鏈路自適應(yīng)技術(shù)研究

1、鏈路自適應(yīng)技術(shù)研究尹樂(lè),趙振綱北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院,北京(100876E-mail :摘 要:本文主要論述了移動(dòng)通信系統(tǒng)中的鏈路自適應(yīng)技術(shù)的基本原理和主要研究?jī)?nèi)容。 重 點(diǎn)研究了功率控制技術(shù)和鏈路速率自適應(yīng)技術(shù)及其相關(guān)的自適應(yīng)調(diào)制、 自適應(yīng)編碼技術(shù)的基 本原理和主要內(nèi)容,最后簡(jiǎn)要分析了鏈路自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:鏈路自適應(yīng),功率控制,調(diào)制中圖分類號(hào):TN911.221. 引言在移動(dòng)通信系統(tǒng)中, 為提高系統(tǒng)性能, 對(duì)抗信道的衰落特性, 常采用改造信道和適應(yīng)信 道兩種方法。 適應(yīng)信道的技術(shù)即自適應(yīng)技術(shù)主要用于克服信道的慢衰落特性和由于用戶位置 和環(huán)境變化而引入的信道變化。 自適應(yīng)技術(shù)包括

2、物理層自適應(yīng)技術(shù)、 鏈路層自適應(yīng)技術(shù)和網(wǎng) 絡(luò)層自適應(yīng)技術(shù)。 主要的物理層自適應(yīng)技術(shù)有自適應(yīng)編碼、調(diào)制、功率控制、速率控制等。鏈路層自適應(yīng) 技術(shù)包括 ARQ 技術(shù)、擁塞控制技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)層自適應(yīng)技術(shù)包括跨層協(xié)作等 1。我們通常所 說(shuō)的鏈路自適應(yīng)技術(shù)常指網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的自適應(yīng)技術(shù)。 鏈路自適應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤信道變化 , 根據(jù)信道情況確定當(dāng)前信道的容量 , 進(jìn)而確定傳輸?shù)男畔⒎?hào)速率、發(fā)送功率、編碼速率和 編碼方式、調(diào)制的星座圖尺寸和調(diào)制方式等參數(shù) , 因此可以最大限度地發(fā)送信息 , 實(shí)現(xiàn)更低的 誤碼率 , 并保持恒定發(fā)射功率 , 以減輕對(duì)其他用戶的干擾 , 滿足不同業(yè)務(wù)的需求 , 提高系統(tǒng)的整 體吞吐

3、量。 因此, 鏈路自適應(yīng)技術(shù)不僅是移動(dòng)通信領(lǐng)域中保證通信正常進(jìn)行的基本技術(shù), 更 是提高信道容量,改善通信質(zhì)量的重要技術(shù)。2. 自適應(yīng)技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容使用自適應(yīng)技術(shù)的前提條件是:準(zhǔn)確的信道估計(jì); 有反饋信道及時(shí)回傳信道信息; 回傳消息快于信道變化。下面將詳細(xì)介紹鏈路自適應(yīng)中的關(guān)鍵技術(shù): 功率控制技術(shù)功率控制技術(shù)主要應(yīng)用于電路交換(主要是話音業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。按照實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),可以 分為上行功控和下行功控。上行(反向功控是指控制小區(qū)內(nèi)各個(gè)用戶的發(fā)射功率,使得基 站接收到所有用戶到達(dá)基站的信號(hào)的信號(hào)功率或信號(hào)干擾比 SIR 基本相等。這就要求基站遠(yuǎn) 的用戶提高發(fā)射功率, 而距離基站近的用戶降低發(fā)射功率。

4、由此可以降低基站中用戶信號(hào)以 強(qiáng)壓弱的 “ 遠(yuǎn)近效應(yīng) ” , 也可以降低處于小區(qū)邊緣的用戶受臨近小區(qū)較強(qiáng)干擾而產(chǎn)生的 “ 角 ” 效 應(yīng)。 對(duì)于干擾受限的 CDMA 系統(tǒng), 由于減少了用戶間干擾, 因而也增大了同一小區(qū)內(nèi)的用戶 容量,同時(shí)帶來(lái)的好處是節(jié)省了用戶(移動(dòng)臺(tái)的耗電。下行(前向功控與上行功控有很 大不同, 原因在于上行鏈路是多個(gè)用戶對(duì)一個(gè)基站, 而下行鏈路是一個(gè)基站對(duì)多個(gè)用戶。 下 行鏈路的主要干擾主要來(lái)自于臨近基站, 而不是其它用戶。 因此, 下行功控的實(shí)質(zhì)是根據(jù)接 收的不同用戶的導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)弱,對(duì)基站發(fā)射機(jī)的功率進(jìn)行再分配,即為自適應(yīng)功率分配, 通過(guò)這種慢變化地分配各業(yè)務(wù)信道的功率

5、份額, 能夠使小區(qū)內(nèi)的所有用戶收到的信號(hào)干擾比 SIR 基本相等。功率控制從實(shí)現(xiàn)的手段上又可以分為開環(huán)功控和閉環(huán)功控。 開環(huán)是指發(fā)送端不需要知道 信道響應(yīng), 也不建立發(fā)送反饋。 開環(huán)功控是指在無(wú)反饋的情況下, 發(fā)送方依據(jù)已經(jīng)接收到的 信號(hào)強(qiáng)度或 SIR , 對(duì)信道的衰落情況和距離遠(yuǎn)近作出實(shí)時(shí)估計(jì)。 開環(huán)功控的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行, 開銷小且速度快,能有效克服 “ 陰影 ” 效應(yīng)引起的慢衰落。缺點(diǎn)是精度不高,且由于空間選擇 性衰落而引起的慢平坦衰落不具備上下行的對(duì)稱性, 故其對(duì)抗這類衰落的效果也不好。 閉環(huán) 是指接收端已知信道響應(yīng), 由反饋回路將信道信息返回給發(fā)送端, 這樣收發(fā)雙方都知道信道 特性。

6、只有在接收端也知道信道特性時(shí), 才能夠提高系統(tǒng)吞吐率, 故閉環(huán)的控制精度遠(yuǎn)好于 開環(huán)控制,但一方面,閉環(huán)控制增加了系統(tǒng)復(fù)雜度,增大了系統(tǒng)開銷,另一方面,如果信道 變化太快,反饋不夠及時(shí),則其性能反而不如開環(huán)控制。另外,閉環(huán)功控中若用于小區(qū)硬切 換時(shí),也會(huì)由于邊緣地帶信號(hào)電平的波動(dòng)性,易產(chǎn)生乒乓式控制,引起穩(wěn)定性下降,控制時(shí) 延增大等問(wèn)題。所以在閉環(huán)功控中,要采用越區(qū)軟切換模式。在實(shí)際的系統(tǒng)中, 對(duì)于時(shí)分雙工 TDD 移動(dòng)通信系統(tǒng), 由于其上、 下行鏈路處于同一頻段 的不同時(shí)隙, 只要上下行時(shí)隙間隔不是很大, 基本上可以認(rèn)為信道衰落是對(duì)稱的, 則開環(huán)功 控有著天然的優(yōu)勢(shì) 2,而對(duì)于頻分雙工 FD

7、D 系統(tǒng),由于上下行頻段間隔大于信號(hào)帶寬,則 上下行鏈路中的慢衰落不相關(guān), 故使用開環(huán)功控就不能有效反映信道實(shí)際情況, 只能使用閉 環(huán)功控。功率控制中需要研究的問(wèn)題, 除了對(duì)于不同信道的控制手段, 還包括這些手段的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn) 則,即功控準(zhǔn)則。這些準(zhǔn)則包括:功率平衡準(zhǔn)則;信號(hào)干擾比準(zhǔn)則;功率平衡和 SIR 平衡混 合體制; 誤碼率 BER 平衡準(zhǔn)則。 依據(jù)這些準(zhǔn)則, 發(fā)射方調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)的電平, 實(shí)現(xiàn)功率控制。 數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)技術(shù)數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)技術(shù)是一個(gè)寬泛的概念, 它是信道調(diào)制技術(shù)、 編碼技術(shù)等多種技術(shù)的綜 合結(jié)果, 速率自適應(yīng)技術(shù)追求的目標(biāo)是系統(tǒng)的最大吞吐率, 常常用于分組交換 (主要是數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)

8、 通信系統(tǒng)中, 其特點(diǎn)是具有突發(fā)性的不連續(xù)傳輸?shù)姆菍?shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。 這種傳輸常常上下 行信道不對(duì)稱, 且對(duì)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)不敏感而對(duì)差錯(cuò)率要求較高。 速率自適應(yīng)主要包括自適 應(yīng)發(fā)送、 自適應(yīng)接收、 信道估計(jì)和自適應(yīng)算法與控制幾個(gè)方面的內(nèi)容。 自適應(yīng)發(fā)送是指自適 應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),從原理上看,它可能包含時(shí)、頻、空域自適應(yīng)技術(shù)。一般的自適應(yīng)發(fā)送都是 指時(shí)域自適應(yīng)。 時(shí)域自適應(yīng)的主要技術(shù)包括自適應(yīng)調(diào)制和解調(diào)、 自適應(yīng)編碼與譯碼、 自適應(yīng)均衡等 3。自適應(yīng)接收是接收端自適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),是適合發(fā)送與時(shí)變信道的聯(lián)合逆運(yùn)算, 同樣含有時(shí)、頻、空域。最常用的仍是時(shí)域自適應(yīng)接收,特別是自適應(yīng)解調(diào)與自適應(yīng)譯碼。 信道估計(jì)是時(shí)

9、變信道自適應(yīng)的核心技術(shù)之一, 其準(zhǔn)確性決定了自適應(yīng)的特性。 自適應(yīng)算法和 控制是根據(jù)信道估計(jì)形成的控制指令和如何執(zhí)行的調(diào)度算法 4。下面將著重研究自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)和自適應(yīng)編碼技術(shù)。 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)調(diào)制方式的星座設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。 不同的調(diào)制方式具有不同的傳輸 速率 , 在同樣誤碼率性能要求下所需要的發(fā)射功率也不相同。自適應(yīng)調(diào)制根據(jù)信道的時(shí)間、 頻率和空間選擇特性 , 將時(shí)、頻、空域劃分成多個(gè)子信道 , 根據(jù)各子信道的條件好壞 , 為它們分 配不同數(shù)目的比特 , 進(jìn)而映射為不同的調(diào)制方式 3。如圖 2 所示: 圖 2 自適應(yīng)調(diào)制原理框圖為了使各子信道上分配的比特?cái)?shù)目盡可能地與信道條

10、件相匹配 , 并且具有盡量低的復(fù)雜 度 , 人們提出了各種算法 3:(1 Water2Filling 算法Water2Filling 算法的原理是依據(jù)香農(nóng)信息論的注水定理。根據(jù)注水定理,為使系統(tǒng)總?cè)?量達(dá)到最大, 系統(tǒng)為信道條件好的子信道分配發(fā)射功率和數(shù)據(jù)比特, 對(duì)信道條件差的子信道 少分配或不分配發(fā)射功率和比特。 這種算法是最優(yōu)的自適應(yīng)算法, 它能使系統(tǒng)的頻譜利用率 逼近 Shannon 限。 但算法給每個(gè)子信道分配的比特?cái)?shù)目可能為非整數(shù) , 不存在相應(yīng)的調(diào)制方式 , 而且其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相當(dāng)高 , 所以很少應(yīng)用于高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中。但它提供了一條實(shí)現(xiàn)多信 道傳輸?shù)乃悸?, 很多次優(yōu)的近似算法被

11、提出來(lái)。(2 Hughes2Hartogs 算法該算法的優(yōu)化準(zhǔn)則是在發(fā)射功率受限和干擾受限的前提下使頻譜效率最高。 它是一種基 于迭代的連續(xù)比特和功率分配算法。每一次迭代只分配一個(gè)比特 , 該比特分配給只需要增加 最少發(fā)射功率就能維持目標(biāo)誤碼率的子信道。 迭代過(guò)程循環(huán)進(jìn)行 , 直到所有功率被分配完畢。 該算法的缺點(diǎn)是運(yùn)算復(fù)雜度高 , 實(shí)時(shí)性較差。而且 , 該算法無(wú)法事先決定調(diào)制方式的個(gè)數(shù)和種 類 , 只有各子信道的比特?cái)?shù)確定后才能確定這些參數(shù) , 造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性較差。(3Chow 算法該算法是為了減少自適應(yīng)比特和功率分配算法中的迭代次數(shù)和每次迭代中復(fù)雜的排序 操作而被提出來(lái)的。其優(yōu)化準(zhǔn)則

12、與 Hughes2Hartogs 算法相同。算法首先經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算得到 參數(shù) , 然后直接通過(guò)閉式解為各子信道分配比特速率。 由此分配的比特速率有可能是非整數(shù) , 這時(shí)必須將其量化成整數(shù) , 為了彌補(bǔ)比特量化帶來(lái)的性能損失 , 在分配發(fā)射功率時(shí)必須保證各 子信道的性能達(dá)到目標(biāo)誤碼率。由于不要求復(fù)雜的迭代計(jì)算和比較操作 ,Chow 算法的實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜度顯著降低 , 而其性能比最優(yōu)的 Water2Filling 算法相差很小。(4Fischer 算法相比其它算法, Fischer 算法是目前最適合于高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中的基于 OFDM 系統(tǒng)的 自適應(yīng)比特和功率分配算法。 其優(yōu)化準(zhǔn)則是在保持恒定傳輸速率和

13、使用給定總發(fā)射功率前提 下使系統(tǒng)的誤碼率最小 , 這正是很大一部分無(wú)線通信系統(tǒng)所期望的。該算法不需要迭代運(yùn)算 , 而是按照其提供的閉式解給各子載波分配比特?cái)?shù)和發(fā)射功率 , 如果分配的比特?cái)?shù)為負(fù)數(shù) , 就去 除該子載波重新分配 , 對(duì)于非整數(shù)比特速率還要量化為整數(shù) , 最后各子載波分配的總比特?cái)?shù)等 于恒定傳輸速率。該算法的比特和功率分配都有閉式解 , 是目前已知的自適應(yīng)比特和功率分 配算法中復(fù)雜度最小 , 而且其性能優(yōu)于 Chow 算法。 自適應(yīng)編碼技術(shù)自適應(yīng)編碼技術(shù)是指根據(jù)信道特性的不同選擇不同的信道編碼方式, 這種做法的好處是 既能保證信道的編碼增益, 又能有效利用帶寬。 自適應(yīng)信道編碼將信

14、道的變化情況離散為有 限狀態(tài) (如有限狀態(tài) Markov 信道模型 ,對(duì)每一種信道狀態(tài)采用不同的信道編碼方式,編碼方 式一般采用 RCPT(速率匹配鑿孔 Turbo 碼 和軟判決維特比譯碼 , 這樣不必對(duì)編碼器和譯碼 器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改 , 減小了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度 , 增加了系統(tǒng)的靈活性 4。3. 鏈路自適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展方向鏈路自適應(yīng)技術(shù)還包括功率和數(shù)據(jù)速率聯(lián)合自適應(yīng)技術(shù)、 自適應(yīng)均衡技術(shù)、 跨層協(xié)作自 適應(yīng)技術(shù)等一些重要內(nèi)容, 限于篇幅, 不再作一一闡述。 鏈路自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成為日前通信 領(lǐng)域里的重要技術(shù)。 當(dāng)前 ,3G 系統(tǒng)即將投入運(yùn)營(yíng) , 作為一項(xiàng)提高頻譜利用率的非常有效的技術(shù) , 鏈路自適應(yīng)必

15、將成為支撐 Beyond 3GP4G的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了謀求更大的數(shù)據(jù)傳輸能力 , 許 多研究人員正在致力于如何將鏈路自適應(yīng)與 OFDM 和 MIMO 更好地結(jié)合 , 進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化 , 如設(shè) 計(jì)好的自適應(yīng)空、時(shí)、頻域的聯(lián)合調(diào)制編碼 , 保證分集度高、編碼增益大 , 將編碼、調(diào)制、空 間分集和頻率分集更好地結(jié)合在一起提出效率更高的 LA 算法。 另外 , 如何進(jìn)行更精確的信道 估計(jì)和即時(shí)獲取信道狀態(tài)信息 , 以及尋求更完善的同步機(jī)制 , 對(duì)于自適應(yīng)編碼調(diào)制和高階調(diào)制 的性能至關(guān)重要 , 也是工程應(yīng)用中非常值得研究的問(wèn)題。已經(jīng)有越來(lái)越多的工程師和科學(xué)家 進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的研究,相信未來(lái)的移動(dòng)通信領(lǐng)域中

16、,鏈路自適應(yīng)技術(shù)必將大有作為。參考文獻(xiàn)1 耿國(guó)桐,黃慶松,吳偉陵 . 鏈路自適應(yīng)技術(shù)研究 . 數(shù)據(jù)通信, 2003.62 雷鳴 . 無(wú)線通信中鏈路自適應(yīng)及 TDD 關(guān)鍵技術(shù)研究 . 北京郵電大學(xué)博士論文 ,2003. 33 高路 , 牛凱 , 吳偉陵 . 自適應(yīng)調(diào)制與編碼系統(tǒng)及其在 WCDMA 中的應(yīng)用 . 電訊技術(shù) ,2002.64 臧道華,黃光明,趙惠昌 . 自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)在衰落信道中的應(yīng)用 . 無(wú)線電工程 .2002.25 吳偉陵 , 牛凱 . 移動(dòng)通信原理 . 電子工業(yè)出版社Study of Adaptive Theory Adaptive of the Linke Layer Yin

17、 Le, Zhao ZhengangDepartment of Information Engineering. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876AbstractIn this paper the theory of adaptive of the link layer is mainly discussed .The key points of it are power control and the adaptive of the linke layer speed. It also discusses the basic theory and k