CN103166746B - 一种用于长期演进系统下行的高能效链路自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于长期演进系统LTE下行链路的高能效自适应传输方法，移动终端根据当前的信道质量，向基站反馈包括秩指示、预编码指示、信道质量指示和基站端发送功率P_T的自适应参数，将基站的发送功率分级，每一级相差2dBm，在保证系统误码块率的前提下，按照基站能效最大的准则进行反馈参数的选择，并将所述反馈参数发送到反馈信道，基站利用从反馈信道获得的反馈参数调整传输模式。本发明能够应用于LTE下行链路中，在确保系统BLER的前提下，有效地提高基站的能效。

Description

一种用于长期演进系统下行的高能效链路自适应方法

技术领域

本发明涉及长期演进（LTE）系统，尤其涉及该系统的下行链路在不同信道状态下的高能效自适应传输方法。

背景技术

随着人们对更高传输速率以及更广区域覆盖的需求呈快速增长态势，现有移动通信系统已经演变为高能耗产业，统计数据表明，2009年我国三大电信运营商共耗电289亿度，相比2008年增长超过25%，折合标煤近1000万吨，这不仅意味着巨大的运行成本，也带来了大量的碳排放，这对于中国这样资源严重短缺和环境污染严重的发展中国家来说显然是难以持续发展的，所以如何降低移动通信系统的能耗问题将亟待解决。纵观移动通信系统的能耗分布，基站部分占总网络能耗的70%左右，可见如何大幅度提高基站部分的能效将至关重要。

LTE改进并增强了3G的空中接口技术，采用了OFDM技术并引入MIMO等技术，极大地提高了系统的频谱效率。移动终端在移动的过程中，传输链路信道可能发生变化，下行链路信号传输技术必须能够适应于信道的变化，以提升系统的空分复用增益。在3GPP LTE闭环空分复用模式下，传统的下行链路传输是基站采用固定发送功率、移动终端（UE）通过反馈三个参数自适应信道的变化：秩指示（RI）、预编码指示（PMI）及信道质量指示（CQI），且UE通常是基于和容量最大的准则选择这三个反馈参数，这样的传输方式可以提高系统的容量，但是从基站能效的角度来看有待改进。

本发明针对从LTE下行链路传输技术来提高基站能效这一目的，提出了一种适合于LTE下行链路特性的高能效自适应传输方法。该方法增加了UE的一项反馈参数：基站端发送功率（P_T），其中UE将基站的发送功率分级，每一级相差2dBm。UE针对每一级发送功率，首先按照能效最大的准则联合选择RI和PMI，然后评估CQI，选择既满足系统误码块率（BLER）要求又使基站能效最高的CQI值并记录当前发送功率下基站的最大能效值；UE遍历所有等级的发送功率，选择使基站能效最大的发送功率及该发送功率所对应能效最大的RI、PMI和CQI。因此，用于LTE下行的高能效链路自适应方法能够在满足系统的BLER限制条件下，有效地提升基站的能效。

发明内容

技术问题：本发明提供一种用于长期演进系统下行的高能效链路自适应方法，能够应用于LTE系统下行链路中，在确保系统误码块率的前提下，有效地提高了基站的能效。

技术方案：本发明提出用于长期演进系统下行的高能效链路自适应方法，UE根据当前的信道质量，除了向基站反馈自适应参数——RI、PMI和CQI以外，还需增加一项反馈参数：基站端发送功率（P_T），其中UE将基站的发送功率分级，每一级相差2dBm，UE在保证系统BLER的前提下，按照基站能效最大的准则进行反馈参数（RI、PMI、CQI、P_T）的选择，并将反馈参数发送到反馈信道，基站利用从反馈信道获得的反馈参数调整传输模式，其具体步骤为：

步骤一、UE将基站的发送功率从-1dBm到43dBm划分为22个不同等级，其中每个等相差2dBm，然后对每一级发送功率，UE根据信道估计获得的链路信道参数，计算每一级发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI及CQI及最大的基站能效值。

步骤二、UE遍历所有的发送功率，然后对比所有发送功率所对应的最大基站能效值，将其中最大的基站能效值所对应的发送功率以及该发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI及CQI发送到反馈信道。

步骤三、基站利用从反馈信道获得的反馈参数调整传输模式。

优选的，步骤一中，每一级发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI及CQI及最大的基站能效值通过如下步骤获得：

步骤11、UE将基站的发送功率从-1dBm到43dBm划分为22个不同等级，其中每个等相差2dBm，UE根据信道估计获得的链路信道参数，对每一级发送功率，首先根据基站能效最大的准则联合选择RI及PMI。

步骤12、在确定了RI和PMI之后，可利用RI和传输码字数的对应关系确定传输码字数，根据PMI与RI从LTE预先定义的码本集中取出对应的预编码矩阵，则可得到每个子载波每个传输层符号的信干噪比，由于LTE针对码字的处理是独立的，因此UE针对每一个传输码字，利用互信息有效信噪比映射（MIESM）的方法可得到每个码字在所有CQI值下，系统的有效信干噪比，根据这些有效信噪比值查找AWGN信道的BLER-SNR曲线可以预测当前码字下，所有CQI值对应的系统BLER，选择其中满足系统BLER要求的CQI，然后根据基站能效的定义，选择这些CQI值中能效最大的CQI值，最后记录当前发送功率下，能效最大的PMI、RI以及每个码字的CQI，此外，还需记录所有码字的最大能效和作为系统在此发送功率下的最大基站能效。

优选的，步骤二中，、UE将遍历所有的发送功率，然后对比所有发送功率所对应的最大基站能效值，最后将其中最大的基站能效值所对应的发送功率以及该发送功率所对应的能效最大的RI、PMI及CQI发送到反馈信道。

优选的，步骤三中，基站从反馈信道中获得的反馈参数RI、PMI、CQI和P_T，根据反馈的参数调整基站的传输模式：1）根据RI确定传输层的个数；2）根据CQI确定每个码字的调制编码方式（MCS）以及确定每个码字的信息比特数目；3）根据PMI寻找码本中所对应的预编码矩阵；4）根据P_T确定基站的发送功率。

有益效果：本发明实施例提供的用于长期演进系统下行的高能效链路自适应方法，具有如下优点：

1、本方法简单可行，适用于LTE下行链路中的自适应传输；

2、本方法能够充分利用信道状态信息，自适应地进行功率控制和传输模式选择，保证系统的BLER条件下，提高基站的能效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一种用于长期演进系统下行链路自适应传输示意图。

图2为本发明实施例提供的一种基于用于长期演进系统下行的高能效链路自适应方法中移动终端选择反馈参数的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明实施例提供了一种用于长期演进系统下行的高能效链路自适应方法，UE根据当前的信道质量，除了向基站反馈自适应参数——RI、PMI和CQI以外，还需增加一项反馈参数：基站端发送功率P_T，其中UE将基站的发送功率分级，每一级相差2dBm，UE在保证系统BLER的前提下，按照基站能效最大的准则进行反馈参数（RI、PMI、CQI、P_T）的选择，并将反馈参数发送到反馈信道，基站利用从反馈信道获得的反馈参数调整传输模式，其具体步骤为：

步骤一、UE将基站的发送功率从-1dBm到43dBm划分为22个不同等级，其中每个等相差2dBm，然后对每一级发送功率，UE根据信道估计获得的链路信道参数，计算每一级发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI及CQI及最大的基站能效值。

步骤二、UE遍历所有的发送功率，然后对比所有发送功率所对应的最大基站能效值，将其中最大的基站能效值所对应的发送功率以及该发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI及CQI发送到反馈信道。

步骤三、基站利用从反馈信道获得的反馈参数调整传输模式及后续一系列的信号处理。

步骤一中，所述的每一级发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI及CQI及最大的基站能效值通过如下步骤获得：

步骤11、UE将基站的发送功率从-1dBm到43dBm划分为22个不同等级，其中每个等相差2dBm，UE根据信道估计获得的链路信道参数，对每一级发送功率，首先根据基站能效最大的准则联合选择RI及PMI。

步骤12、在确定了RI和PMI之后，可利用RI和传输码字数的对应关系确定传输码字数，根据PMI与RI从LTE预先定义的码本集中取出对应的预编码矩阵，则可得到每个子载波每个传输层符号的信干噪比，由于LTE针对码字的处理是独立的，因此UE针对每一个传输码字，利用MIESM的方法可得到每个码字在所有CQI值下，系统的有效信干噪比，根据这些有效信噪比值查找AWGN信道的BLER-SNR曲线可以预测当前码字下，所有CQI值对应的系统BLER，选择其中满足系统BLER要求的CQI，然后根据基站能效公式，选择这些CQI值中能效最大的CQI值，最后记录当前发送功率下，能效最大的PMI、RI以及每个码字的CQI，此外，还需记录所有码字的最大能效和作为系统在此发送功率下的最大基站能效。

步骤二中，UE将遍历所有的发送功率，然后对比所有发送功率所对应的最大基站能效值，最后将其中最大的基站能效值所对应的发送功率以及该发送功率所对应的能效最大的RI、PMI及CQI发送到反馈信道。

步骤三中，基站从反馈信道中获得的反馈参数RI、PMI、CQI和P_T，根据反馈的参数调整基站的传输模式：1）根据RI确定传输层的个数；2）根据CQI确定每个码字的调制编码方式（MCS）以及确定每个码字的信息比特数目；3）根据PMI寻找码本中所对应的预编码矩阵；4）根据P_T确定基站的发送功率。基站调整好传输模式之后，然后根据这些反馈参数对信息比特进行Turbo编码、QAM调制、层映射、预编码、资源映射等最后生成OFDM调制符号发送到MIMO信道。

本发明实施例提供的用于长期演进系统下行高能效链路自适应方法，能够充分利用信道状态信息，自适应地进行功率控制和传输模式选择，保证系统的BLER要求下，提高基站的能效以及信号传输的可靠性。本例的LTE下行高能效自适应传输结构如图1所示，假设基站有N_T个发送天线，UE有N_R个接收天线。

如图2所示，本发明实施例提供的一种用于长期演进系统下行高能效链路自适应方法中UE端计算反馈参数的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤201：UE利用导频符号处的接收信号进行信道估计，获得链路信道参数，将基站发送功率从-1dBm到最大发送功率（通常为43dBm）分为22级，其中每一级相差2dBm，接下来UE对于它所定义的每一级发送功率将执行后续的步骤。

步骤202：对于当前这一级发送功率，UE基于基站能效最大的原则联合选择PMI和RI。这里的基站能效的定义为单位基站能耗下系统正确传输的比特数，它的单位为bits/Joule，根据定义可将基站能效表示为下面的式子：

$\mathrm{EE}=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{CW}}{\mathrm{\Σ}}}(1-{\mathrm{BLER}}_j)L_j/E_{\mathrm{total}}(\mathrm{bits}/\mathrm{Joule}),$

其中，CW∈{1,2}表示传输码字数目，根据LTE协议，它的取值与反馈参数RI有关，L_j表示第j个码字在一个子帧内所传输的信息比特长度，它与反馈参数CQI的取值有关，BLER_j是第j个码字的误码块率，E_total表示基站所消耗的总能量(假设单用户系统)，基站的能效分为三部分，可以表示为下式：

E_total=(P_PC+P_Dyn+P_Sta)*T_s，

其中，T_s表示一个子帧的时间，LTE协议规定为1ms，P_PC为是功率转换器的功耗，它与发送天线数以及发送功率有关，可以表示为P_PC=P_T·N_T/η，其中η表示功率放大器以及相关供给装置的功率效率，P_Dyn表示射频和基带信号处理电路的功耗，它与发送天线数有关，可以表示为P_Dyn=N_T·P_cir，P_cir表示每根天线的动态功耗，P_Sta表示静态功率，主要代表了冷却损失、电池备份以及功率供给等的损失，这一部分的功耗是与发送功率以及发送天线数独立的。

本方法假设每个传输码字的发送功率相同，因此在某确定发送功率下，无论LTE系统采用几个传输层，所定义的能效的分母都是一样，此时选择RI使得系统的能效最大，等效于能效定义式中的分子最大，即一个子帧内系统容量（单位时间正确传输的信息比特数目）最大，所以选择能效最大的RI就等价于容量最高的RI。对于基于码本的预编码矩阵来说，由于它们的功率增益都是1，所以预编码矩阵不会对基站能耗产生影响，即不会影响能效定义式中的分母。所以选择能耗效率最大的PMI就等价于容量最高的PMI。综上所述，对于每一级发送功率，基于能效最大准则选择的RI和PMI等效于基于容量最大准则选择的RI和PMI，LTE标准规定每个UE只能反馈一个RI，但可反馈多个PMI。设分配给UE的时频资源粒（RE）集合为ρ，根据预编码粒度分为G个子信道ρ_g，g=1,...G，每个子信道上使用一个预编码矩阵，即反馈一个PMI。设层数目为L，预编码矩阵标号为m_g，此时RE（n，k）（即第n个OFDM符号的第k个子载波）上的互信息为：

$I_{n,k}^{m_g}=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{n,k,l}^{m_g}),$

其中，为当前RE使用预编码矩阵标号为m_g，第l层上符号的等效信干噪比，假设接收机为MMSE接收机，则该信噪比可写为：

${\mathrm{SINR}}_{n,k,l}^{m_g}=\frac{1}{{\left[{(I_L+\frac{P_T}{{\mathrm{\σ}}_n^2}{W}_{m_g}^H{H}_{n,k}^H{H}_{n,k}{W}_{m_g})}^{-1}\right]}_{l,l}}-1,$

其中，表示噪声方差，H_n,k表示RE（n，k）上的信道衰落值，为码本中序号为m_g所对应的预编码矩阵。PMI和RI的选择应使系统总互信息最大即：

$(L,\{m_g\left\}\right)=\arg \underset{\underset{\left\{m_g\right\}:w^{m_g\∈w^L}}{L:L\≤\min (N,M)}}{\max }\underset{{\mathrm{\ρ}}_g\∈\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\Σ}}\underset{(n,k)\∈\mathrm{\ρg}}{\mathrm{\Σ}}{I}_{n,k}^{m_g}$

综上所述，针对每一级发送功率，基于基站能效最大准则联合选择RI和PMI的具体步骤如下：

1）设定层数目为L，对于每一个子信道ρ_g，遍历集合W^L中的所有预编码矩阵，计算选择层数目为L时，子信道ρ_g上使得该资源簇上的总互信息最大的预编码矩阵m_L,g，即 $I_{L,g}=\underset{m_g}{\max }{I}_{L,g.}$

2）针对每个L≤min(N_T,N_R)，分别计算ρ上的总的互信息选择最优的由L_opt及其对应的{m_L,g}确定反馈信息RI和PMI。

步骤203：根据步骤202确定当前发送功率下能效最大的RI和PMI，可以根据步骤202中信噪比公式等到系统每个子载波每个传输层符号的信干噪比。

步骤204：针对每一个传输码字选择满足系统BLER要求的CQI值。根据步骤202确定的RI可得到传输码字数，针对每一个传输码字根据步骤203确定的系统的每个子载波每个传输层符号的信干噪比进行CQI的选择，UE首先需选择满足系统BLER要求的CQI值，一般来说，系统对于链路自适应来说BLER要求为0.1时就可以使系统的性能很好，因此通常采用BLER要求为0.1。由于需要选择满足BLER要求的CQI，因此需估计每个CQI值所对应的系统的BLER，这里采用MIESM方法进行估计，它将系统所有子载波不同的信干噪比映射为一个高斯白噪声信道（AWGN）下的一个等效信噪比，该映射关系表示为下式：

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{eff}}=I^{-1}(\frac{1}{L_{\mathrm{CW}}}\·\frac{1}{\mathrm{KN}}\underset{l=1}{\overset{L_{\mathrm{CW}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(\mathrm{SIN}{R}_{n,k,l}\right)),$

其中，I(x)为压缩函数，也叫信息测度函数，I^-1(x)是I(x)的反函数。L_CW∈{1,2}表示一个码子占用的层数，LTE允许一个码字映射到最多两个传输层，K表示码字占用的频率子载波数，N表示一个子帧的OFDM符号数。信息测度函数可以表示为：

$I\left({\mathrm{SINR}}_{n,k,l}\right)={\log }_2{M}_k-\frac{1}{M_k}\underset{m=1}{\overset{M_k}{\mathrm{\Σ}}}{E}_U\left\{{\log }_2\left(\underset{p=1}{\overset{M_k}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right[-\frac{{|X_p-X_m+U|}^2-{\left|U\right|}^2}{(1/{\mathrm{SINR}}_{n,k,l})}\left]\right)\right\},$

其中，U为复高斯噪声。M_k代表为第k个子载波MCS所对应的星座点数，X_p为第p个星座符号。在选择满足系统BLER要求的CQI时，需将MIESM映射得到的SINR_eff与AWGN信道中BLER=0.1处的门限值比较，选择超过门限值的CQI值。针对每一个码字均执行以下过程：

1）获得15个CQI的门限值。在AWGN信道中的15个SNR-BLER曲线，找到BLER=0.1处的门限值，用SNR_th,index表示，index=1,...15。

2）计算15个CQI的等效信噪比。通过步骤201得到的RI和PMI，通过步骤202计算每个资源上的信干噪比（SINR_n,k,l），接收利用上面的MIESM映射方法，得到不同CQI对应的等效信噪比，用SNR_th,index表示，index=1,...15。

3）记录满足BLER要求的CQI。将1）中和2）中得到的SNR_th,index及SNR_eff,index对比，记录满足SNR_eff,index≥SNR_th,index的所有CQI值。

步骤205：如果存在一个传输码字，没有一个CQI满足系统BLER要求，则说明此时这一级发送功率太小，在当前信道质量下，不能满足系统要求，此时则直接考虑下一级发送功率，不执行后续步骤并且令当前发送功率下基站的能效为负无穷，反之，则继续执行后续步骤。

步骤206：针对每一个传输码字，寻找使基站能效最高的CQI值。UE对每一个传输码字执行以下步骤：

1）针对每一个满足BLER要求的CQI值，首先根据步骤205找到它所对应的有效信噪比，然后在AWGN信道中它所对应的SNR-BLER曲线找到有效信噪比对应的BLER值，将该BLER作为该CQI的系统BLER预测值。

2）根据LTE协议得到该CQI值所对应的MCS及码率，根据当前系统所有的子载波数，则可以确定码字在一个子帧内的所传输的信息比特数目。

3）根据步骤1）和2）得到该CQI的BLER估计值以及码字传输比特大小，利用式(1-BLER)L/E_total则可得到该CQI值对应的基站传输能效值。

步骤207：帧对每一个传输码字，根据步骤206得到满足BLER限制的CQI值所对应的基站能效值，然后对比它们的基站能效值，最后选择其中能效最大的CQI值并记录该值所对应的基站能效。

步骤208：根据步骤207得到每个传输码字所对应的最大基站能效值及其对应的CQI值，步骤202中所定义的基站能效是所有码字的能效之和，则需将所有码字的最大基站能效值相加，则得到了该发送功率下最大的基站能效值。此时，UE将记录下该发送功率下最大的基站能效值、通过步骤202得到的RI、PMI值、通过步骤206得到的每个码字使基站能效最高的CQI值。

步骤209：遍历完了所有的发送功率，则选择其中基站能效最大的发送功率及该发送功率所对应的RI、PMI、及CQI发送至反馈信道，从而完成了LTE下行高能效的链路自适应方法中UE选择反馈参数的过程，该过程充分利用了当前信道状态，在保证系统BLER的限制条件下，有效地提高了基站的能效。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于LTE下行的高能效链路自适应方法，其特征在于，用户终端(UE)根据当前的信道质量，除了向基站反馈反馈参数——秩指示(RI)、预编码指示(PMI)和信道质量指示(CQI)以外，还需反馈一项反馈参数：基站端发送功率(PT)，其中UE将基站的发送功率分级，每一级相差2dBm，UE在保证系统误码块率(BLER)的前提下，按照基站能效最大的准则进行反馈参数RI、PMI、CQI、PT的选择，并将反馈参数发送到反馈信道，基站利用从反馈信道获得的反馈参数调整传输模式，其具体步骤为：

步骤一、UE将基站的发送功率从-1dBm到43dBm划分为22个不同等级，其中每个等级相差2dBm，然后对每一级发送功率，UE根据信道估计获得的链路信道参数，计算每一级发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI、CQI及最大的基站能效值；

步骤二、UE遍历所有的发送功率，然后对比所有发送功率所对应的最大基站能效值，将其中最大的基站能效值所对应的发送功率以及该发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI及CQI发送到反馈信道；

步骤三、基站利用从反馈信道获得的反馈参数调整传输模式。

2.根据权利要求1所述的用于LTE下行的高能效链路自适应方法，其特征在于：步骤一中，每一级发送功率下所对应的能效最大的RI、PMI、CQI及最大的基站能效值通过如下步骤获得：

步骤11、UE将基站的发送功率从-1dBm到43dBm划分为22个不同等级，其中每个等级相差2dBm，UE根据信道估计获得的链路信道参数，对每一级发送功率，首先根据基站能效最大的准则联合选择RI及PMI；

步骤12、在确定了RI和PMI之后，可利用RI和传输码字数的对应关系确定传输码字数，根据PMI与RI从LTE预先定义的码本集中取出对应的预编码矩阵，则可得到每个子载波每个传输层符号的信干噪比，由于LTE针对码字的处理是独立的，因此UE针对每一个传输码字，利用互信息有效信噪比映射(MIESM)的方法可得到每个码字在所有CQI值下系统的有效信噪比，根据有效信噪比值查找AWGN信道的BLER-SNR曲线可以预测当前码字下所有CQI值对应的系统BLER，选择其中满足系统BLER要求的CQI，然后根据基站能效公式，选择这些CQI值中能效最大的CQI值，最后记录当前发送功率下，能效最大的PMI、RI以及每个码字的CQI，此外，还需记录所有码字的最大能效和作为系统在此发送功率下的最大基站能效；

其中，所述基站能效公式如下：

$EE=\underset{j=1}{\overset{CW}{\Σ}}(1-{\mathrm{BLER}}_j)L_j/E_{total}(bits/Joule),$

其中EE表示基站能效，所述基站能效的定义为单位基站能耗下系统正确传输的比特数，它的单位为bits/Joule，CW∈{1,2}表示传输码字数目，根据LTE协议，它的取值与反馈参数RI有关，L_j表示第j个码字在一个子帧内所传输的信息比特长度，它与反馈参数CQI的取值有关，BLER_j是第j个码字的误码块率，E_total表示基站所消耗的总能量。

3.根据权利要求1所述的用于LTE下行的高能效链路自适应方法，其特征在于：步骤三中，基站从反馈信道中获得的反馈参数RI、PMI、CQI和PT，根据反馈的参数调整基站的传输模式：1)根据RI确定传输层的个数；2)根据CQI确定每个码字的调制编码方式(MCS)以及确定每个码字的信息比特数目；3)根据PMI寻找码本中所对应的预编码矩阵；4)根据PT确定基站的发送功率。