CN102271026B - 用于高级长期演进系统上行链路的闭环自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高级长期演进系统上行链路的闭环自适应传输方法，根据上行链路的信道状态信息，移动终端选择合适的信号传输模式以自适应于信道的变化。该方法具体包括：a、基站接收经过多天线信道传输的信号，对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得发送带宽内的链路信道参数；b、基站根据获得的信道参数，基于互信息量性能准则进行秩（即空分复用层数）、预编码矩阵的联合选择，然后依据平均信噪比映射准则进行调制编码方式选择，最后将选择的秩指示（RI）、预编码矩阵在码本中的序号即预编码矩阵指示（PMI）和选择的调制编码方式所对应的信道质量指示（CQI）送至反馈信道；c、移动终端利用从反馈信道获得的RI、PMI和CQI参数进行自适应传输。

Description

用于高级长期演进系统上行链路的闭环自适应传输方法

技术领域

本发明涉及高级长期演进（LTE-Advanced，简称LTE-A）系统，尤其涉及该系统的上行链路在不同信道状态下的自适应传输方法。

背景技术

LTE-A作为4G的候选技术，是在LTE核心技术基础上的平滑演进，与LTE保持后向兼容。LTE-A的主要性能指标是在100MHZ带宽下能够提供下行1Gbps、上行500Mbps的峰值速率，可以有效的支持新频段及大带宽的应用，峰值速率大幅度提高，频谱效率有效地改进。LTE-A系统中为了提升峰值频谱效率和平均频谱效率，在上下行链路都扩充了发射/接收支持的最大天线个数，允许上行最多4天线4层发送，下行最多8天线8层发送，从而LTE-A中需要考虑更多天线数配置下的多天线信号传输方式。移动终端在移动的过程中，传输链路信道可能发生变化，系统的信道容量随之而变，上行链路信号传输技术必须能够自适应于信道的变化，以提升系统的空分复用增益。

在3GPPLTE-A的标准中，为了降低移动终端发送信号的峰均比，上行链路采用单载波频分多址（SC-FDMA）的传输技术，这可以使得移动终端的覆盖范围更大或者移动终端功率损耗更低，同时这也使得上行链路自适应传输方法与下行链路有所不同。上行链路自适应传输需要在移动终端利用信道的先验信息，它可以是完全信道状态信息或部分信道状态信息。在典型移动通信环境下，尤其是当移动终端高速移动时，信道是快速变化的，无法确知完全的信道状态信息。理论研究表明，当发射机利用部分信道状态信息进行传输时，多天线系统的信道容量和传输可靠性同样可得到较大的提高。在3GPPLTE-A闭环空分复用模式下，基站通过反馈三个参数自适应信道的变化：秩指示（RI,RankIndication）、预编码矩阵指示（PMI,PrecodingMatrixIndication）和信道质量指示（CQI,ChannelQualityIndication）。移动终端接收到基站反馈的信息后，根据RI确定可独立传输的层的个数及码字的个数，根据PMI从相应的码本中选择预编码矩阵，根据CQI确定每个码字的调制编码方式。

本发明针对LTE-A系统上行链路采用多天线配置、单载波传输等特性，提出了适合上行链路特性的自适应传输方法。首先基于一个互信息量性能指标，联合评估PMI和RI；然后，评估CQI，使得系统的误帧率不超过设定值。因此，用于LTE-A上行链路的闭环自适应传输方法，可以在保持传输信号单载波特性、保持设定误帧率的条件下，提升系统的频谱效率。

发明内容

技术问题：本发明提供一种用于高级长期演进系统LTE-A上行链路的闭环自适应传输方法，能够应用于LTE-A系统上行链路中，其基本特点是能够根据上行链路信道环境自适应的选择合适的信号传输模式，最大限度的提升上行链路系统的频谱利用效率。

技术方案：本发明的用于高级长期演进系统上行链路的闭环自适应传输方法，根据上行链路的信道状态信息，移动终端选择合适的信号传输模式自适应于信道的变化，该方法具体为：

a、基站对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得发送带宽内的链路信道参数；

b、基站根据获得的信道参数，基于互信息量性能准则进行秩、预编码矩阵的联合选择，然后依据平均信噪比映射准则进行调制编码方式选择，最后将选择的秩指示RI、预编码矩阵在码本中的序号即预编码矩阵指示PMI和选择的调制编码方式所对应的信道质量指示CQI送至反馈信道；

c、移动终端从反馈信道获得RI、PMI和CQI三个自适应参数，根据RI确定层数和码字个数，根据CQI确定每个码字的调制编码方式，根据PMI选择预编码矩阵进行预编码操作。

根据上行链路的信道状态信息，基站计算自适应参数并通过反馈信道送至移动终端，移动终端利用反馈参数调整信号传输模式。其中预编码码本基于LTE-A标准中预定义的码本，调制编码方式从LTE-A标准中预定义的调制方式和编码速率组合表中选择。

基站对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得发送带宽内的链路信道参数，这些链路信道参数包括：频域信道矩阵、噪声方差。

基站根据获得的信道参数，基于互信息量性能准则进行秩、预编码矩阵的联合选择，然后依据平均信噪比映射准则进行调制编码方式选择，并将选择的RI、PMI与CQI送至反馈信道。

移动终端从反馈信道获得RI、PMI和CQI三个自适应参数，根据RI确定传输信号层数和码字个数，根据CQI确定每个码字的调制编码方式，根据PMI选择预编码矩阵进行预编码操作。

有益效果：本发明实施例提供的用于LTE-A系统上行链路的闭环自适应传输方法，具有以下优点：

1、本方法针对LTE-A上行链路的单载波特性，解决了多天线SC-FDMA系统中的自适应传输问题；

2、本方法中，用户可以利用LTE-A标准中定义的码本，可以在保持发送信号低峰均比的条件下，最大化上行链路空分复用增益；

3、本方法能够充分利用信道状态信息，在保持一定误帧率的条件下，提高频谱效率、以及信号传输的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于高级长期演进系统LTE-A上行链路的闭环自适应传输方法的系统框图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种用于高级长期演进系统LTE-A上行链路的闭环自适应传输方法，它能够自适应于信道环境的变化，根据上行链路的信道状态信息，移动终端选择合适的信号传输模式自适应于信道的变化，该方法具体为：

a、基站对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得发送带宽内的链路信道参数；

b、基站根据获得的信道参数，基于互信息量性能准则进行秩、预编码矩阵的联合选择，然后依据平均信噪比映射准则进行调制编码方式选择，最后将选择的秩指示RI、预编码矩阵在码本中的序号即预编码矩阵指示PMI和选择的调制编码方式所对应的信道质量指示CQI送至反馈信道；

c、移动终端从反馈信道获得RI、PMI和CQI三个自适应参数，根据RI确定层数和码字个数，根据CQI确定每个码字的调制编码方式，根据PMI选择预编码矩阵进行预编码操作。

下面将对本发明实施例中的自适应传输算法进行详细描述。

一、信道状态信息获取与后验信干噪比（Post-SINR）计算

（1）信道状态信息获取

与LTE-A下行链路相同，在LTE-A上行链路也需要参考信号用于信道估计，从而可以使得接收端可以对不同的上行链路物理信道进行相干解调。基站接收到经过MIMO（MultipleInputMultipleOutput）信道传输的信号之后，对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得一个时频资源块内各时频资源的信道状态信息，本实施例中需要获得的信道状态信息包括：频域信道矩阵、噪声方差。

（2）Post-SINR计算

为了描述方便，本实施例假设在LTE-A上行链路系统中，移动终端具有N_T个发送天线，基站侧有N_R个接收天线，此时传输信道为多天线发送和多天线接收信道，即MIMO信道。设y_k表示第k(k=0,1,…,K-1)个载波上的频域接收信号矢量，则该信号可以具体表示为：

y_k＝H_kU_kx_k+w_k                (1)其中，x_k表示第k个载波上的频域符号矢量，其元素个数为层映射后的层数R，记为x_k＝[x_k,0,…,x_k,R-1]^T，U_k为载波k处N_T×R阶预编码矩阵，H_k表示载波k处的频域信道响应矩阵，w_k为载波k处频域加性高斯噪声，该加性噪声的均值为0，方差为记作 $w_k=[w_{k,0},w_{k,1},...,w_{k,N_R-1}{]}^T.$

对接收到信号y_k进行最小均方误差（MMSE）均衡，MMSE均衡矩阵为：

$A_k={({\mathrm{\Λ}}_k^H{\mathrm{\Λ}}_k+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{N_T})}^{-1}{\mathrm{\Λ}}_k^H---\left(2\right)$

其中Λ_k＝H_kU_k表示等效频域信道矩阵，

表示N_T×N_T维的单位矩阵。对MMSE频域均衡后得到的符号进行IDFT变换，得到各个层在第n时刻的发送调制符号矢量的s_n估计值

${\hat{s}}_n=\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{K}\mathrm{nk}}{A}_k({\mathrm{\Λ}}_k{x}_k+w_k)---\left(3\right)$

其中K为载波数，可以将第n时刻的发送调制符号s_n及其估计值

分别记为s_n＝[s_n,0,…,s_n,R-1]^T， ${\hat{s}}_n={[{\hat{s}}_{n,0},{\hat{s}}_{n,1},...,{\hat{s}}_{n,R-1}]}^T.$

为表述方便，定义 $B_k=A_k{\mathrm{\Λ}}_k={({\mathrm{\Λ}}_k^H{\mathrm{\Λ}}_k+{\mathrm{\σ}}_n^2{I}_{N_t})}^{-1}{\mathrm{\Λ}}_k^H{\mathrm{\Λ}}_k,$ 则公式(3)中的估计符号可以展开为：

(4)

式(4)中[B_k]_i,i表示取矩阵B_k中下标为(i,i)的元素。注意到信号能量是归一化的，且噪声方差为

因此信号功率、干扰信号功率、噪声功率可以分别写为：

$P_s={\left|\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[B_k\right]}_{i,i}\right|}^2---\left(5\right)$

$P_i=\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right[B_k{B_k}^H{]}_{i,i}|-{\left|\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[B_k\right]}_{i,i}\right|}^2---\left(6\right)$

$P_n=\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2}{K}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\left[A_k{A}_k^H\right]}_{i,i}\right|---\left(7\right)$

因此，可以根据式(5)-(7)计算出MMSE后的Post-SINR为：

${\mathrm{\γ}}_{n,i}=\frac{{\mathrm{\μ}}_i}{1-{\mathrm{\μ}}_i}---\left(8\right)$

式(8)中

由式(8)可以知道，γ_n,i是与时刻n无关的量，因此可以省去变量n，γ_n,i变成γ_i，其意义就是第i层上的Post-SINR相同，与具体时刻无关。

二、链路自适应参数计算

在本实施例，基站接收到经过MIMO信道传输的信号之后，对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得发送带宽内的信道参数，并根据信道估计获得的信道参数，进行秩、预编码矩阵和调制编码方式的选择，然后通过反馈RI、PMI和CQI三个参数自适应信道的变化。移动终端接收到基站反馈的信息后，根据RI确定可独立传输的层的个数及码字的个数，根据PMI从相应的码本中选择预编码矩阵，根据CQI确定每个码字的调制编码方式。通常情况下，由于反馈延迟和信号处理硬件的限制，基站同时确定以上三个参数的联合优化方法在实际中具有较大的复杂度。因此，为了降低计算复杂度，本实施例中由两个步骤计算上述三个链路自适应参数。第一步，基于互信息量性能指标，联合评估RI和PMI；第二步，选择CQI，使得译码的误帧率不超过0.1。

（1）秩与预编码矩阵的联合选择

本实施例中对秩与预编码矩阵联合进行选择，即对于一个选定的秩，为每个子带选择一个预编码矩阵使得该子带的容量最大；在选择完预编码矩阵之后，选择使所有子带的和容量最大的秩。

为一个特定时频区域选择预编码矩阵的基本思想是，从码本中选择一个PMI，使得互信息量在该时频区域内最大化。由公式（8）可知，同一个SC-FDMA符号内不同载波上的Post-SINR相同，不同SC-FDMA符号的Post-SINR不同，因此可以用I_n表示符号n上的互信息量。则在由子载波(1,...K)和SC-FDMA符号(1,...N_Sym)组成的时频区域内，PMI的选择原则可表示为：

$W_i=\arg \underset{W_j\∈w_L}{\max }\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{Sym}}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n\left(W_j\right)---\left(9\right)$

式(9)为MMSE均衡后的互信息量，可由MMSE均衡后的Post-SINR进行计算得到，即：

$I_n=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{n,l})---\left(10\right)$

其中，L为传输层的个数，γ_n,l表示第l层、第n个SC-FDMA符号上的Post-SINR。

在LTE-A协议中定义了子带的概念，将整个带宽分为若干个子带，每个子带内使用相同的预编码矩阵，不同的子带上的预编码矩阵可以不同，因此，基站为每个子带分别选择预编码矩阵。假设K_sub为一个子带内的子载波总数，N_sym为一个子帧内的SC-FDMA符号数，N_sub是子带的个数。PMI选择方法中的时频资源为一个子带内的子载波与1个子帧内的SC-FDMA符号组成的时频资源块。PMI和RI的联合选择算法可表示为：

$I_n(W,L)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{n,l})---\left(11\right)$

$I_{n_b}(W,L)=\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{sym}}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{k,n}(W,L)---\left(12\right)$

$W_{L,n_b}=\arg \underset{W\∈w_L}{\max }{I}_{n_b}(W,L)---\left(13\right)$

$N_L=\arg \underset{L}{\max }\underset{n_b=1}{\overset{N_{\mathrm{sub}}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n_b}(W_{L,n_b},L)---\left(14\right)$

综上，对本实施例中秩与预编码矩阵的联合选择方法总结如下：

1)对每个L＝1,...,min{N_T,N_R}和每个预编码矩阵W∈w_L，首先利用式(8)计算第l层第n个SC-FDMA符号上的信干噪比γ_n,l，然后计算第n个SC-FDMA符号上的互信息量I_n(W,L)，计算过程如式(11)所示；

2)对子带n_b＝1,...,N_sub，将该子带内各个SC-FDMA符号上的互信息量相加，得到子带n_b上的总互信息量

如式(12)所示；

3)为每个子带选择预编码矩阵

使得在该预编码阵下，由步骤2）得到的

最大，如式(13)所示；

4)每个子带在使用步骤3）选定的预编码矩阵下，得到子带上最大的总的互信息量为

将所有子带上的互信息量相加，得到整个带宽上的互信息量，选择层的个数N_L，使整个带宽上的互信息量最大化，如式(14)所示，各个子带的预编码矩阵即为当层为N_L时的结果，即

5)根据上述步骤，N_L即为最终选定的层数目，为子带的n_b预编码矩阵，n_b＝1,...,N_sub。

（2）调制编码方式选择

在LTE-A上行链路中，移动终端根据基站反馈的信道质量指示(CQI)选择调制编码方案(MCS，ModulationandCodingScheme)，LTE-A上行链路使用相同的信道编码结构，调制方式可以选择QPSK、16QAM与64QAM。考虑在同一个子帧内某用户占有的所有物理资源块(PRB)上采用相同的调制编码方案，最终该用户发送码字的调制编码方案将根据反馈的CQI确定。在LTE-A上行链路中，基站反馈的CQI应当满足，在误帧率不超过0.1的前提下，最大化吞吐量。因此，基站为每个码字选择MCS时，需要估计使用该MCS对应的误帧率，以使得反馈的MCS可以满足误帧率不超过0.1的要求。MCS选择准则的核心算法可以表示为下面式子：

${\mathrm{MCS}}_{\mathrm{sel}}=\arg {\max }_{i:{\mathrm{BLER}}_i<{\mathrm{BLER}}_{t\arg \mathrm{et}}}\{(1-{\mathrm{BLER}}_i)\&times;N_i\&times;{\mathrm{CR}}_i\}$

上式中BLER_target为选择MCS需要满足的误帧率目标值，N_i和CR_i分别对应第i种MCS中每符号比特数与第i种MCS的码字速率。BLER_i表示选择第i种MCS的误帧率。由于同一个子帧内不同SC-FDMA符号上的Post-SINR不同，因此需要利用一个压缩函数将一个子帧内的一组Post-SINR值映射成一个的信噪比(SNR)值，使得经过映射后的SNR在加性白高斯噪声（AWGN）信道下的误帧率值与系统在当前信道条件下的误帧率值相等，这样就可以通过AWGN信道下的性能来预测各种不同信道条件下的系统性能。本实施例中利用平均信噪比映射的方法，将一个子帧内不同SC-FDMA符号信噪比映射到AWGN信道中的一个等效信噪比，使得在等效的AWGN信道和原先的MIMO信道下，对于同一个MCS具有相似的误帧率性能。

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{eff}}=\frac{1}{N_{\mathrm{sym}}}\underset{l=1}{\overset{L_{\mathrm{CW}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{sym}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_{n,l}---\left(15\right)$

其中，N_sym是一个子帧内的SC-FDMA的符号数。L_CW∈{1,2}是一个码字占用的层数，即一个码字经过编码调制后得到的符号，被映射到一个单独的层，或两个层。

综上所述，本实施例中计算自适应参数CQI的具体方法为：

1)首先对15个CQI指示的MCS，在AWGN信道下，通过仿真得到误帧率和SNR的关系曲线；

2)根据1）得到的曲线，对每个CQI，分别找出误帧率为0.1对应的SNR门限值SNR_th,index，index＝1,...15；

3)利用公式(15)计算得到相应的AWGN信道下的等效信噪比SNR_eff，将其与门限值SNR_th,index进行比较，基站反馈的CQI值为使得等效信噪比SNR_eff不低于SNR_th,index的最大的index，即：

$\mathrm{CQI}=\arg \underset{\mathrm{index}}{\max }\{{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{eff}}\&GreaterEqual;{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{th},\mathrm{index}}\}.$

三、链路信号传输模式调整

在本实施例中，基站通过自适应传输方法计算得到链路自适应参数，并将自适应参数通过反馈信道发送至移动终端，需要说明的是对于上链路的反馈信道一般为下行共享信道或者下行控制信道。移动终端收到来自反馈信道的信息后，根据RI确定码字和层的个数，根据CQI确定每个码字的编码调制方式，由此对需要发送的信息比特进行自适应编码调制；调制符号经过层映射后，根据PMI，进行相应的预编码操作，预编码采用基于LTERelease10码本的方式自适应信道状态的变化，最后将传输信号送至MIMO信道。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供的用于LTE-A系统上行链路的闭环自适应传输方法，能够自适应于信道环境的变化，其系统框图如图1所示。具体实施方式如下：

基站:

（1）利用接收导频信号进行信道估计，获得信道状态信息：频域信道矩阵与噪声方差；

（2）利用秩与预编码联合选择方法确定RI与PMI；

（3）利用调制编码选择方法确定CQI；

（4）将（2）、（3）计算得到的链路自适应参数RI、PMI与CQI通过反馈信道传送至移动终端；

移动终端：

（5）移动终端收到来自反馈信道的链路自适应参数信息，根据RI确定码字和层的个数，根据CQI确定每个码字的编码调制模式，由此对需要发送的信息比特进行自适应编码调制；调制符号经过层映射后，在每个层上进行DFT变换（DFT扩展），然后移动终端根据反馈的PMI进行相应的预编码操作，预编码码本采用LTERelease10标准中定义的码本，预编码后的数据经过资源映射与IFFT变换后产生SC-FDMA符号，最后通过天线将信号发送到MIMO信道。

Claims (2)

1.一种用于高级长期演进系统上行链路的闭环自适应传输方法，其特征在于根据上行链路的信道状态信息，移动终端选择合适的信号传输模式自适应于信道的变化，该方法具体为：

a、基站对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得发送带宽内的链路信道参数；

b、基站根据获得的信道参数，基于互信息量性能准则进行秩、预编码矩阵的联合选择，然后依据平均信噪比映射准则进行调制编码方式选择，最后将选择的秩指示RI、预编码矩阵在码本中的序号即预编码矩阵指示PMI和选择的调制编码方式所对应的信道质量指示CQI送至反馈信道；

所述依据平均信噪比映射准则，即以所有待映射符号的信噪比的平均值为等效信噪比，并与各调制编码方式在AWGN下误块率为0.1的门限比较，选择调制编码方式；

其中，对秩与预编码矩阵联合进行选择，即对于一个选定的秩，为每个子带选择一个预编码矩阵使得该子带的容量最大；在选择完预编码矩阵之后，选择使所有子带的和容量最大的秩；

c、移动终端从反馈信道获得RI、PMI和CQI三个自适应参数，根据RI确定层数和码字个数，根据CQI确定每个码字的调制编码方式，根据PMI选择预编码矩阵进行预编码操作；

其中预编码码本基于LTE-A标准中预定义的码本，调制编码方式从LTE-A标准中预定义的调制方式和编码速率组合表中选择。

2.根据权利要求1所述的用于高级长期演进系统上行链路的闭环自适应传输方法，其特征在于，基站对导频符号处的接收信号进行信道估计，获得发送带宽内的链路信道参数，这些链路信道参数包括：频域信道矩阵、噪声方差。

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