自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用

1、 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用葛躍田(東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇南京210096摘要:自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)是克服無線信道的時(shí)變性的一種重要鏈路適應(yīng)技術(shù)。常用的鏈路自適應(yīng)技術(shù)有自適應(yīng)功率控制、自適應(yīng)調(diào)制編碼、自適應(yīng)幀長(zhǎng)等。本文主要介紹了兩種自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù), 并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:自適應(yīng)調(diào)制編碼; 時(shí)變信道; 自適應(yīng)功率控制; 時(shí)變性中圖分類號(hào):TN 92915文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B :373X 03403Adaptive M odula tion and Cod i ng Comm un ica tion s(ati obile on , U niversity , N a

2、njing , 210096, Ch ina Abstract :A on and coding is a key link adap tati on techno logy to overcom e the ti m e variable in w ireless chan 2nel 1T he link adap tati on techno logy includes adap tive trans m it pow er contro l , adap tive modulati on and coding , adap tive fram e length contro l etc

3、1T h is paper introduces tw o adap tive modulati on and coding and analysis their m erits and disadvantages 1Keywords :adap tive modulati on and coding ; ti m evariable channel ; trans m it pow er contro l ; ti m evariable1引言調(diào)制編碼方式等。設(shè)計(jì)鏈路自適應(yīng)技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮如何調(diào)節(jié)以上幾種參數(shù)來適應(yīng)信道的時(shí)變性。由于調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單, 第二代和第三代移動(dòng)通信技術(shù)采用

4、傳輸功率控制(T PC 技術(shù)來適應(yīng)信道的時(shí)變性。傳輸功率控制技術(shù)雖然可以保證鏈路的通信質(zhì)量, 但是他存在2個(gè)無法克服的缺點(diǎn):一是存在所謂的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”, 限制了整個(gè)系統(tǒng)的容量; 二是存在所謂的“噪聲提升效應(yīng)”, 導(dǎo)致每個(gè)接收機(jī)收到一個(gè)額外的噪聲提升。因此, 人們努力研究新的鏈路自適應(yīng)技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能。采用調(diào)節(jié)通信的調(diào)制編碼方式來適應(yīng)信道變化的技術(shù)是目前研究最熱門的鏈路自適應(yīng)技術(shù)之一。2自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)的原理和特點(diǎn)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中, 由于無線衰落信道時(shí)變的特點(diǎn), 使通信過程存在大量的不確定性。一方面, 為了提高系統(tǒng)吞吐量, 采用傳輸速率較高的高階調(diào)制和少冗余糾錯(cuò)碼進(jìn)行通信, 這樣在無線衰落

5、信道信噪比較理想時(shí)系統(tǒng)吞吐量確實(shí)得到了很大的提高, 但當(dāng)信道處于深衰落時(shí)則無法保障通信可靠穩(wěn)定地進(jìn)行; 另一方面, 為了保障通信的可靠性, 采用傳輸速率較低的低階調(diào)制和大冗余糾錯(cuò)碼進(jìn)行通信, 即便在無線信道處于深衰落時(shí)能夠保障通信可靠穩(wěn)定地進(jìn)行, 然而當(dāng)信道信噪比較高時(shí), 由于傳輸速率較低, 制約了系統(tǒng)的吞吐量的提高, 從而造成了資源浪費(fèi)。在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展早期, 人們對(duì)抗無線衰落信道的時(shí)變特性, 只能采用加大發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、使用低階大冗余的調(diào)制編碼方法來保障系統(tǒng)在信道深衰落時(shí)的通信質(zhì)量, 還無暇考慮如何提高系統(tǒng)的吞吐量。隨著科技水平的進(jìn)步, 出現(xiàn)了可根據(jù)信道狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)其發(fā)射功率、調(diào)制

6、編碼方式以及數(shù)據(jù)的幀長(zhǎng)來克服信道的時(shí)變特性從而獲得最佳通信效果的技術(shù), 被稱為鏈路自適應(yīng)技術(shù)。發(fā)射端隨信道環(huán)境可以調(diào)節(jié)的參數(shù)有發(fā)射功率、收稿日期:20030901自適應(yīng)調(diào)制編碼(AM C 技術(shù)的基本原理是當(dāng)信道狀態(tài)發(fā)生變化時(shí), 發(fā)射端保持發(fā)射功率不變, 而隨信道狀態(tài)自適應(yīng)的改變調(diào)制和編碼方式, 從而在不同的信道狀態(tài)下獲得最大的吞吐量。在現(xiàn)代移動(dòng)通信中, 系統(tǒng)擁有多種物理層(PH Y 傳輸模式可供選擇, 自適應(yīng)調(diào)制編碼實(shí)際上就是根據(jù)信道條件合理的選擇PH Y 傳輸模式。如圖1所示, 采用PH Y 模式1(本例中B PSK 調(diào)制, 碼率為1 2卷積碼編碼 時(shí), 在信道信噪比較高時(shí)系統(tǒng)吞吐量很低;

7、而采用PH Y 模式8(64QAM 調(diào)制, 碼率為3 4卷積碼編碼 時(shí), 雖然在34 高信噪比時(shí)系統(tǒng)吞吐量很高, 但當(dāng)信道處于較低信噪比時(shí), 無法進(jìn)行正常通信。而采用自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)則很好地在通信的可靠穩(wěn)定性與系統(tǒng)吞吐量之間取得折中, 圓滿地解決了二者的矛盾。選擇什么傳輸模式由系統(tǒng)所采用的自適應(yīng)調(diào)制編碼算法決定。自適應(yīng)調(diào)制編碼算法可分為探索(H eu ristci 類和基于信道估計(jì)的自適應(yīng)算法 。的物理層(PH Y 傳輸模式進(jìn)行, 并同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器。當(dāng)計(jì)時(shí)器超期或成功接收到的A ck 幀累計(jì)達(dá)到10個(gè), 數(shù)據(jù)傳輸模式升一級(jí)并取消計(jì)時(shí)器; 但當(dāng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器后緊接著的1個(gè)幀又失敗, 則傳輸模式

8、再降一級(jí)并重啟計(jì)時(shí)器。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是由于不需要進(jìn)行信道估計(jì)實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單, 也不存在由于信道估計(jì)誤差帶來的性能損失。但是由于他是屬于純探索類的AM C 技術(shù), 他不能夠?qū)π诺赖臅r(shí)變性作出快速的反應(yīng), 轉(zhuǎn)換調(diào)制編碼方式往往滯后于信道的變化, 因此采用A R F 。另外在(T i m e 2t F , 2個(gè)條件:10個(gè), 或預(yù)設(shè)的計(jì)時(shí)器超期。很明顯, 不同的時(shí)限值將影響系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)1中并沒有明確規(guī)定時(shí)限值, 只能在使用時(shí)根據(jù)幀長(zhǎng)、最大重傳次數(shù)等因素決定。文獻(xiàn)2表明該時(shí)限值在515之間取值比較合理, 吞吐量提高較明顯。212基于信道估計(jì)的AM C 算法探索類的AM C 算法雖然實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單,

9、 但并不能完全適應(yīng)信道的變化, 因?yàn)樗麤]有進(jìn)行信道估計(jì), 就不能充分利用信道的信息?；谛诺拦烙?jì)的AM C 算法的基本原理是:接收端在接收數(shù)據(jù)的同時(shí),圖1自適應(yīng)調(diào)制編碼的突出優(yōu)點(diǎn)211探索類AM C 技術(shù)比較成熟并已經(jīng)應(yīng)用到商業(yè)產(chǎn)品中的探索類自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)是自動(dòng)傳輸率后退協(xié)議(A u toR ate1Fallback , A R F 。A R F 算法已成功應(yīng)用在朗訊科技的W aveLAN II 的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。該算法根據(jù)其對(duì)時(shí)間函數(shù)以及失敗的A ck 幀的跟蹤結(jié)果來變換其數(shù)據(jù)傳輸率, 其原理如圖2所示。根據(jù)所接收數(shù)據(jù)信號(hào)的幅值變化以及錯(cuò)誤率等因素來估計(jì)和預(yù)測(cè)下一數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)的信道狀況并

10、將其反饋回發(fā)射端, 發(fā)射端再根據(jù)反饋值決定下一幀所應(yīng)該采用的調(diào)制編碼方式, 從而更好地適應(yīng)信道的變化。發(fā)射端所采用的PH Y 模式轉(zhuǎn)換方法不同對(duì)系統(tǒng)性能的影響也不同。常用的PH Y 模式轉(zhuǎn)換方法有2種3。第1種是如圖3所示的基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(R SS I 的PH Y 模式轉(zhuǎn)換方法 。圖2A R F 算法基本原理圖圖3基于R SS I 的PH Y 模式轉(zhuǎn)化方法的原理框圖如果連續(xù)2個(gè)A ck 幀未能被發(fā)端成功接受, 則當(dāng)前數(shù)據(jù)包的第2次重傳以及隨后的數(shù)據(jù)傳輸用低一級(jí)一個(gè)幀的基帶信號(hào)的平均幅值可以成為無線信道的短期徑損大小的標(biāo)志。如果這個(gè)值降低了, 則有2種35 可能性, 信道處于深衰落或移動(dòng)

11、臺(tái)到達(dá)小區(qū)的邊緣了。第1種情況則降低PH Y 傳輸模式來保障通信的順利進(jìn)行; 第2種情況則進(jìn)行小區(qū)切換處理。同樣道理, 如果該值升高了, 則可提升PH Y 傳輸模式級(jí)別。采用R SS I 轉(zhuǎn)換方法可以根據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)不同采用2種準(zhǔn)和延時(shí)沒有要求的分組交換業(yè)務(wù), 如WWW 網(wǎng)頁瀏覽和文件下載業(yè)務(wù)。(2 自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)保持發(fā)射功率恒定, 信道條件好的用戶擁有較高數(shù)據(jù)傳輸率, 而信道條件差的用戶只能采用低數(shù)據(jù)率進(jìn)行通信, 這樣不僅避免了功率控制技術(shù)中的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”, 而且也克服了1個(gè)用戶對(duì)其他用戶的干擾發(fā)生變化問題, 降低了網(wǎng)絡(luò)的干擾余量, 解決了快速功率控制技術(shù)中的“噪聲提升”效應(yīng), 提高了系統(tǒng)

12、的容量。3則:一是選擇適當(dāng)?shù)腜H Y 傳輸模式, 保證數(shù)據(jù)包的比特差錯(cuò)率(B ER 不變; 二是同樣選擇適當(dāng)?shù)腜H Y 傳輸模式, 保證數(shù)據(jù)吞吐量不變。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是控制比較靈活, 既能夠控制數(shù)據(jù)包的B ER 又能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量; 缺點(diǎn)是在接收端要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣、量化處理, 實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。第2種常用的PH Y 模式轉(zhuǎn)換方法是基于錯(cuò)誤檢測(cè)的方法, 如圖 4所示。, 例A H SD PA (高速下行分組接入技術(shù) 中采用自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)和混合重傳技術(shù)(HA RQ 作為其鏈路自適應(yīng)技術(shù)4; IEEE 8021115,62等無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)IEEE 802116, H IPERLAN均

13、采用自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)來克服無線信道的時(shí)變性?？傊? 由于自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單, 在下一代移動(dòng)通信中必將得到廣泛的應(yīng)用。圖4基于檢錯(cuò)的PH Y 模式轉(zhuǎn)換方法的原理框圖該方法的原理是采用一種冗余小的糾錯(cuò)碼如BCH (63, 57, 1 , 雖然他的糾錯(cuò)能力非常差, 但他能夠進(jìn)行檢錯(cuò)從而告知信道的質(zhì)量。采用這種方法須增加一額外的糾錯(cuò)碼來進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)。研究表明, 這種系統(tǒng)的性能比R SS I 系統(tǒng)性能要差, 這是因?yàn)樵跈z測(cè)到錯(cuò)誤后再改變下一幀的PH Y 模式往往顯得滯后了。另外這種系統(tǒng)控制也不如前者靈活?？傮w來說, 由于充分利用了信道的信息, 基于信道估計(jì)的自適應(yīng)調(diào)制編碼技

14、術(shù)要比純探索類的性能要好, 當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來也相對(duì)復(fù)雜些。對(duì)于基于信道估計(jì)的自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)影響其性能的因素有:信道估計(jì)誤差、反饋信道中的噪聲和時(shí)延等, 這也是目前研究中要努力解決的問題。213自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)的特點(diǎn)參考文獻(xiàn)1Kam er m an A , M on teban L 1W aveLANh ighII :Ap erfo r m ance w ireless LAN fo r the un li 21331cen sed band J 1B ell L ab s T echn ical , Summ er 1997:1182D aji Q iao , Sunghyun Cho i

15、, Goodpu t analysisand link A dap tati on fo r IEEE 802111a W ire 2less LAN s J 1IEEE T ran s 1M ob ile Com p u t 2ing , 2002, 1(4 :27829213W ebb W T , Steele R 1V ariab le rate QAM fo rm ob ile radi o J 1IEEE T ran s 1Comm , 11995,43(7 :22232230143GPP T echn ical R epo rt , Physical L ayerA spects of U TRA H igh Speed Dow n link Packet A ccess , 3GPP TR 251848, V 4101015IEEE 8021111W ireless LAN M edium A ccessCon tro l (M A C and Physical L ayer (PH Y Specificati on s J 1Standard , IEEE , 1999, (8 16802116a IEEE