CN101615974B - 用于通信系统的调制编码集合的设计方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于通信系统的调制编码集合的设计方法和装置。该调制编码集合的设计方法根据通信系统中的接收信号质量的概率分布，来设计合适的调制编码方案集合以优化该通信系统的整体性能，该方法包括以下步骤：获得所述通信系统的接收信号质量的概率分布；和通过基于所获得的接收信号质量的概率分布以及多个调制编码方案，对所述通信系统的目标性能进行计算，来为所述通信系统设计合适的调制编码方案集合，使得在所述接收信号质量出现概率越高的区域，设置有越多的调制编码方案级别。

Description

用于通信系统的调制编码集合的设计方法和装置
技术领域
本发明涉及通信系统的调制编码集合设计，更具体地说涉及用于通信系统的调制编码集合的设计方法和装置，其使得能够实现最优的系统性能，例如系统吞吐量。
背景技术
任何通信系统都必然会受到传输介质的影响从而降低传输可靠性。为了提高传输可靠性，通常需要在收发两端设计调制解调、信道编解码技术，这一点在无线传输系统中尤为突出。
每种调制编码方案(MCS，Modulation and Coding Scheme)组合都具有对应的频谱效率，例如：QPSK调制和码速率为1/2的卷积码或者Turbo码相结合可以实现1比特/符号的传输效率。改变调制阶数(QPSK、M-PSK、16QAM、M-QAM等)以及码速率(1/2、2/3、3/4等)，可以实现多个MCS组合。不同的MCS应用于不同的传输环境，例如：传输条件好的信道可以用频谱效率较高的MCS来传输更多的信息；相反，传输条件差的信道可以用频谱效率较低的MCS来传输少的信息，从而保证传输质量。
通常，在通信系统中，传输条件的好坏可以用接收信干噪比(SINR，Signal to Interference plus Noise Ratio)来衡量。当然还可以用其他指标来表示信道质量。在给定SINR下，为达到某种传输要求，比如传输差错率低于某个门限(比如10％的误块率(BLER，Block Error Rate))，可以选择尽可能高的谱效率的MCS。每种MCS在不同SINR下有不同的BLER，这可以用BLER-SINR曲线表示。根据不同的接收SINR来选择不同的MCS可以尽可能提高系统传输吞吐量，这种技术称为自适应MCS选择。接收SINR变化范围取决于许多因素，比如：系统配置、传输介质分布、系统服务的用户状态变化等。以蜂窝移动无线通信系统为例，距离基站较近的用户经历无线信号传输衰减较少，接收SINR要大一些，距离基站较远的用户的信号衰减较大，接收SINR就要小一些；对于多基站复用因子为1的蜂窝系统，位于小区边缘的用户受到非服务基站的干扰，SINR比位于小区中心的用户的SINR要低一些。总之，系统配置以及用户状态等因素决定了每个用户接收SINR的大小。从统计意义上来说，用户接收SINR的大小可以用概率分布，比如累计概率分布(CDF，Cumulate DensityFunction)或者概率密度函数(PDF，Probability Density Function)来表示。从这些分布曲线，我们可以大致知道系统中用户的SINR变化范围。
为了尽可能利用系统容量，自适应MCS选择必须尽可能反映当前传输信道条件，即，在当前接收SINR值下选择达到BLER要求的尽可能高谱效率的MCS。当然，接收端还必须把选择好的MCS通过一定方式通知发送端以便发送端正确发送。由于发送MCS消息也要占用传输信道，系统可以支持的MCS组合也不能设置的无限多，许多通信标准中都规定了收发双方可以支持的MCS组合。比如：IEEE 802.16E标准[1]中规定了以下11种MCS组合：QPSK1/2重复因子6，QPSK1/2重复因子4，QPSK1/2重复因子2，QPSK1/2，QPSK3/4，16QAM1/2，16QAM3/4，64QAM1/2，64QAM2/3，64QAM3/4，64QAM5/6。
目前的研究主要是讨论给定谱效率设计MCS的结构，即设计调制方案以及编码器的结构使得BLER-SINR曲线更陡峭，也就是说使得给定SINR下的BLER更小。然而，从系统设计的角度考虑，在给定MCS组合个数的条件下，如何设计MCS和谱效率级别，即，系统需要支持哪几种MCS和谱效率级别，可以使得系统的容量最大化，对于改进通信系统的整体性能有着非常重要的意义。
以下列出本申请的参考文献，通过引用将它们并入于此，如同在本说明书中作了详尽描述。
1、[非专利文献1]：IEEE P802.16e/D12-Draft IEEE Standard for Localand Metropolitan area Networks-Part 16：Air Interface for Fixed and MobileBroadband Wireless Access Systems-Amendment for Physical and MediumAccess Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation inLicensed Bands，Institute of Electrical and Electronic Engineers，New York，NY，USA，October 2005，
2、[非专利文献2]Harsini and Lahouti.Optimized link adaptation forwireless packet communications based on discrete-rate modulation andcoding schemes，Signal Processing Advances in Wireless CommunicationsIEEE 2007，
3、[非专利文献3]T.Sampei，S.Morinaga.Symbol rate and modulationlevel controlled adaptive modulation/TDMA/TDD for personalcommunication systems，IEEE VTC 1995，
4、[非专利文献4]Rohling and Grunheid R.Adaptive coding andmodulation in an OFDM-TDMA communication system，IEEE VTC 1998。
发明内容
鉴于现有技术中的上述问题，提出了本发明。本发明提出了基于概率方法以提高系统吞吐量为目标的MCS级别设计方法。使用本发明的方法，可以在设计通信系统时确定系统需要支持的MCS级别，或者可以在通信系统配置发生改变时修订已有的MCS级别，以充分利用系统容量。
本发明结合不同MCS级别下的差错性能曲线以及对应的谱效率，以及不同系统配置下的接收信号质量的概率分布，以系统吞吐量为最终设计目标来选择适合当前系统配置的MCS集合，并且指导选择MCS具体方案，包括对应的调制方式以及编码方式等。使用本发明的方法，可以在设计通信系统时确定系统需要支持的MCS级别，或者可以在通信系统配置发生改变时修订已有的MCS级别，以充分利用系统容量。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于根据该通信系统中的接收信号质量的概率分布来为该通信系统设计调制编码方案集合的方法，其中，该方法包括以下步骤：获得所述通信系统的接收信号质量的概率分布；基于所获得的接收信号质量的概率分布以及多个调制编码方案，遍历从所述多个调制编码方案中选择的各种可能的调制编码方案集合，对所述通信系统的目标性能进行计算，从而为所述通信系统设计合适的调制编码方案集合，使得在所述接收信号质量出现概率越高的区域，设置有越多的调制编码方案级别。
根据上述方法，其中，所述接收信号质量是接收信号的信干噪比。
根据上述方法，其中，所述接收信号质量的概率分布是在所述通信系统的网络实际布置之前通过系统仿真，或者在所述通信系统的网络已被布置的情况下通过实际路测而获得的。
根据上述方法，其中，基于所获得的所述通信系统的信干噪比的概率分布以及预定的多个调制编码方案中的每一个的差错性能曲线，遍历从所述预定的多个调制编码方案中选择的各种可能的调制编码方案集合，对所述通信系统的系统吞吐量进行计算，来为所述通信系统选择合适的调制编码方案集合。
根据上述方法，其中，通过对下式表示的所述通信系统的系统吞吐量进行计算，来为所述通信系统设计合适的调制编码方案集合：
T = x 0 ∫ - ∞ S 0 BLER ( x 0 , p ) f ( p ) dp + Σ i = 0 M - 2 x i ∫ S i S i + 1 BLER ( x i , p ) · f ( p ) dp + x M - 1 ∫ S M - 1 + ∞ BLER ( x M - 1 , p ) f ( p ) dp
其中，p为所述信干噪比的值，f(p)为所述信干噪比的概率分布函数，xi为第i个调制编码方案的频谱效率，i为小于M的整数，BLER(xi，p)是针对第i个调制编码方案以及信干噪比值p的误块率，T表示所述通信系统的系统吞吐量，参数Si和Si+1被选择为使得BLER(xi，si)≤BLER_Threshold并且BLER(xi+1，si+1)≥BLER_Threshold，BLER_Threshold是根据系统要求选择的门限值。
根据上述方法，其中，该方法还包括以下步骤：根据指定的多个谱效率，设计与各谱效率对应的多个调制编码方案；通过仿真获得各调制编码方案的差错性能曲线；以及遍历所有可能的谱效率以及与此对应的调制编码方案，基于所述接收信号质量的概率分布以及所获得的调制编码方案的差错性能曲线，对所述通信系统的目标性能进行计算，来为所述通信系统选择合适的调制编码方案集合。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于根据该通信系统中的接收信号质量的概率分布来为该通信系统设计调制编码方案集合的装置，其中，该装置包括：接收信号质量获得部，其获得所述通信系统的接收信号质量的概率分布；和调制编码方案集合设计部，其基于所获得的接收信号质量的概率分布以及多个调制编码方案，遍历从所述多个调制编码方案中选择的各种可能的调制编码方案集合，对所述通信系统的目标性能进行计算，从而为所述通信系统设计合适的调制编码方案集合，使得在所述接收信号质量出现概率越高的区域，设置有越多的调制编码方案级别。
根据上述装置，其中，所述调制编码方案集合设计部包括：调制编码方案设计单元，其根据指定的多个谱效率，设计与各谱效率对应的多个调制编码方案；差错性能曲线获得单元，其通过仿真获得各调制编码方案的差错性能曲线；以及调制编码方案集合选择单元，其遍历所有可能的谱效率以及与此对应的调制编码方案，基于所述接收信号质量的概率分布以及所获得的调制编码方案的差错性能曲线，对所述通信系统的目标性能进行计算，来为所述通信系统选择合适的调制编码方案集合。
根据本发明的第三方面，还提供了一种计算机程序，该计算机程序在被加载到计算机中并由该计算机执行时，可以实现前面所述的本发明的用于设计通信系统中的调制编码方案集合的方法。
根据本发明的第四方面，还提供了一种包含上述计算机程序的计算机可读记录介质，该计算机可读记录介质可以由计算机读取以将所包含的计算机程序加载到该计算机中并由该计算机执行该计算机程序，从而实现前面所述的本发明的用于设计通信系统中的调制编码方案集合的方法。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，来表示实施本发明的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的范围不受此限制。相反，本发明包括落入所附权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
应当强调的是，词语“包括”当在本说明书中使用时用来指所述特征、整数、步骤或组成部分的存在，但不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、组成部分或它们的组合的存在或增加。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，例示了本发明的优选实施方式，并与文字说明一起用来解释本发明的原理，其中：
图1是示出通过仿真获得的通信系统中的接收信号的SINR的概率分布图(PDF)；
图2是示出针对一调制编码方案(MCS)的用误块率(BLER)与SINR之间的关系表示的误码性能曲线；
图3示出了4个MCS级别的BLER曲线；
图4示出了根据本发明一实施例的调制编码方案集合设计方法的总体过程的流程图；以及
图5示出了根据本发明另一实时方式的调制编码方案集合设计方法的总体过程的流程图。
具体实施方式
一个通信系统中的收发双方可以支持的MCS级别可以有很多种，如前所述，不同的调制方式与不同码速率的信道编码方案相结合可以产生多种频谱效率不同的MCS级别。
本发明主要解决两类问题。一类问题是，从已知的多种MCS中选择合适的MCS集合，以使通信系统的整体性能(系统吞吐量)最大化；另一类问题是，为一个新的通信系统或者配置改变后的通信系统，设计新的MCS集合，以使通信系统的整体性能(系统吞吐量)最大化。
为实现上述目的，首先需要统计系统接收端的接收信号SINR的概率分布。关于接收信号SINR的概率分布，例如，在实际布置通信系统的网络之前，可以通过系统仿真得到，或者在已经布置了通信系统的网络的情况下，可以通过实际路测得到。为了反映真实情况，需要统计不同基站下的用户的接收信号SINR。
图1例示了一个通过系统仿真得到的接收信号SINR的概率分布图(PDF)。从图中可以看到，不同的SINR值的出现概率是不同的，在这个示例中，中间范围的SINR值的出现概率比较高。当然，对于不同的网络配置，接收信号SINR的概率分布也会有所不同。下面以该图为例说明如何设计MCS级别来使得通信系统容量最优化。
通常，接收SINR的值变化范围很大，如从图1中可以看出，SINR的变化范围可以从-30dB到+30dB。同时应该注意到，SINR值处于中间范围(-10～10dB)的概率要高一些，这是因为，在蜂窝无线通信系统中，每个用户必然为某个服务基站所覆盖，因此大多数用户的SINR的变化范围不会很大。为此，我们可以考虑基于SINR值的变化特性来优化MCS级别。
简单来说，在SINR出现概率较高的区域，可以设置更多的MCS级别，而在SINR出现概率较低的区域，可以设置较少的MCS级别。即，当SINR分布不是均匀分布时，对应的MCS级别也设计成不是均匀分布的；当SINR分布是均匀分布时，MCS级别也设计成均匀的。这样，通过MCS级别设计与SINR分布相匹配，从而达到系统容量最大化的目的。
下面我们通过简单的公式计算来表明我们的方法。假定系统中可以支持的MCS级别共有M种(如前所述，考虑到传输MCS消息需要传输信道，MCS级别不能无限多)。假定需要设计的参数为寻找谱效率集合{xi}M，其中xi为第i个MCS级别MCSi对应的频谱效率。实现每个谱效率的MCS都有对应的误码性能曲线，其可以表示为SINR的函数，如图2所示。
优化目标为最大化以下公式(1)：
T = x 0 ∫ - ∞ S 0 BLER ( x 0 , p ) f ( p ) dp + Σ i = 0 M - 2 x i ∫ S i S i + 1 BLER ( x i , p ) · f ( p ) dp + x M - 1 ∫ S M - 1 + ∞ BLER ( x M - 1 , p ) f ( p ) dp
，其中，p为SINR值，f(p)为SINR的PDF函数。BLER(xi，p)是给定MCSi和SINR值为p时的BLER。选择Si和Si+1使得BLER(xi，si)≤BLER_Threshold并且BLER(xi+1，si+1)≥BLER_Threshold。门限值BLER_Threshold可以根据系统要求来选择(例如：某些系统的要求为10％)。需要优化的参数为BLER(xi，p)以及{xi}M，优化的方法可以用通用优化技术来完成，也可以通过简化上式来优化，这里不再详述。
下面以M＝4来举例说明我们的方法。图3例示了4个MCS级别的BLER曲线(可以设计具体的调制编码方案改变BLER曲线)。优化问题可以表示为以下公式(2)：
T = x 0 ∫ - ∞ S 0 BLER ( x 0 , p ) f ( p ) dp + x 0 ∫ S 0 S 1 BLER ( x 0 , p ) f ( p ) dp
+ x 1 ∫ S 1 S 2 BLER ( x 1 , p ) f ( p ) dp + x 2 ∫ S 2 S 3 BLER ( x 2 , p ) f ( p ) dp + x 3 ∫ S 3 + ∞ BLER ( x 3 , p ) f ( p ) dp
以上问题可以通过遍历搜索法解决。优化的参数为不同的谱效率集合{xi}M以及每种谱效率下的对应MCS的BLER(xi，p)曲线。因为BLER(xi，p)曲线与具体的调制编码方案相关，例如：有些系统中不同的谱效率通过仅仅通过改变编码器的打孔方案(puncture)来实现，不同的打孔方案有不同的BLER曲线。这样，通过改变谱效率以及产生的BLER曲线，我们可以计算出对应的谱效率集合下的系统吞吐量。从各种集合中选择导致最大系统吞吐量的谱效率集合以及MCS方案，就是在该系统配置下最优的MCS集合。
下面分别参照图4、5来对本发明的通信系统的MCS集合设计方法进行描述。图4例示了从预定的多个MCS中选择合适的MCS集合的方法，而图5例示了设计全新的MCS集合的方法。
如图4所示，在步骤S410，首先通过系统仿真或者实际路测来获得通信系统的接收信号SINR的概率分布。需要说明的是，也可以采用其它的接收信号质量指标。
接着，在步骤S420，基于所获得的接收信号SINR，根据前面描述的本发明的计算方法，从预定的多个MCS中选择合适的MCS集合。具体来说，针对所需的MCS级别的个数，从所述多个MCS中选择各种可能的MCS集合。对于这些选择的MCS集合中的每一个，都通过公式(1)来计算系统吞吐量。其中，使得系统吞吐量最大的MCS集合即为最终要使用的MCS集合。
另外，对于新的通信系统，可以根据本发明的方法为其设计新的合适的MCS集合。
参照图5，首先，在步骤S510，通过系统仿真或者实际路测来获得通信系统的接收信号SINR的概率分布。需要说明的是，也可以采用其它的接收信号质量指标。
接着，在步骤S520，指定一组谱效率，针对这些谱效率，分别设计相应的MCS。需要说明的是，基于谱效率来设计相应的MCS是本领域已知的技术，并非本发明的关键，在此不再详述。
接着，在步骤S530，对各MCS的差错性能曲线进行仿真。
接着，在步骤S540，基于在步骤S510获得的SINR的概率分布以及在步骤S530获得的差错性能曲线，通过公式(1)来计算系统吞吐量。遍历所有可能的谱效率以及相应设计的MCS，来执行该计算，并搜索使所计算出的系统吞吐量最大的谱效率集合和MCS集合。这样，即为通信系统设计了合适的谱效率级别和MCS级别。
上述本发明的用于通信系统的调制编码集合设计方法，适用于任意的多址通信系统、广播/组播/单播通信系统，这些通信系统可以基于任意的多址技术，如OFDMA、CDMA、TDMA等。
尽管以上仅选择了优选实施例来例示本发明，但是本领域技术人员根据这里公开的内容，很容易在不脱离由所附权利要求限定的发明范围的情况下进行各种变化和修改。上述实施例的说明仅是例示性的，而不构成对由所附权利要求及其等同物所限定的发明的限制。

Claims (6)

1.一种用于根据通信系统中的接收信号质量的概率分布来为该通信系统设计调制编码方案集合的方法，
其特征在于，该方法包括以下步骤：
获得所述通信系统的接收信号质量的概率分布；
基于所获得的接收信号质量的概率分布以及多个调制编码方案，遍历从所述多个调制编码方案中选择的各种可能的调制编码方案集合对所述通信系统的目标性能进行计算，来为所述通信系统设计合适的调制编码方案集合，使得在所述接收信号质量出现概率越高的区域，设置有越多的调制编码方案级别；
根据指定的多个谱效率，设计与各谱效率对应的多个调制编码方案；
通过仿真获得各调制编码方案的差错性能曲线；以及
遍历所有可能的谱效率以及与此对应的调制编码方案，基于所述接收信号质量的概率分布以及所获得的调制编码方案的差错性能曲线，对所述通信系统的目标性能进行计算，来为所述通信系统选择合适的调制编码方案集合。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述接收信号质量是接收信号的信干噪比。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述接收信号质量的概率分布是在所述通信系统的网络实际布置之前通过系统仿真，或者在所述通信系统的网络已被布置的情况下通过实际路测而获得的。
4.如权利要求2所述的方法，其中，基于所获得的所述通信系统的信干噪比的概率分布以及预定的多个调制编码方案中的每一个的差错性能曲线，遍历从所述预定的多个调制编码方案中选择的各种可能的调制编码方案集合，对所述通信系统的系统吞吐量进行计算，来为所述通信系统选择合适的调制编码方案集合。
5.如权利要求4所述的方法，其中，通过对下式表示的所述通信系统的系统吞吐量进行计算，来为所述通信系统设计合适的调制编码方案集合：
T = x 0 ∫ - ∞ S 0 BLER ( x 0 , p ) f ( p ) dp + Σ i = 0 M - 2 x i ∫ S i S i + 1 BLER ( x i , p ) · f ( p ) dp + x M - 1 ∫ S M - 1 + ∞ BLER ( x M - 1 , p ) f ( p ) dp
其中，p为所述信干噪比的值，f(p)为所述信干噪比的概率分布函数，xi为第i个调制编码方案的频谱效率，i为小于M的整数，BLER(xi，p)是针对第i个调制编码方案以及信干噪比值p的误块率，T表示所述通信系统的系统吞吐量，参数Si和Si+1被选择为使得BLER(xi,si)≤BLER_Threshold并且BLER(xi+1,si+1)≥BLER_Threshold，BLER_Threshold是根据系统要求选择的门限值，其中所述M是所述通信系统支持的调制编码方案级别的种类数。
6.一种用于根据通信系统中的接收信号质量的概率分布来为该通信系统设计调制编码方案集合的装置，其特征在于，该装置包括：
接收信号质量获得部，其获得所述通信系统的接收信号质量的概率分布；和
调制编码方案集合设计部，其基于所获得的接收信号质量的概率分布以及多个调制编码方案，遍历从所述多个调制编码方案中选择的各种可能的调制编码方案集合对所述通信系统的目标性能进行计算，来为所述通信系统设计合适的调制编码方案集合，使得在所述接收信号质量出现概率越高的区域，设置有越多的调制编码方案级别，
其中，所述调制编码方案集合设计部包括：
调制编码方案设计单元，其根据指定的多个谱效率，设计与各谱效率对应的多个调制编码方案；
差错性能曲线获得单元，其通过仿真获得各调制编码方案的差错性能曲线；以及
调制编码方案集合选择单元，其遍历所有可能的谱效率以及与此对应的调制编码方案，基于所述接收信号质量的概率分布以及所获得的调制编码方案的差错性能曲线，对所述通信系统的目标性能进行计算，来为所述通信系统选择合适的调制编码方案集合。
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