X 03403Adaptive M odula tion and Cod i ng Comm un ica tion s(ati obile on , U niversity , N a

2、njing , 210096, Ch ina Abstract :A on and coding is a key link adap tati on techno logy to overcom e the ti m e variable in w ireless chan 2nel 1T he link adap tati on techno logy includes adap tive trans m it pow er contro l , adap tive modulati on and coding , adap tive fram e length contro l etc

3、1T h is paper introduces tw o adap tive modulati on and coding and analysis their m erits and disadvantages 1Keywords :adap tive modulati on and coding ; ti m evariable channel ; trans m it pow er contro l ; ti m evariable1引言調制編碼方式等。設計鏈路自適應技術時應考慮如何調節(jié)以上幾種參數來適應信道的時變性。由于調節(jié)發(fā)射機發(fā)射功率實現較為簡單, 第二代和第三代移動通信技術采用

4、傳輸功率控制(T PC 技術來適應信道的時變性。傳輸功率控制技術雖然可以保證鏈路的通信質量, 但是他存在2個無法克服的缺點:一是存在所謂的“遠近效應”, 限制了整個系統(tǒng)的容量; 二是存在所謂的“噪聲提升效應”, 導致每個接收機收到一個額外的噪聲提升。因此, 人們努力研究新的鏈路自適應技術來提高系統(tǒng)的性能。采用調節(jié)通信的調制編碼方式來適應信道變化的技術是目前研究最熱門的鏈路自適應技術之一。2自適應調制編碼技術的原理和特點在移動通信系統(tǒng)中, 由于無線衰落信道時變的特點, 使通信過程存在大量的不確定性。一方面, 為了提高系統(tǒng)吞吐量, 采用傳輸速率較高的高階調制和少冗余糾錯碼進行通信, 這樣在無線衰落

5、信道信噪比較理想時系統(tǒng)吞吐量確實得到了很大的提高, 但當信道處于深衰落時則無法保障通信可靠穩(wěn)定地進行; 另一方面, 為了保障通信的可靠性, 采用傳輸速率較低的低階調制和大冗余糾錯碼進行通信, 即便在無線信道處于深衰落時能夠保障通信可靠穩(wěn)定地進行, 然而當信道信噪比較高時, 由于傳輸速率較低, 制約了系統(tǒng)的吞吐量的提高, 從而造成了資源浪費。在移動通信技術的發(fā)展早期, 人們對抗無線衰落信道的時變特性, 只能采用加大發(fā)射機發(fā)射功率、使用低階大冗余的調制編碼方法來保障系統(tǒng)在信道深衰落時的通信質量, 還無暇考慮如何提高系統(tǒng)的吞吐量。隨著科技水平的進步, 出現了可根據信道狀態(tài)自適應地調節(jié)其發(fā)射功率、調制

6、編碼方式以及數據的幀長來克服信道的時變特性從而獲得最佳通信效果的技術, 被稱為鏈路自適應技術。發(fā)射端隨信道環(huán)境可以調節(jié)的參數有發(fā)射功率、收稿日期:20030901自適應調制編碼(AM C 技術的基本原理是當信道狀態(tài)發(fā)生變化時, 發(fā)射端保持發(fā)射功率不變, 而隨信道狀態(tài)自適應的改變調制和編碼方式, 從而在不同的信道狀態(tài)下獲得最大的吞吐量。在現代移動通信中, 系統(tǒng)擁有多種物理層(PH Y 傳輸模式可供選擇, 自適應調制編碼實際上就是根據信道條件合理的選擇PH Y 傳輸模式。如圖1所示, 采用PH Y 模式1(本例中B PSK 調制, 碼率為1 2卷積碼編碼 時, 在信道信噪比較高時系統(tǒng)吞吐量很低;

7、而采用PH Y 模式8(64QAM 調制, 碼率為3 4卷積碼編碼 時, 雖然在34 高信噪比時系統(tǒng)吞吐量很高, 但當信道處于較低信噪比時, 無法進行正常通信。而采用自適應調制編碼技術則很好地在通信的可靠穩(wěn)定性與系統(tǒng)吞吐量之間取得折中, 圓滿地解決了二者的矛盾。選擇什么傳輸模式由系統(tǒng)所采用的自適應調制編碼算法決定。自適應調制編碼算法可分為探索(H eu ristci 類和基于信道估計的自適應算法 。的物理層(PH Y 傳輸模式進行, 并同時啟動一個計時器。當計時器超期或成功接收到的A ck 幀累計達到10個, 數據傳輸模式升一級并取消計時器; 但當啟動計時器后緊接著的1個幀又失敗, 則傳輸模式

8、再降一級并重啟計時器。這種算法的優(yōu)點是由于不需要進行信道估計實現比較簡單, 也不存在由于信道估計誤差帶來的性能損失。但是由于他是屬于純探索類的AM C 技術, 他不能夠對信道的時變性作出快速的反應, 轉換調制編碼方式往往滯后于信道的變化, 因此采用A R F 。另外在(T i m e 2t F , 2個條件:10個, 或預設的計時器超期。很明顯, 不同的時限值將影響系統(tǒng)的性能。文獻1中并沒有明確規(guī)定時限值, 只能在使用時根據幀長、最大重傳次數等因素決定。文獻2表明該時限值在515之間取值比較合理, 吞吐量提高較明顯。212基于信道估計的AM C 算法探索類的AM C 算法雖然實現起來較為簡單,

9、 但并不能完全適應信道的變化, 因為他沒有進行信道估計, 就不能充分利用信道的信息?；谛诺拦烙嫷腁M C 算法的基本原理是:接收端在接收數據的同時,圖1自適應調制編碼的突出優(yōu)點211探索類AM C 技術比較成熟并已經應用到商業(yè)產品中的探索類自適應調制編碼技術是自動傳輸率后退協議(A u toR ate1Fallback , A R F 。A R F 算法已成功應用在朗訊科技的W aveLAN II 的無線網絡設備中。該算法根據其對時間函數以及失敗的A ck 幀的跟蹤結果來變換其數據傳輸率, 其原理如圖2所示。根據所接收數據信號的幅值變化以及錯誤率等因素來估計和預測下一數據幀傳輸時的信道狀況并

10、將其反饋回發(fā)射端, 發(fā)射端再根據反饋值決定下一幀所應該采用的調制編碼方式, 從而更好地適應信道的變化。發(fā)射端所采用的PH Y 模式轉換方法不同對系統(tǒng)性能的影響也不同。常用的PH Y 模式轉換方法有2種3。第1種是如圖3所示的基于接收信號強度指示器(R SS I 的PH Y 模式轉換方法 。圖2A R F 算法基本原理圖圖3基于R SS I 的PH Y 模式轉化方法的原理框圖如果連續(xù)2個A ck 幀未能被發(fā)端成功接受, 則當前數據包的第2次重傳以及隨后的數據傳輸用低一級一個幀的基帶信號的平均幅值可以成為無線信道的短期徑損大小的標志。如果這個值降低了, 則有2種35 可能性, 信道處于深衰落或移動

11、臺到達小區(qū)的邊緣了。第1種情況則降低PH Y 傳輸模式來保障通信的順利進行; 第2種情況則進行小區(qū)切換處理。同樣道理, 如果該值升高了, 則可提升PH Y 傳輸模式級別。采用R SS I 轉換方法可以根據傳輸的業(yè)務不同采用2種準和延時沒有要求的分組交換業(yè)務, 如WWW 網頁瀏覽和文件下載業(yè)務。(2 自適應調制編碼技術保持發(fā)射功率恒定, 信道條件好的用戶擁有較高數據傳輸率, 而信道條件差的用戶只能采用低數據率進行通信, 這樣不僅避免了功率控制技術中的“遠近效應”, 而且也克服了1個用戶對其他用戶的干擾發(fā)生變化問題, 降低了網絡的干擾余量, 解決了快速功率控制技術中的“噪聲提升”效應, 提高了系統(tǒng)

12、的容量。3則:一是選擇適當的PH Y 傳輸模式, 保證數據包的比特差錯率(B ER 不變; 二是同樣選擇適當的PH Y 傳輸模式, 保證數據吞吐量不變。這種方法的優(yōu)點是控制比較靈活, 既能夠控制數據包的B ER 又能控制系統(tǒng)的數據吞吐量; 缺點是在接收端要對接收信號進行采樣、量化處理, 實現起來比較復雜。第2種常用的PH Y 模式轉換方法是基于錯誤檢測的方法, 如圖 4所示。, 例A H SD PA (高速下行分組接入技術 中采用自適應調制編碼技術和混合重傳技術(HA RQ 作為其鏈路自適應技術4; IEEE 8021115,62等無線數據傳輸網絡IEEE 802116, H IPERLAN均

13、采用自適應調制編碼技術來克服無線信道的時變性?？傊? 由于自適應調制編碼技術的突出優(yōu)點, 實現也較為簡單, 在下一代移動通信中必將得到廣泛的應用。圖4基于檢錯的PH Y 模式轉換方法的原理框圖該方法的原理是采用一種冗余小的糾錯碼如BCH (63, 57, 1 , 雖然他的糾錯能力非常差, 但他能夠進行檢錯從而告知信道的質量。采用這種方法須增加一額外的糾錯碼來進行錯誤檢測。研究表明, 這種系統(tǒng)的性能比R SS I 系統(tǒng)性能要差, 這是因為在檢測到錯誤后再改變下一幀的PH Y 模式往往顯得滯后了。另外這種系統(tǒng)控制也不如前者靈活?？傮w來說, 由于充分利用了信道的信息, 基于信道估計的自適應調制編碼技

14、術要比純探索類的性能要好, 當然實現起來也相對復雜些。對于基于信道估計的自適應調制編碼技術影響其性能的因素有:信道估計誤差、反饋信道中的噪聲和時延等, 這也是目前研究中要努力解決的問題。213自適應調制編碼技術的特點參考文獻1Kam er m an A , M on teban L 1W aveLANh ighII :Ap erfo r m ance w ireless LAN fo r the un li 21331cen sed band J 1B ell L ab s T echn ical , Summ er 1997:1182D aji Q iao , Sunghyun Cho i

15、, Goodpu t analysisand link A dap tati on fo r IEEE 802111a W ire 2less LAN s J 1IEEE T ran s 1M ob ile Com p u t 2ing , 2002, 1(4 :27829213W ebb W T , Steele R 1V ariab le rate QAM fo rm ob ile radi o J 1IEEE T ran s 1Comm , 11995,43(7 :22232230143GPP T echn ical R epo rt , Physical L ayerA spects of U TRA H igh Speed Dow n link Packet A ccess , 3GPP TR 251848, V 4101015IEEE 8021111W ireless LAN M edium A ccessCon tro l (M A C and Physical L ayer (PH Y Specificati on s J 1Standard , IEEE , 1999, (8 16802116a IEEE