CN1744481A - 一种td－scdma系统中的自适应传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种TD－SCDMA系统中兼容OFDM技术的自适应传输方法，首先根据信道估计获得信道的特性，得到各个子载波的信噪比，然后在给定的误码率要求下确定不同调制方式的信噪比要求，接着设定不同调制方式的信噪比范围，最后根据子载波落在对应的信噪比范围内确定对应的调制方式，通过简单的自适应子载波分配方法，缩短自适应分配的过程，提高自适应传输技术的可实现性。

Description

一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法

技术领域：

本发明涉及正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)通信技术，特别是一种TD-SCDMA系统中兼容OFDM技术的自适应传输方法。

背景技术：

CDMA(Code Division Multiple Access)技术具有诸多优势，如相对于其他系统容量较高、实现软切换、抗干扰能力较强、发射功率低、保密性好等，在无线通信领域中占有重要地位，已成为ITU制定的第3代陆地无线通信系统的主流空中接口技术。TD-SCDMA系统就是其中一种。但是，CDMA系统对多址干扰(MAI)很敏感，并且在传送高速数据流时易受符号间干扰(ISI)的影响。尤其是在多径衰落比较严重的无线信道中传输时，ISI更明显，这使得CDMA系统难以充分利用频谱资源，发展受到一定的限制。

正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing)技术因其较高的频谱效率、抗多径干扰和抗信道频率选择性衰落能力，并能提供很高的数据传输速率等特点，成为下一代移动通信系统中的核心技术。同时，将并行多载波传输理论与CDMA技术的结合，已经成为目前一大研究热点。为了提高TD-SCDMA系统的传输性能，也将OFDM技术应用于该系统。

然而，移动通信的发展趋势是将多种业务综合到一个网络中，而在移动信道中，对于OFDM系统中的不同子信道会受到不同的衰落，因此有不同的传输能力，所以需要有效的资源分配方法来更好地利用信道资源，并满足不同业务的需求。由于采用OFDM传输技术，可以利用自适应技术，根据子信道的瞬时特性动态的分配数据速率和传输功率，从而充分利用信道资源，减少系统总的发送功率，这对于兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统有着十分重要的意义。

对于OFDM技术所采用的自适应传输算法可以大致归纳如下：

1、注水算法(water-pouring distribution)

该算法在带限信道上实现理论信道容量的最佳输入功率分布，即

$S_x=\left\{\begin{array}{cc}P-\frac{N\left(f\right)}{\left|H\left(f\right)\right|2}& f\∈B\\ 0& f\∉B\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，B表示信道带宽，P表示输入限制功率，H(f)表示信道传递函数，N(f)表示噪声功率谱密度。

由式(1)可见，对于信道特性H(f)好的信道，也就是值比较大的子载波可以获得较高的发射功率，因为对于信道条件好的子载波，它能有效的传输更多的信息。

然而，尽管“注水”能量分配方法确定能够实现最佳的解决方法，但是这种方法的计算难度比较大，而且还需要假设星座点规模量化精度要无限小，这在实际中是不可能实现的。

2、连续比特分配算法

该算法是在一定的数据速率和误码率的约束下，根据信道特性，自适应调整每个子载波的发射功率，使得系统的总发射功率达到最小的一种链路自适应方式，可以表示为

$P_T^{*}=\underset{c_n\∈D}{\min }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{f\left(c_n\right)}{{\mathrm{\α}}_n^2}---\left(2\right)$

限制条件为， $R=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n.$

在频率选择性衰落信道中，不同的子载波可以经历独立的衰落状况，α_n表示第n个子载波上的信道衰落幅度。f(c)表示在信道增益等于1时，一个子载波实现可靠接收(保证所需的BER)c个信息比特所需要的接收能量。在迭代算法中每次只分配一个比特，并且这个比特被分配给满足指定BER条件下需要增加的发送功率最小的子载波上，同时该子载波也相应地增加发射功率以保证BER。很明显，上述算法的复杂度取决于每个OFDM符号承载的比特数。因此，在子载波数量比较大，并且每个符号周期内包含的比特数也比较大的多载波系统中，该算法的速度非常慢。

3、自适应调制算法

每个子载波上的比特分配与无线信道的传输函数相对应，且每个子载波上的功率恒定改变。因此该算法是一种在总发射功率和误码率的约束下使系统的容量达到最大的一种次最优方法。该算法为了将误码率(BER)控制在目标以下，在接收端首先测量每个子载波上的SNIR(信号噪声干扰比)，然后据此调整每个子载波的调制方式和参数，达到最大传输速率。如果某个子载波在现有的SNIR下，任何调制方式都不能保证误码率低于目标BER，则该子载波不传输任何信号，这样做是为了避免不必要的重传。算法中确定不同调制方式的切换门限是关键。在实际系统中所采用的调制方式集是事先确定好的，对于给定的BER，可以计算或测量出不同的调制方式所需要的SINR门限。由于要估计SINR，要求考虑其他载波的干扰，相对来说计算的复杂度提高了，而且该算法分别考虑不同的子载波和不同的调制方式进行比较，当子载波比较多时，分配的速度也比较慢。

4、性能余量算法

该算法中系统余量是指支持所需最小BER时，系统可以忍受的附加噪声数值。该算法的目标是在数据速率以及误码率的约束下，得到每个子载波上的比特分配方式以达到最优的系统性能余量，最后根据每个子载波上的比特分配来调整发射功率来满足误码率的要求。因此，该算法是根据每个子载波上的信道容量来进行比特和功率分配的。算法中第i个子载波上的比特数目可以由下式得到

$b\left(i\right)=\log 2\left(\frac{\mathrm{SNR}\left(i\right)}{\mathrm{\Γ}+{\mathrm{\γ}}_{m\arg \mathrm{in}}\left(\mathrm{dB}\right)}\right)---\left(3\right)$

系统总的数据速率为 $B_{\mathrm{total}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}b\left(i\right).$ 其中，SNR(i)是第i个子载波上的信噪比，Γ表示理论信道容量与各种调制方法的实际信道容量之间差值的一个常数，γ_margin表示系统性能的余量，它在迭代过程中被确定为最终保证系统提供的总速率达到目标速率。在接收端，该算法首先计算每个子载波上支持的速率以及此时系统支持的总速率，如果系统B_total＝B_target的总速率和目标速率不相等，那么就调整性能余量γ_margin，并重新计算系统支持的速率，经过反复的迭代最终得到满足速率要求时，每个子载波上的比特分配方式。最后调整发射功率保证每个子载波上的BER。

5、最小BER算法

与性能余量算法不同，该算法并不是由信道容量而是以最小化BER的目标来分配每个子载波上的比特和功率的。该算法中每个子载波上的比特和能量的分配是在一个确定的系统总速率和发射功率的约束下，以最小化BER为目标来实现的。每个子载波上的比特分配按下式

$R_i=\frac{R_T}{D}+\frac{1}{D}\log 2\left(\frac{\underset{i=0}{\overset{D}{\mathrm{\Π}}}{N}_i}{N_i}\right)---\left(4\right)$

式中R_T表示系统要求的总速率，N_i表示每个子载波上相互独立的噪声的方差。在算法迭代过程中某个子载波上的R_i值可能出现负值，那么将这个子载波排除，因此D是尚未排除的子载波上数目。该算法在大大降低运算量的前提下实现了性能的准最佳化，但对于高速的数据传输，它的运算量依然较大。

6、子带分配算法

上述方法中的比特和功率分配都是基于单个子载波的。但是随着子载波数目的增大，每个子载波所占的带宽变小，这样距离近的子载波的信道特性较大。因此在不严重降低系统容量的前提下，为了减少计算量，提高比特分配速率，可将相邻的m个子载波作为一个子带，子带中的所有子载波都使用相同的比特分配方式。使用该方法时必须注意：如果子带大小不合适，选择的太大时，子带内的子载波之间的相关性变小，那么此时必须使用子带中衰落最大的子载波的信道特性作为比特分配的依据。为克服这一问题，又提出了一种方法，该方法计算子带中使用不同调制方式时的BER，最后选择具有最大容量同时其BER小于给定门限的比特分配方法。尽管此方法也是基于子带的，但是此分配方法中不仅仅只考虑最差的子载波，因此系统的性能会得到提高。

请参阅图1所示，假定信道的冲击响应h(τ，t)，不同的多径之间是基于符号的间隔，每根径服从瑞利分布，同时有多普率频移存在。假定系统的采用N＝512点OFDM来传输信号，通过对h(τ，t)进行傅立叶变换，得到信道的频域传输函数，如图2所示是频域传输函数的幅度特性。可以看出对于采用OFDM调制，不同的信道的衰减是变化的，有的相近的信道变化比较缓慢，有的相近的信道变化比较快，没有固定的规律，因此，对于采用固定的子带分配方法有可能导致错误的分配，带来性能的下降。

因此，要解决现有技术中存在的诸多问题，必须设计一种简单快速的分配算法，保证分配的可靠性，实现快速的自适应信道传输技术。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提出了一种TD-SCDMA系统中兼容OFDM技术的自适应传输方法，通过简单的自适应子载波分配方法，缩短自适应分配的过程，提高自适应传输技术的可实现性。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

本发明提供一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，所述TD-SCDMA系统兼容OFDM技术，主要步骤如下：

根据不同的误码率要求确定不同的调制方式所需要的信噪比门限

通过信噪比门限的范围来确定不同的调制方式的选用

通过信道估计获得不同子载波的信噪比特性

子载波信噪比高的分配较高的调制方式，信噪比低一些的采用低一些的调制方式，信噪比差的不被用作传输信号。

所述传输方法可传输数据信道和信令信道的。

该方法首先是对数据信道和信令信道的数据进行扩频，再采用OFDM调制，然后在发送的过程中根据自适应分配的原则，在不同的子载波采用不同的调制方式，接收端解调之后，对数据进行解扩，然后判决发送数据。

所述TD-SCDMA系统可以很方便地实现自适应传输技术，具体为预留一部分的信道资源，如一个较小的时间间隔或者是空闲的子载波，用于发送反馈的信道信息或者是自适应调制的控制信息。

所述对于不同调制方式的门限值，在分配过程中可以通过查表的方式来实现。

所述信道信息的估计可以通过在时域添加导频时隙获得，也可以通过在频域添加特定的导频子载波来获得，然后通过插值的方法得到其他数据子载波的信道特性。

所述对于不同的数据传输类型，目标误码率的设置是不同的，当是语音信号时误码率相对高一些，对于数据业务误码率低一些。

本发明具有的优点是：

1、可以根据不同信道的特点快速的实现子载波的调制方式的分配。

2、将信噪比落在相同调制方式区间的子载波分配相同的调制方式，简化了分配的过程，从而加快了分配的速度，便于实际系统的实现。

3、不同调制方式的门限可以根据不同的误码率要求来动态的变化，保证了自适应分配的灵活性。

4、调制门限的设定可以保证不同子载波的误码率达到目标信噪比的要求。

5、本方法可以推广到不同调制方式的混合采用，这样每个子载波的调制比特分配将更加的合理和精细，具有很好的扩展性。

附图说明：

图1是本发明现有技术中多径衰落信道的时域冲击响应的示意图。

图2是本发明现有技术中多径衰落信道的频域传输函数的示意图。

图3是本发明兼容OFDM技术的TD-SCDMA系统中的不同子载波的信噪比的示意图。

图4是本发明中各调制方式的门限设置的示意图。

图5是本发明自适应传输技术的实现框图。

图6是本发明各子载波分配的调制比特数的示意图。

具体实施方式：

本发明提出了一种简单的子载波分配方法，可以实现快速的子载波分配。首先，根据信道估计获得信道的特性，得到各个子载波的信噪比，然后在给定的误码率要求下确定不同调制方式的信噪比要求，接着设定不同调制方式的信噪比范围，最后根据子载波落在对应的信噪比范围内确定对应的调制方式。

本发明的具体实施步骤如下：

(1)在时域插入导频信道，通过信道估计获得时域的信道特性，然后通过傅立叶变化变换到频域，得到各个子载波的信道特性；或者通过在特定子载波插入的导频，通过信道估计直接得到频域上各个子载波的信道特性。

(2)根据误码率的要求，对于每个子载波上传输不同的比特数可以得到不同的信噪比要求，这里假定采用QAM调制作为例子进行分析，该方法也可以推广到其他不同的调制方式。在采用QAM调制(调制比特数为偶数时)解调方式时，误码率P_e、比特位b与信噪比SNR有如下的数量关系：

$P_e=1-[1-2[1-1/\sqrt{M}\left]\mathrm{erfc}\right[\sqrt{\frac{3{\log }_{2}M}{M-1}}\mathrm{SNR}]{]}^2$

$=1-[1-2[1-\frac{1}{\sqrt{2^b}}\left]\mathrm{erfc}\right[\sqrt{\frac{3b}{2^b-1}\mathrm{SNR}}]{]}^2---\left(5\right)$

其中，补余误差函数 $\mathrm{erfc}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_x^{\∞}{e}^{-t^2}\mathrm{dt}.$ 通过设定目标误码率P_e的要求，根据式(5)可以得到对于传输不同的比特位b(采用不同的调制方式)所需要的信噪比SNR。因此，根据不同误码率和调制的要求来设定所需的传输信道的SNR门限值。

对于接收到的信号，假定发射功率为E_s，传输信道的第i个子载波的增益为H_i，噪声功率谱密度为σ_i ²，可以得到子载波i的信噪比：

${\mathrm{SNR}}_i=E_s|H_i{|}^2/{\mathrm{\σ}}_i^2---\left(6\right)$

在信道情况为多普勒频移15Hz，最大时延0.2μs，数据采样率为f_s＝9.6MHz，噪声为高斯白噪，假设每个子信道噪声方差相同。当系统采用64个子载波时，如图3所示，是不同子载波的信噪比。

(3)由式(5)可以看出在误码率P_e一定时，不同的调制方式是与信噪比SNR(P_e)相对应的。因此，可以采用一种简单的分配方式，即根据不同的调制方式设定信噪比的门限，如图4所示。根据式(5)获得不同调制方式的门限，对于4QAM为[a，b)，16QAM为[b，c)，64QAM为[c，d)。根据不同子载波的信噪比所对应的调制方式信噪比区域，来确定所采用的调制方式，这样可以快速的实现子载波的分配。如图5所示，图5是提出自适应传输技术的实现框图。

(4)通过本发明可以快速的得到每个子载波采用的调制方式，该分配结果可以实现：信道较好的子载波采用较高的调制方式，信道差一些的采用低一些的调制方式，信道很差的信道就不用来传输数据。分配的结果如图6所示。

本发明的好处如下：

1、可以根据不同信道的特点快速的实现子载波的调制方式的分配。

2、将信噪比落在相同调制方式区间的子载波分配相同的调制方式，简化了分配的过程，从而加快了分配的速度，便于实际系统的实现。

3、不同调制方式的门限可以根据不同的误码率要求来动态的变化，保证了自适应分配的灵活性。

4、调制门限的设定可以保证不同子载波的误码率达到目标信噪比的要求。

5、本方法可以推广到不同调制方式的混合采用，这样每个子载波的调制比特分配将更加的合理和精细，具有很好的扩展性。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (7)

1、一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，所述TD-SCDMA系统兼容OFDM技术，其特征在于：主要步骤如下：

根据不同的误码率要求确定不同的调制方式所需要的信噪比门限

通过信噪比门限的范围来确定不同的调制方式的选用

通过信道估计获得不同子载波的信噪比特性

子载波信噪比高的分配较高的调制方式，信噪比低一些的采用低一些的调制方式，信噪比差的不被用作传输信号。

2、根据权利要求1所述的一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，其特征在于：所述传输方法可传输数据信道和信令信道的。

3、根据权利要求1或2所述的一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，其特征在于：该方法首先是对数据信道和信令信道的数据进行扩频，再采用OFDM调制，然后在发送的过程中根据自适应分配的原则，在不同的子载波采用不同的调制方式，接收端解调之后，对数据进行解扩，然后判决发送数据。

4、根据权利要求1所述的一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，其特征在于：所述TD-SCDMA系统可以很方便地实现自适应传输技术，具体为预留一部分的信道资源，如一个较小的时间间隔或者是空闲的子载波，用于发送反馈的信道信息或者是自适应调制的控制信息。

5、根据权利要求1所述的一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，其特征在于：所述对于不同调制方式的门限值，在分配过程中可以通过查表的方式来实现。

6、根据权利要求1所述的一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，其特征在于：所述信道信息的估计可以通过在时域添加导频时隙获得，也可以通过在频域添加特定的导频子载波来获得，然后通过插值的方法得到其他数据子载波的信道特性。

7、根据权利要求1所述的一种TD-SCDMA系统中的自适应传输方法，其特征在于：所述对于不同的数据传输类型，目标误码率的设置是不同的，当是语音信号时误码率相对高一些，对于数据业务误码率低一些。

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