CN101087286A - 一种正交频分复用系统中的自适应调制和编码方法 - Google Patents
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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1/EVM值及其标准差；第四步，根据平均1/EVM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
技术领域
本发明涉及无线通信中的调制编码领域，具体涉及正交频分复用(OFDM，Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)系统中自适应调制和编码方法。
背景技术
无线信道的一个重要特点是多径传播，它使接收信号相互重叠，产生符号间干扰。当传输速率较高时，信号持续时间越短，相应带宽越宽，若信号带宽超过信道相干带宽时，信道时间弥散特性将对接收信号产生频率选择性衰落。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术能较好地解决这个问题。OFDM在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽远远小于信道带宽，故虽整个信道是非平坦的频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间干扰。由于OFDM具有抗多径能力强，频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，获得广泛的应用。
实际上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，与正交幅相调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)等高阶调制的组合才能更好地体现出它的高频谱利用率。自适应正交频分复用是将自适应调制和编码(AMC，Adaptive Modulation andCoding)技术应用到OFDM系统中，通过对信道参数的估计，动态地改变调制和编码方式以适应信道的要求，达到最佳传输效果，满足通信服务质量的要求。
在正交频分复用系统中，链路自适应技术常将接收到的符号信噪比(SNR，Signal NoiseRatio)或反映接收信号星座集合大小的误差矢量振幅(EVM，Error Vector Magnitude)作为信道品质信息(CQI，Channel Quality Indicator)来使用，自适应调制和编码可以在不同SNR或EVM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EVM可位于预先定义的EVM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。
专利申请CN200510059500.3“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，这是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。
在考虑接收信号平均1/EVM的同时，通过估计1/EVM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1/EVM值及其标准差；
第四步，根据平均1/EVM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1/EVM值及其标准差是通过前次接收上行信道的1/EVM值及其标准差得出的。
所述第三步中，平均1/EVM值及其标准差是由接收终端估计1/EVM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1/EVM值估计无线信道的特性，并通过1/EVM值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EVM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方法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Wk，k∈1，2，…，K。
适配时间窗Wk，k＝1，2，…，K分别对应终端不同的终端移动速度vk，k＝1，2，…，K，可以通过估计信道相干时间确定，相干时间tk＝λ·vc/(vk·f)，k＝1，2，…，K，其中λ是经验系数，vc是光速，vk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1/EVM值及其标准差σ。
基站估计下行发送时间窗内的平均1/EVM值及其标准差σ，是通过前次接收上行信道的1/EVM值及其标准差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1/EVM值及标准差，并反馈给基站作为基站发送时选择调制和编码的依据。
步骤140，根据1/EVM值及其方差查询AMC判别图得到对应调制和编码方式MCS。
AMC判别图列出了，在给定1/EVM，且确保估计误码率BERg不高于期望误码率值BERq情况下，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-MQAM加编码的系统BER性能，再基于各固定RS-MQAM编码调制方式的BER性能，对平均1/EVM范围进行分段，使每种RS-MQAM编码调制方案对应于一个平均1/EVM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1/EVM转换门限R0，R1，R2，…等。期望误码BERq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BERg，并与期望误码率值BERq进行比较：
如果BERg≤BERq，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1/EVM＜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，是指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1/EVM，其中R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7是不同区段的阈值，当平均1/EVM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1/EVM的标准差，其中σM是标准差的阈值，当标准差σ大于阈值σM，会导致时间窗的切换。
例如，当阈值R5＜平均1/EVM＜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1/EVM的标准差σ大于阈值σM，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BERg＞BERq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1/EVM值及其标准差；
第四步，根据平均1/EVM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。
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1/EVM值及其标准差是通过前次接收上行信道的1/EVM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1/EVM值及其标准差是由接收终端估计1/EVM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；
所述期望误码可以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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