一種正交頻分復用系統自適應調製和編碼方法

2023-05-21 03:31:46

專利名稱：一種正交頻分復用系統自適應調製和編碼方法
技術領域：
本發明涉及無線通信中的調製和編碼技術，尤其涉及正交頻分復用(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)系統中自適應調製和編碼方法。
背景技術：
實際中無線信道具有時變特性和衰落特性，當沒有系統誤碼或誤比特限制條件時，無線信道容量也是一個時變的隨機變量，要最大限度地利用信道容量，只有使發送速率也是一個隨信道容量變化的量，也就是使編碼和調製方式具有自適應特性。針對物理信道的時變特性進行自適應跟蹤將會給系統性能的改善帶來很大的好處，鏈路自適應技術可以有許多方法，如功率控制、自適應調製和編碼(AMC，Adaptive Modulation and Coding)等。
AMC根據信道的情況確定當前信道的容量，根據容量確定合適的調製和編碼方式，以便最大限度地發送信息，實現比較高的速率。顯然，提高比特傳輸速率的有效方法是採用高碼率信道編碼和高階調製。理想情況下，MQAM的最高頻譜利用率為log2Mbits/s·Hz。通過改變正交幅相調製(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)調製階數M，可實現變速率數據傳輸，適應信道時變特性，提高系統頻譜效率。目前，高性能的Turbo碼或RS碼已被採納作為高質量業務信道的主流編解碼方案，常用的高階調製方式有8PSK、16QAM、64QAM等。
OFDM本身只是一種頻域波形成形及信號處理技術，井非一種調製技術，與MQAM等高階調製的組合才能更好地體現出它的高頻譜利用率。在正交頻分多路復用系統中，鏈路自適應技術常將接收到的符號信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)或接收信號場強(RSSI，ReceivedSignal Strength Indicator)作為信道品質信息(CQI，Channel Quality Indicator)來使用，自適應調製和編碼可以在不同SNR或RSSI範圍內實施。在自適應調製和編碼方式的時間窗內，接收到的RSSI可位於預先定義的RSSI區間的任意一個區段內，對應每一區段有相應的調製和編碼方式。
中國專利申請CN200510059500「使用自適應調製方式的無線通信方法及無線通信裝置」公開了一種自適應調製和編碼方法，該方法在終端站的傳輸線路推定部中，檢測下行線路的RSSI平均值，將其結果通知給基站。而在基站中，從上述終端站接收下行線路的RSSI平均值，同時通過傳輸線路推定部檢測上行線路的RSSI平均值。而且，在自適應調製控制部中，將上述所接收的下行線路的RSSI平均值和上述所檢測的上行線路的RSSI平均值中差的一方，與閾值進行比較，確定調製方式，將該確定的調製方式通知給終端站，在調製部及解調部上進行設定，並且同步於該終端站上的設定定時，在基站的調製部及解調部上分別設定上述確定的調製方式。
上述方法能較好地用於慢衰落時變信道下，這時一個固定的時間窗能夠跟蹤緩慢變化信道的要求。但是在快速時變環境中，固定時間窗可能難以用預先定義的更新周期跟蹤快速衰落信道。或者說，更新周期相對較大，且當前CQI對於有實際反饋延遲的下次傳送可能無效。
此外，上述方法採用在時間窗內接收到的信號的平均RSSI，並以此確定與變化的信道相對應的調製解調和編碼方式(MCS，Modulation and Coding Schemes)，而沒有考慮信道波動情況。實際上，接收信號RSSI的波動誤差會導致選擇不恰當的調製方案，其結果是信號調製和編碼方式選擇不當，浪費了系統容量或造成誤碼率的上升。對於多載波的OFDM系統，信道波動是一個不可忽視的問題。某時間窗發送的錯誤率不僅取決於此時間窗發送時的RSSI，還同此時間窗的信道波動有關，對於OFDM系統也就是所謂的頻率選擇性衰落。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的在快衰落和頻率選擇性衰落環境中，系統難以確定合適的調製和編碼方式的缺點。提出了一種動態時間窗設計方法，並引入信道波動參數，從而完善調製和編碼方法與相關參數的對應關係表設計，得到與信道特性匹配的、精確合理的調製和編碼方式。
本發明的核心思想是依據動態選擇合適的時間窗來跟蹤信道的選擇性衰落，使得終端在不同的移動環境下，通過時間窗的切換，保證當前時間窗能更好的跟蹤時變信道。
此外，在考慮接收信號平均RSSI的同時，通過估計RSSI的標準差σ來反映信道的波動，避免了因信道波動而採用不合適的調製和編碼方式，使得系統錯誤率過高導致效率下降。
為實現上述發明目的，本發明具體是這樣實現的一種正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，包括如下步驟第一步，設置初始時間窗；第二步，根據時間窗參數，得到適配時間窗；第三步，基站估計下行發送時間窗內的平均RSSI值及其標準差；第四步，根據平均RSSI值及其標準差查詢自適應調製和編碼判別圖得到對應調製和編碼方式；第五步，估計誤碼率值，並與期望誤碼率值進行比較
如果估計誤碼率值≤期望誤碼率值，則轉到第六步；否則，調整時間窗參數，然後返回到第二步；第六步，根據得到的調製和編碼方式進行調製和編碼。
所述第一步中，選窗長最大的時間窗作為初始時間窗。
所述第二步中，時間窗對應終端不同的終端移動速度，將通過估計信道相干時間進行確定。
所述第三步中，平均RSSI值及其標準差是通過前次接收上行信道的RSSI值及其標準差得出的。
所述第三步中，平均RSSI值及其標準差是由接收終端估計RSSI值及其標準差，並反饋給基站的。
所述第四步中，所述自適應調製和編碼判別圖是在確保估計誤碼率不高於期望誤碼率值做出的；所述自適應調製和編碼判別圖中的參數是通過仿真和推算得到的；所述期望誤碼可以根據系統的實際需求確定。
所述第五步中的調整時間窗參數，是指將時間窗切換為較小一級。
若調製編碼方式為最低階，且估計誤碼率大於期望誤碼率時，將時間窗參數進行調整，對應的時間窗切換為較小一級。
本發明利用時間窗內的平均RSSI值估計無線信道的特性，並通過RSSI的標準差反映信道的波動，構造了二維AMC表，同時輔助以動態時間窗的切換，使得CQI信息能接近實際需求。與傳統的一維門限法相比，能更精確的得到適合於當前信道的調製和編碼方式，增強了AMC的實效性，降低了系統中斷的可能性，提高了系統的頻譜效率，同時減少了錯誤率。此外RSSI值在實際系統中估計簡便，是一個易於工程實現的方法。


圖1是本發明所述的自適應調製和編碼方法流程圖。
圖2是本發明所述的自適應調製和編碼在特定時間窗內的判別圖。
圖3是本發明所述的動態適配時間窗選擇方法圖。
具體實施例方式
圖1是本發明所述的自適應調製和編碼方法流程圖，包括以下步驟步驟110，設置初始時間窗參數k＝1，通常選擇窗長最大的作為初始時間窗。
步驟120，根據時間窗參數k，得到適配時間窗Wk，k∈1，2，…，K。
時間窗Wk，k＝1，2，…，K分別對應終端不同的終端移動速度vk，k＝1，2，…，K，可以通過估計信道相干時間確定，相干時間tk＝λ·vc/(vk·f)，k＝1，2，…，K。其中λ是經驗係數，vc是光速，vk是終端移動速度，f是載波頻率。
當載波頻率為3.5MHz，終端移動速度為3km/h、30km/h、60km/h、120km/h時，對應的信道相干時間分別為43.51ms、4.35ms、2.18ms、1.09ms，這時時間窗可以分別取為40ms、4ms、2ms、1ms。
也就是說，當終端低速移動時，採用較長的時間窗，信息處理時間間隔較大，單位時間內信息容量較少；當終端高速移動時，採用較短的時間窗，信息處理時間間隔較小，單位時間內信息容量較大。
步驟130，基站估計下行發送時間窗內的平均RSSI值及其標準差σ。
基站估計下行發送時間窗內的平均RSSI值及其標準差σ，是通過前次接收上行信道的RSSI和標準差σ得出的。
本方法適用於時分雙工(TDD，Time Division Duplex)系統，因為上行鏈路和下行鏈路使用同一頻率，所以上行鏈路和下行鏈路的傳輸線路特性可以認為是相同的。
而對於頻分雙工(FDD，Frequency Division Duplex)系統，可以由接收終端估計RSSI值及標準差，並反饋給基站作為基站發送時選擇調製編碼的依據。
步驟140，根據RSSI及其方差查詢AMC判別圖得到對應調製和編碼方式MCS。
AMC判別圖列出了給定RSSI，且在確保估計誤碼率BERg不高於期望誤碼率值BERq時，對應的調製和編碼方式，AMC判別圖中的具體參數是通過預先的仿真和推算得到的。通常方法是依據自適應編碼調製系統分析模型，通過計算機仿真得到變速率RS-CC-MQAM調製編碼的系統BER性能，再基於各固定RS-CC-MQAM編碼調製方式的BER性能，對平均RSSI範圍進行分段，使每種RS-MQAM編碼調製方案對應於一個平均RSSI範圍，然後應用反映信道波動的標準差σ參數得到自適應RS-MQAM編碼調製系統的RSSI轉換門限R0，R1，R2，…等。期望誤碼BERq可以根據系統的實際需求確定，一般在數據通信中期望誤碼率低於10-6，而在語音通信中期望誤碼率低於10-3。
步驟150，估計誤碼率BERg，並與期望誤碼率值BERq進行比較。如果BERg≤BERq，則轉到160；否則，調整時間窗參數，然後返回到120。
步驟160，根據得到的調製和編碼方式MCS進行調製和編碼。實現中可以採用如下的MCS對應的調製編碼表。

例如，當閾值R1＜平均RSSI＜閾值R2時，調製編碼方式選取為M2，這時調製方式為QPSK，編碼方式為級聯的RS(32，24，4)碼和碼率為1/2的卷積碼。
步驟170，調整時間窗參數k←k+1。
在移動通信環境中，無線信道在時間上呈現時間選擇性衰落，信道的時變引起都卜勒頻率擴展，至於是快衰落還是慢衰落還要看具體應用如果相干時間遠小於傳輸一個信道編碼塊的持續時間，那麼就可以認為是快衰落，否則認為是慢衰落。
例如在時間窗W2內，調製方式為M1＝BPSK時，系統誤碼率仍然不能滿足要求，表明信道的時變引起的都卜勒頻率擴展，相應的相干時間小於傳輸一個信道編碼塊的持續時間，可以認為是快衰落，這時需要調整時間窗參數k←k+1，即將時間窗切換為較小一級的W3，從而彌補時間選擇性衰落帶來的影響。
圖2是本發明所述的自適應調製和編碼方法在特定時間窗內的判別圖。
圖中橫坐標代表時間窗內的平均RSSI，其中R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7是不同區段的閾值，當平均RSSI由一個區段滑到另一個區段時，導致調製編碼方式MCS的切換；縱坐標代表RSSI的標準差，其中σM是標準差的閾值，當標準差σ大於閾值σM，會導致時間窗的切換。
例如，當閾值R5＜平均RSSI＜閾值R6時，調製編碼方式選取為M6，這時調製方式為64QAM，編碼方式為級聯的RS(108，96，6)碼和碼率為3/4的卷積碼。
而如果此時RSSI的標準差σ大於閾值σM，則應選擇下較低階的調製方式M5，依次類推。
圖3是本發明所述的動態適配時間窗選擇方法圖。
一般來說，當調製和編碼方式為最低階，且估計誤碼率大於期望誤碼率時，即MCS＝M1，且BERg＞BERq時，將時間窗參數進行調整，即k←k+1，對應的時間窗切換為較小一級。以以彌補時間選擇性衰落帶來的影響，使得系統既不會因發送的錯誤率過高而導致效率下降；也不會因調製編碼方式設計過於保守，使得系統運行在較低頻譜效率的調製編碼方式上。
權利要求
1.一種正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於，包括如下步驟第一步，設置初始時間窗；第二步，根據時間窗參數，得到適配時間窗；第三步，基站估計下行發送時間窗內的平均RSSI值及其標準差；第四步，根據平均RSSI值及其標準差查詢自適應調製和編碼判別圖得到對應調製和編碼方式；第五步，估計誤碼率值，並與期望誤碼率值進行比較如果估計誤碼率值≤期望誤碼率值，則轉到第六步；否則，調整時間窗參數，然後返回到第二步；第六步，根據得到的調製和編碼方式進行調製和編碼。
2.如權利要求1所述的正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於所述第一步中，選窗長最大的時間窗作為初始時間窗。
3.如權利要求1所述的正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於所述第二步中，時間窗對應終端不同的終端移動速度，將通過估計信道相干時間進行確定。
4.如權利要求1所述的正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於所述第三步中，平均RSSI值及其標準差是通過前次接收上行信道的RSSI值及其標準差得出的。
5.如權利要求1所述的正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於所述第三步中，平均RSSI值及其標準差是由接收終端估計RSSI值及其標準差，並反饋給基站的。
6.如權利要求1所述的正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於所述第四步中，所述自適應調製和編碼判別圖是在確保估計誤碼率不高於期望誤碼率值做出的；所述自適應調製和編碼判別圖中的參數是通過仿真和推算得到的；所述期望誤碼可以根據系統的實際需求確定。
7.如權利要求1所述的正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於所述第五步中的調整時間窗參數，是指將時間窗切換為較小一級。
8.如權利要求1所述的正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，其特徵在於若調製編碼方式為最低階，且估計誤碼率大於期望誤碼率時，將時間窗參數進行調整，對應的時間窗切換為較小一級。
全文摘要
本發明公開了一種正交頻分復用系統中的自適應調製和編碼方法，包括第一步，設置初始時間窗；第二步，根據時間窗參數，得到適配時間窗；第三步，基站估計下行發送時間窗內的平均RSSI值及其標準差；第四步，根據平均RSSI值及其標準差查詢AMC判別圖得到對應調製和編碼方式；第五步，估計誤碼率值，並與期望誤碼率值進行比較如果估計誤碼率值≤期望誤碼率值，則轉到第六步；否則，調整時間窗參數，返回到第二步；第六步，進行調製和編碼。本發明能更精確的得到適合於當前信道的調製和編碼方式，增強了AMC的實效性，降低了系統中斷的可能性，提高了系統的頻譜效率，同時減少了錯誤率。
文檔編號H04L1/00GK101087287SQ20061008312
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月5日 優先權日2006年6月5日
發明者王衍文, 蔣小奎, 張力 申請人:中興通訊股份有限公司