CN1567758A - 基于信道信息二阶统计的自适应调制和编码的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了OFDM(正交频分复用)系统中基于信道信号二阶统计的自适应调制和编码的方法及装置，其特征在于，通过符号信噪比(SNR)的方差来动态选择合适的适配时间窗，以更好的跟踪时变信道；并且使用一个二级矩的判定准则，即根据SNR的平均值和SNR的方差来选择合适的调制和编码方式(MCS)，以精确地获得SNR到MCS的变换，该变换将增强自适应调制和编码的可用性并降低系统中断的可能性，且因此带来更好的误比特率性能。

Description

基于信道信息二阶统计的自适应调制和编码的方法及装置

                                 技术领域

本发明涉及无线OFDM(正交频分复用)系统中自适应调制和编码的方法及装置，具体涉及基于信道信号二阶统计的自适应调制和编码的方法及装置。

                                 背景技术

在OFDM系统中，通常链路自适应技术将接收到的符号信噪比(SNR)作为信道品质信息(CQI)来使用。因此，自适应调制和编码可以在不同SNR范围的基础上被实施。在每个自适应调制和编码方式(AMC)的适配时间窗T之内，接收到的SNR可位于预先定义的SNR格(如图1所示)中的任一格。γ表示接收机的SNR的平均值，M表示相关的调制和编码方式。例如，如果接收到的SNR的平均值γ位于γ1和γ2之间，那么将采用调制和编码方式M1。这种方法也可以称为“门限法”。另外也有其他在链路适配中使用用于CQI的误比特率(BER)/误包率(PER)的方法。这样，接收机将计算出用于每次帧/块传输的BER/PER，而不是SNR。相关的过程与上述的完全相同。

传统的门限法能很好地作用在象无线室内环境一样的缓慢时变信道下。由于信道衰落趋向平坦和缓慢变化，一个固定的适配窗将满足跟踪缓慢变化信道的要求。对于无线局域网(WLAN)系统，无线室内环境在更新周期T内通常是平衰落、缓慢变化的信道，是容易处理和均衡的。

但是在高速时变环境中，如接收机在跟踪室外高速移动的情况下，传统的方法就可能无法用预先定义的更新周期T跟踪快速衰落信道。也就是，更新周期T相对较大，且当前CQI对于有实际反馈延迟的下次传送可能是无效的。在这种情况下，信道的预测或其他方法就应该用于克服快速时变信道和大反馈延迟。

即使更新周期T适合仍存在其他问题。传统的方法通常使用在时间T内接收到的信号的平均SNR，来确定假设与变化的信道完全匹配的调制和编码方式(MCS)。但是，平均SNR却不可能将衰落信道的特征描述得足够好。通过多径信道，通常接收到的信号在时窗T内可以经历较深的信道衰落或“波动起伏”。这些“波动起伏”与快速衰落包络相比更可能产生带有确定的MCS的比特误差。在出现“波动起伏”的时间长度中，确定的MCS可能不像预期的那样有效实施，且也有可能发生系统溢出。模拟结果已经证实基于平均SNR的MCS选择并不能给出最佳的链路适配性能。

在无线系统中，瑞利衰落，如图2所示，通常用于表现接收到的信号包络的特征。该包络在一个大范围时窗T中趋向包含多个突变的“波动起伏”。然而，如果我们对接收到的SNR进行观察，我们就会发现SNR的包络跟踪振幅的发展轨迹，但却趋向在同一时窗内容易成形(图3所示)。

这种情况对单载波通信系统和多载波通信系统的副载波是共同的。然而，如果我们选择在时窗T中不超过信道相干时间观察SNR曲线，则SNR包络就趋于平坦(图4所示)。

假设信道质量指示符(这里我们用SNR)是通过按链路适配协议设置的任一时窗(不超过信道相干时间)来测量的。在多载波调制系统中，可以使用两维时频窗。理论上，从SNR信息到MCS的变换应由该时间段内的SNR的概率密度函数(pdf)来确定。但是，由于事实上pdf是许多参数的函数，所以在实际的信道中pdf不可能通过简单的分析而获得。特别的，对于单载波系统，pdf取决于通过适配窗口的信道衰落统计，而且也取决于时域窗口长度和信道相干时间的关系。对于无线正交频分复用(OFDM)系统，pdf还取决于频域适配窗口长度和信道相干频带宽度之间的关系。

为了准确地估计pdf，我们选择通过从pdf估计受限的统计信息例如k阶矩来简化问题。当k取2的时候，k阶矩是有用的，且还产生用于适当精确地将SNR变换为MCS信息的足够信息。因此这里，我们推荐使用SNR(SNR方差)的二阶矩。用于传统方法的平均SNR仅是单纯的平均值(一阶矩)，它提供了接收机平均有多少功率可测量。在时/频域的SNR的二阶矩(方差)捕获适配窗口内信道的时/频选择性的有用信息。方差越大，在时/频域选择性的衰落就越强。因此，如果当前方差相对比较大，那么将有益于缩小适配窗口，这样信道衰落pdf就趋于平坦且引起较小的方差。SNR的频率方差可用于测量在自适应OFDM系统中适当的子群大小。适配周期T的调整可以提高在所给时窗中从SNR变换到MCS的有效性和准确性，但可能需要链路适配(LA)协议的配合来给出适配周期T更新的信号。

传统的方法使用如图1所示的SNR格来确定下一次传送应采用哪个MCS。在这里提出的方案中，SNR平均值和SNR方差将对链路适配中MCS的选择作出贡献。

                                 发明内容

本发明的目的在于可有助于链路适配，通过动态选择合适的适配时间窗，并使用一个二阶矩的判定准则来选择合适的调制和编码方式(MCS)。

本发明是这样实现的：

一种正交频分复用(OFDM)系统中基于信道信息二阶统计的自适应调制和编码方法，所述方法包括以下步骤：

a)移动台将一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n中最大的一个作为当前适配时间窗；

b)移动台以当前适配时间窗接收到一组来自基站的导频符号，根据这些导频符号获得符号信噪比(SNR)样值，并得到SNR的方差β和SNR的平均值γ；

c)将步骤b)中的SNR的方差β与门限值β0、βk相比，根据比较结果以及SNR的平均值γ来获得最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式；

d)将步骤c)获得的最终的当前适配时间窗和当前调制和编码方式的相关信息反馈给基站，作为下次基站传送数据的参数。

所述步骤c)包含如下步骤：

e)将β与β0相比，若β＞β0，那么将步骤b)中的当前适配时间窗更新为比其小一档的适配时间窗，返回步骤b)，否则执行步骤f)；

f)根据步骤b)得到的SNR的平均值γ，获得当前调制和编码方式；

g)将β与βk相比，若满足βk＜β＜β0，则将当前调制和编码方式更新为比其低一级的调制和编码方式，否则保持当前调制和编码方式不变。

在步骤a)中，所述一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n通过预先仿真和信道相干时间的推算获得，一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n分别对应移动台不同的移动速度v₁，v₂，...v_n，所述信道相干时间是指任意两个接收信号的相关系数大于0.9的时间段。

步骤c)中的门限值β0和βk是在接近目标误比特率和目标吞吐量的条件下，结合仿真测试得到的，β0是适配时间窗切换的门限值，βk是调制和编码方式切换的门限值，且β0＞βk，所述目标误比特率和目标吞吐量是由无线通信业务决定的。

在步骤b)中，导频符号是来自基站的已知数据。

一种OFDM系统中基于信道信息二阶统计的自适应调制和编码的装置，该自适应调制和编码装置包含位于移动台中的计算装置和比较更新装置，其中：

移动台的信道估计装置，根据移动台以一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n中最大的一个作为当前适配时间窗所接收到的来自基站的导频符号，获得符号信噪比(SNR)的样值；

计算装置，根据信道估计装置获得的符号信噪比SNR的样值，计算出SNR的方差β和SNR的平均值γ；

比较更新装置，将得到的SNR的方差β与门限值β0、βk相比，根据比较结果以及从计算装置得到的SNR的平均值γ来获得最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式，该最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式的相关信息反馈给基站，作为下次基站传送数据的参数。

所述一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n通过预先仿真和信道相干时间的推算获得，一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n分别对应移动台不同的移动速度v₁，v₂，...v_n，所述信道相干时间是指任意两个接收信号的相关系数大于0.9的时间段。

所述导频符号是来自基站的已知数据。

门限值β0和βk是在接近目标误比特率和目标吞吐量的条件下，结合仿真测试得到的，β0是适配时间窗切换的门限值，βk是调制和编码方式切换的门限值，且β0＞βk，所述目标误比特率和目标吞吐量是由无线通信业务决定的。

比较更新装置将得到的SNR的方差β与门限值β0、βk相比，根据比较结果以及从计算装置得到的SNR的平均值γ来获得最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式的过程中，执行以下步骤：将根据计算装置得到的SNR的方差β与β0相比较，若β＞β0，将当前适配时间窗更新为比其小一档的适配时间窗，信道估计装置再根据当前适配时间窗获得符号信噪比SNR的样值，计算装置再根据符号信噪比得出SNR的方差β和SNR的平均值γ，该步骤重复执行，直至β＜＝β0，获得最终的当前适配时间窗；否则根据当前的SNR的平均值γ，获得当前调制和编码方式；将β与βk相比，若满足βk＜β＜β0，则将当前调制和编码方式更新为比其低一级的调制和编码方式，否则保持当前调制和编码方式不变。

本发明可以通过动态选择合适的适配时间窗来跟踪时域信道的选择性衰落，即使移动台用户以高速移动的情况下，仍能通过指示符β0来更新为一个比当前适配时间窗低一档的适配时间窗，而该适配时间窗能更好的跟踪时变信道。

且本发明能更精确地得到SNR到MCS的变换，该变换将增强AMC的可用性并降低系统中断的可能性，且因此带来更好的BER性能。

另外，本发明使得CQI信息的反馈更能贴近实际需求，当移动台低速移动时，启用较长的适配时间窗，因此信令信息的反馈时间间隔较大，单位时间内反馈的信令容量较小；当移动台高速移动时，适配时间窗较短，单位时间内反馈的信令容量较大，而这正是高速移动时获得良好系统性能的要求。因而，从这种意义上说，本发明同时提供了一种按需反馈信令的能力(On-demand feedback)。

                                 附图说明

图1是传统门限法的SNR格的示例图；

图2是典型的瑞利衰落包络图；

图3是所测的SNR的包络图；

图4是在较短时窗内的SNR包络图；

图5是本发明自适应调制和编码方法的SNR二阶矩的判定准则的示图；

图6是在OFDM系统中实施本发明自适应调制和编码方法的基站和移动台的配置原理图。

                               具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明作具体介绍：

参见图5，是本发明自适应调制和编码方法的SNR二阶矩的判定准则的示图，它不仅根据SNR的平均值γ，而且还根据SNR的方差β来确定采用的调制和编码方式(MCS)。例如当γ在γ1和γ2之间，则获得相应的调制和编码方式M2；再根据β来确定，当0＜β＜＝βk时，则采用相应的调制和编码方式M2，而当βk＜β＜β0时，则采用比相应的调制和编码方式M2低一级的调制和编码方式M1。

图6是在OFDM系统中实施本发明自适应调制和编码方法的基站和移动台的配置原理图，其中基站10包含数据源11、导频信道装置12、可编程的自适应调制和编码装置13以及控制装置14，这些装置都是现有技术；涉及本发明的移动台20包含现有技术中的信道估计装置21、可编程的自适应解调和解码装置22以及控制装置23，还包含实施本发明自适应调制和编码方法用的计算装置24和比较更新装置25。本发明的基于信道信息二阶统计的自适应调制和编码的具体步骤如下：

a)移动台20将一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n中最大的一个作为当前适配时间窗，这里的一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n是通过预先仿真和信道相干时间的推算获得，且分别对应移动台20不同的移动速度v₁，v₂，...v_n，所述信道相干时间是指任意两个接收信号的相关系数大于0.9的时间段，适配时间窗组的具体的推算过程举例如下：

已知多谱勒频移的计算公式： $f_d=\frac{v\·f_c}{C},$ 其中v是移动台20速度，f_c是无线射频的载波频率，C是光的传播速度；并且信道相干时间和多谱勒频移成反比。根据经验公式Tc＝0.423/f_d(其中T_C是相干时间)，可以计算得到当载波频率f_c＝3.2GHz时，相对于移动台20在v1＝3km/hour，v2＝60km/hour，v3＝120km/hour时的相干时间如下表：

移动台速度	3公里/小时	60公里/小时	120公里/小时
				相干时间	47.6ms	2.38ms	1.2ms

由此，结合实际系统的参数，可令本发明中的适配时间窗取值为分别对应于移动台20速度v1，v2，v3的三档：T₁＝20ms，T₂＝2ms，T₃＝1ms。因此在该例中，移动台20就将最大的T1＝20ms作为当前适配时间窗。

b)移动台20以当前适配时间窗接收到一组来自基站10的导频信道装置12的导频符号，也就是已知数据，信道估计装置21根据这些导频符号获得符号信噪比SNR的样值。计算装置24根据SNR的样值获得SNR的方差β和SNR的平均值γ。

c)移动台20的比较更新装置25将得到的SNR方差β与门限值β0、βk相比。这里门限值β0和βk是在接近目标误比特率和目标吞吐量的条件下，结合仿真测试得到的，β0是适配时间窗切换的门限值，βk是调制和编码方式切换的门限值，且β0＞βk，所述目标误比特率和目标吞吐量是由无线通信业务决定的。

一般来说，无线信道的衰落服从瑞利分布，由于移动环境的原因，无线信道在时间上呈现时间选择性衰落。本发明中的β0和βk在物理意义上都是信道时间选择性衰落强度的度量。因此，通过门限参数β0、βk与所测量信道的SNR的方差的比较，可以衡量当前信道的时间选择性衰落的强度，进而可以采取适当的措施来弥补选择性衰落带来的影响(如采取合适的适配时间窗，采用合适的调制编码方式等)。

由于两个参数具有类似的物理意义，所以两参数可通过类似的测量仿真方法得到。

这里先确定β0(适配时间窗的切换门限值)，具体选取方法举例如下：

1)建立无线传播信道的仿真模型(其衰落特性服从瑞利分布)。

2)发送第一帧已知数据(其调制和编码方式已事先确定)，分别测量无线信道在给定上、下限的移动速度v1＝3km/h和v3＝120km/h下的传输特性H。并根据接收数据计算信道的SNR的方差β，获得取值范围(βdown，βup)。其中信道的SNR定义为：

$\mathrm{channel}\_\mathrm{snr}=\frac{{\left|H\right|}^2}{\mathrm{No}},$ No为噪声功率。

3)发送第一帧已知数据(其调制和编码方式已事先确定)，测量无线信道在一定的移动速度v下(v1＜v＜v3)的传输特性H_v，并根据步骤2)中所述的方式计算得到SNR的平均值γ_v和方差β_v。

4)初始取 ${\mathrm{\β}}_0=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{down}}+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{up}}}{2},$ 从发送第二帧数据开始，根据步骤3)中的平均值γv获得相应的调制和编码方式(MCS)(如图1所示)，例如当平均值γ_v位于γ1和γ2之间，得到相应的调制和编码方式M2。代入所取的β0和相应的调制和编码方式的仿真参数并运行仿真，得到系统的BER。如果BER小于目标BER，取β0＝β0+Δβ再代入所取的β0和相应的调制和编码方式的仿真参数运行仿真；如果BER大于目标BER，取β0＝β0-Δβ，再代入所取的β0和相应的调制和编码方式的仿真参数运行仿真，使得BER靠近目标BER。例如这里的目标BER为10^-6。

这里也可以将β0从β_down至β_up依次取值运行仿真。

5)在上一步骤中取β0＝β0+Δβ或取β0＝β0-Δβ的重复叠代运行仿真过程中，能够使BER最接近目标BER的参数β0即为所求。

再确定βk(MCS的切换门限值)，即在区间(β_down，β0)内选取合适的β值使系统的吞吐量最接近目标吞吐量。这里的βk表示系统可能产生的误码明显增大的指示符。

6)初始取 ${\mathrm{\β}}_k=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{down}}+{\mathrm{\β}}_0}{2},$ 从发送第二帧数据开始，根据步骤3)中的平均值γ_v获得相应的调制和编码方式(MCS)(如图1所示)，例如当平均值γ_v位于γ1和γ2之间，得到相应的调制和编码方式M2；再将所取的βk与步骤3)中的β_v相比，如果β_v＞βk，则采用比相应的调制和编码方式M2低一级的调制和编码方式M1，相反如果0＜β_v＜＝βk，则采用相应的调制和编码方式M2。代入所取βk和采用的MCS的仿真参数并运行仿真，得到系统的吞吐量。如果得到的吞吐量小于目标吞吐量，则取βk＝βk+Δβ，再代入所取βk和采用的MCS的仿真参数并运行仿真；如果得到的吞吐量大于目标吞吐量，取βk＝βk-Δβ，再代入所取βk和采用的MCS的仿真参数并运行仿真，使得吞吐量靠近目标吞吐量。这里吞吐量是指单位时间内正确接收的比特数。例如这里的目标吞吐量为几兆至几十兆。

这里也可以将βk从β_down至β0依次取值运行仿真。

7)在上一步骤中取βk＝βk+Δβ或取βk＝βk-Δβ的重复叠代运行仿真过程中，能够使吞吐量最接近目标吞吐量的βk即为所求。

d)比较更新装置25将β与β0相比，若β＞β0，则将当前适配时间窗例如T₁＝20ms更新为比其低一档的适配时间窗例如T₂＝2ms，并返回步骤b)，再将步骤b)中获得的β与β0相比，重复执行，直至β＜＝β0，并获得最终的当前适配时间窗；否则按照图5的判定准则根据当前的SNR平均值γ，获得当前调制和编码方式例如M_n；再将β与βk相比，若满足βk＜β＜β0，则将当前调制和编码方式更新为比其低一级的调制和编码方式例如M_n-1，否则保持当前调制和编码方式例如M_n不变。

比较更新装置25将最终的当前适配窗和当前MCS通过移动台的无线发射反馈给基站10的控制装置14，并经基站10的控制装置14传送给基站10的可编程的自适应调制和编码装置13以及移动台20的控制装置23，可编程的自适应调制和编码装置13根据来自控制装置14的参数对数据源11的数据进行调制和编码；移动台20的可编程的解调和解码装置22根据来自控制装置23的参数对来自基站10的数据进行解调和解码。

以上所述实施例只是本发明的一个实施例，且不局限于此，在不超出本发明的精神范围的情况，所做的种种变化实施，都属于本发明的范围。

Claims (10)

1.一种正交频分复用(OFDM)系统中基于信道信息二阶统计的自适应调制和编码方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)移动台将一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n中最大的一个作为当前适配时间窗；

b)移动台以当前适配时间窗接收到一组来自基站的导频符号，根据这些导频符号获得符号信噪比(SNR)的样值，并得到SNR的方差β和SNR的平均值γ；

c)将步骤b)中的SNR的方差β与门限值β0、βk相比，根据比较结果以及SNR的平均值γ来获得最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式；

d)将步骤c)获得的最终的当前适配时间窗和当前调制和编码方式的相关信息反馈给基站，作为下次基站传送数据的参数。

2.如权利要求1所述的自适应调制和编码方法，其特征在于，所述步骤c)包含如下步骤：

e)将β与β0相比，若β＞β0，那么将步骤b)中的当前适配时间窗更新为比其小一档的适配时间窗，返回步骤b)，否则执行步骤f)；

f)根据步骤b)得到的SNR的平均值γ，获得当前调制和编码方式；

g)将β与βk相比，若满足βk＜β＜β0，则将当前调制和编码方式更新为比其低一级的调制和编码方式，否则保持当前调制和编码方式不变。

3.如权利要求1所述的自适应调制和编码方法，其特征在于，在步骤a)中，所述一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n通过预先仿真和信道相干时间的推算获得，一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n分别对应移动台不同的移动速度v₁，v₂，...v_n，所述信道相干时间是指任意两个接收信号的相关系数大于0.9的时间段。

4.如权利要求1所述的自适应调制和编码方法，其特征在于，步骤c)中的门限值β0和βk是在接近目标误比特率和目标吞吐量的条件下，结合仿真测试得到的，β0是适配时间窗切换的门限值，βk是调制和编码方式切换的门限值，且β0＞βk，所述目标误比特率和目标吞吐量是由无线通信业务决定的。

5.如权利要求1所述的自适应调制和编码方法，其特征在于，在步骤b)中，导频符号是来自基站的已知数据。

6.一种正交频分复用(OFDM)系统中基于信道信息二阶统计的自适应调制和编码装置，其特征在于，该自适应调制和编码装置包含位于移动台中的计算装置和比较更新装置，其中：

移动台的信道估计装置，根据移动台以一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n中最大的一个作为当前适配时间窗所接收到的来自基站的导频符号，获得符号信噪比(SNR)的样值；

计算装置，根据信道估计装置获得的SNR的样值，计算出SNR的方差β和SNR的平均值γ；

比较更新装置，将得到的SNR的方差β与门限值β0、βk相比，根据比较结果以及从计算装置得到的SNR的平均值γ来获得最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式，该最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式的相关信息反馈给基站，作为下次基站传送数据的参数。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n通过预先仿真和信道相干时间的推算获得，一组适配时间窗T₁，T₂，...T_n分别对应移动台不同的移动速度v₁，v₂，...v_n，所述信道相干时间是指任意两个接收信号的相关系数大于0.9的时间段。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述导频符号是来自基站的已知数据。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，门限值β0和βk是在接近目标误比特率和目标吞吐量的条件下，结合仿真测试得到的，β0是适配时间窗切换的门限值，βk是调制和编码方式切换的门限值，且β0＞βk，所述目标误比特率和目标吞吐量是由无线通信业务决定的。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，比较更新装置将得到的SNR的方差β与门限值β0、βk相比，根据比较结果以及从计算装置得到的SNR的平均值γ来获得最终的当前适配时间窗以及当前调制和编码方式的过程中，执行以下步骤：将根据计算装置得到的SNR的方差β与β0相比较，若β＞β0，将当前适配时间窗更新为比其小一档的适配时间窗，信道估计装置再根据当前适配时间窗获得符号信噪比SNR的样值，计算装置再根据符号信噪比得出SNR的方差β和SNR的平均值γ，该步骤重复执行，直至β＜＝β0，获得最终的当前适配时间窗；否则根据当前的SNR平均值的γ，获得当前调制和编码方式；将β与βk相比，若满足βk＜β＜β0，则将当前调制和编码方式更新为比其低一级的调制和编码方式，否则保持当前调制和编码方式不变。

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