ofdm系統(tǒng)仿真中單互信息rrm映射方法的研究

ofdm系統(tǒng)仿真中單互信息rrm映射方法的研究

1動態(tài)值映射方法dvi和多通道級仿真器在不同的移動速度環(huán)境下，高速率低延遲數(shù)據(jù)傳輸是未來移動通信系統(tǒng)的一個重要特征。由于OFDM(A)具有高頻譜利用率和低符號間干擾(ISI)的優(yōu)越特點,它一直被認(rèn)為是下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)用和多址的首選技術(shù)之一。眾所周知,無線系統(tǒng)仿真器一般用于無線網(wǎng)絡(luò)性能的評估。然而,具有較高分辨率和較長仿真時間要求的系統(tǒng)仿真將導(dǎo)致沉重的系統(tǒng)計算負(fù)擔(dān),有時甚至是不可承受的。因此,分離的鏈路和系統(tǒng)級仿真器對于網(wǎng)絡(luò)性能的評估是必需的。但是這樣就必須定義兩個仿真器之間的數(shù)據(jù)交互方法。在以前的文獻中,鏈路級和系統(tǒng)級仿真器之間一般使用平均值接口和真實值接口(AVI)的方法。但是由于這兩種方法的不精確性和復(fù)雜性,如果把它們用于基于OFDM技術(shù)的多載波通信系統(tǒng)評估不是很有效。同時,文獻也討論了基于特征值分布的映射方法,但是計算特征值卻增加了計算的復(fù)雜度。文獻探討了基于動態(tài)值映射的方法(DVI)。在這種方法中,鏈路級和系統(tǒng)級仿真器并行運行,系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)級仿真器中定義的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來計算信號功率,然后這個值被實時傳遞給鏈路級仿真器來決定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否是正確的。然而,DVI方法的極度復(fù)雜性也限制了它的應(yīng)用。在最近的3GPP提案和標(biāo)準(zhǔn)化工作中,幾個基于有效SINR概念的鏈路和系統(tǒng)級映射方法已經(jīng)被提出,這幾種方法能夠被有效地用于基于OFDM的多載波通信系統(tǒng)中。然而,目前對它們的介紹和研究在中英文文獻中都沒有看到。為了研究它們的原理、性能和特點,在這篇論文中,我們將主要探討在目前和未來的多載波移動通信系統(tǒng)中兩種主要的鏈路和系統(tǒng)級映射方法(L2S):指數(shù)有效SINR映射(EESM)和互信息有效SINR映射(MI-ESM)。EESM是一種非常簡單且易于實現(xiàn)的方法,當(dāng)使用它的時候,一個終端的所有子載波都必須使用相同的調(diào)制和編碼方式(MCS)。而MI-ESM是一種更高級的映射方法,它不會要求一個終端的所有子載波都使用相同的調(diào)制編碼方式(MCS)。這兩種方法的基本思想是統(tǒng)一的,都是要找到一個壓縮函數(shù)把一組不同的SINR序列映射成一個單一的SINR值,然后通過這個值我們就能夠查表得到真實的SINR值。本文將重點闡述在系統(tǒng)仿真器中如何把一個多狀態(tài)信道轉(zhuǎn)化為一個單狀態(tài)信道,以及有效SINR方法如何反映多個子載波SINR的性能,同時也要討論有效SINR映射方法的優(yōu)缺點以及它們對系統(tǒng)RRM設(shè)計的影響(例如,EESM情況下的功率分配)。而且,同時我們也會提及如何去構(gòu)建鏈路和系統(tǒng)級映射表(MCS,SINR,BLER)。2信號模型的建立很明顯,能夠進行準(zhǔn)確系統(tǒng)級仿真的關(guān)鍵之處是能夠根據(jù)一個即時信道狀態(tài)(例如OFDM系統(tǒng)每個子載波的SINR)得到相應(yīng)的誤塊率(BLEP)。如果用一組SINR值的集合來查找BLER值,那么鏈路級表格就太復(fù)雜了。這樣,為了解決這個問題,文獻和就提出了用有效SINR映射(ESM)的方法把多個OFDM子載波的SINR值{γk}先映射成一個有效的SINR值γeff,然后再用這個有效的SINR值從一條基本的AWGN鏈路級性能曲線上查找到BLER的估計值。對于這種有效SINR映射方法(ESM),很明顯下面的近似等式應(yīng)該成立:BLEΡ({γk})≈BLEΡAWGΝ(γeff)(1)BLEP({γk})≈BLEPAWGN(γeff)(1)這里BLEP({γk})是和即時信道狀態(tài){γk}對應(yīng)的真實信息包的錯誤概率(誤塊率);BLEPAWGN(γeff)是AWGN信道情況下的誤塊率。公式(1)必須對所有類型的信道都是成立的,也就是說,所有的信道條件下的SINR集合經(jīng)過有效SINR映射之后,都可以只查找一條AWGN下的性能曲線。為了滿足式(1),對于每種調(diào)制和編碼方式(MCS)都需要一個對應(yīng)的尺度因子。這里,我們用β來表示這個尺度因子。我們需要使用BLER預(yù)測方法來得到這個尺度因子,不同的BLER預(yù)測方法的有效性驗證包括模型參數(shù)的優(yōu)化和誤差分析兩方面。模型參數(shù)的優(yōu)化操作是基于“最小平方匹配”的方法或者其它的方法,例如用參數(shù)β來最小化下面的代價函數(shù):fβ=Νsim∑i=1|BLERpred,p(β)-BLERmeas,p|2=Νsim∑i=1|ΔBLERmeas,p|2(2)fβ=∑i=1Nsim|BLERpred,p(β)?BLERmeas,p|2=∑i=1Nsim|ΔBLERmeas,p|2(2)這里,BLERpred和BLERmeas分別表示預(yù)測的和測量的誤塊率;Nsim表示用于參數(shù)優(yōu)化測試的數(shù)據(jù)塊的數(shù)目。最后,一個經(jīng)過最優(yōu)化處理的β值被找到。另外,我們也可以用另外一種模型去做上述訓(xùn)練,一般稱為叫做“最大最小適配準(zhǔn)則”:假定有L種信道,而且每種信道每個子載波的SINR值是不同的。對每種信道和N種不同的噪聲功率,能夠得到平均的BLER值。這樣就能夠確定對每種信道條件下為了得到滿足3%目標(biāo)BLER所要求的SINR值。這里用γl(β)來表示信道l=1,…,L下要求的SINR值(dB),參數(shù)β就能用下面的方式獲得:?β=argminβmaxl∈{1,?,L}|γl(β)-γAWGΝ|(3)β?=argminβmaxl∈{1,?,L}|γl(β)?γAWGN|(3)這里γAWGN表示AWGN信道條件下為了滿足目標(biāo)BLER所要求的SINR值(dB)。3指數(shù)有效sinr映射與互信息有效sinr映射從有效SINR值到相應(yīng)的BLER值的映射或者用一種映射查找表的方式,或者用一種近似分析表達式的方式來處理,具體的過程示于圖1。目前的有效SINR映射方法主要有2種,一種叫做“指數(shù)有效SINR映射(EESM)”,一種叫做互信息有效SINR映射(MI-ESM)。這兩種方法的主要差別就是使用的信息測度函數(shù)不一樣,方程(4)給出了這兩種方法的通用表達式,其中I(x)就是壓縮函數(shù),也叫信息測度函數(shù),I-1(x)是I(x)的反函數(shù)。SΙΝReff=Ι-1(1ΡΡ∑p=1Ι(SΙΝRp))(4)SINReff=I?1(1P∑p=1PI(SINRp))(4)下面我們就基于這個表達式分別討論EESM和MIESM的方法。3.1同帶寬具體的網(wǎng)絡(luò)模型在EESM方法中,使用下面的壓縮函數(shù)I(x):Ι(x)=exp(-xβ)(5)I(x)=exp(?xβ)(5)I(x)的反函數(shù)就是:Ι-1(x)=-βln(x)(6)I?1(x)=?βln(x)(6)這樣:SΙΝReff=-βln[1ΡΡ∑p=1exp(-SΙΝRpβ)](7)SINReff=?βln[1P∑p=1Pexp(?SINRpβ)](7)這里,P是用戶使用的子載波的數(shù)目;SINRp是第P個子載波的信號干擾噪聲比;β是尺度因子,用于當(dāng)預(yù)測BLER和真實的BLER不匹配時進行某種方式的壓縮函數(shù)的調(diào)節(jié),β僅僅和載波所使用的調(diào)制和編碼方式有關(guān)(MCS)。與EESM類似,我們同樣也可以定義另外2種計算有效SINR的方法,一種叫容量有效SINR映射(CESM),另一種叫算數(shù)有效SINR映射(LESM):CESΜ∶SΙΝReff=β?(21ΡΡ∑p=1log2(1+SΙΝRpβ)-1)(8)LESΜ∶SΙΝReff=10-βvar(log10SΝRΡ)?101ΡΡ∑p=1log10(SΙΝRp)(9)CESM∶SINReff=β?????21P∑p=1Plog2(1+SINRpβ)?1????(8)LESM∶SINReff=10?βvar(log10SNRP)?101P∑p=1Plog10(SINRp)(9)這兩種方法的參數(shù)定義和EESM是一樣的。3.2imp編碼格式MI-ESM意思是互信息有效SINR映射。根據(jù)一些文獻的定義,在MI-ESM方法中,有效SINR被定義為SΙΝReff=Ι-1mref(1ΡuΡ∑p=1Ιmp(SΙΝRp))(10)SINReff=I?1mref(1Pu∑p=1PImp(SINRp))(10)這里,Imp(SINRp)是第p個數(shù)據(jù)符號使用大小為2mp的調(diào)制符號表時的容量函數(shù);Pu是子載波的個數(shù);I-1mef?1mef是Imp的反函數(shù)。根據(jù)文獻,信息測度可以寫為Ιmp(x)=mp-EY{12mpmp∑i=11∑b=0∑z∈Xib?log∑?x∈Xexp(-|Y-√x/β(?x-z)|2)∑?x∈Xibexp(-|Y-√x/β(?x-z)|2)}(11)Imp(x)=mp?EY???12mp∑i=1mp∑b=01∑z∈Xib?log∑x?∈Xexp(?|Y?x/β√(x??z)|2)∑x?∈Xibexp(?|Y?x/β√(x??z)|2)???????(11)這里,mp是選定的調(diào)制方式的每調(diào)制符號比特數(shù);mref是每數(shù)據(jù)符號的平均傳輸比特,可以定義為下面的方程:mref=1ΡuΡu∑p=1mp(12)X是2mp個數(shù)據(jù)符號的集合,Xib是當(dāng)i等于b時的數(shù)據(jù)符號的集合;Y是零均值單位方差復(fù)高斯變量。當(dāng)然,β還是只和調(diào)制和編碼有關(guān)的自由參數(shù)。值得注意的是,在進行系統(tǒng)級仿真時,有時會把大量的時間花在計算有效SINR上面。為了加速系統(tǒng)級仿真的速度,每一種調(diào)制方式X下的互信息表示I(x)可以預(yù)先實現(xiàn)并存儲在一個表格里面,在系統(tǒng)級通過查找來完成有效SINR映射的操作,這樣會大大加速系統(tǒng)仿真的速度。在上面的方程中,β是根據(jù)前面的訓(xùn)練模型得出的自由參數(shù),它和特定調(diào)制和編碼方式的對應(yīng)關(guān)系見表1。當(dāng)子載波使用QPSK和16QAM方式下的各種編碼速率,其對應(yīng)的β值可以通過該表得到。4eesm使用時的運用在用MATLAB設(shè)計的系統(tǒng)級仿真器中,我們使用的是EESM方法。通過實際的測試和仿真分析,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用EESM的時候下面的幾點必須要深入地理解。同時,對于MI-ESM的方法我們也做了一些初步的探討。4.1eesm方式的選擇(1)在EESM中,對于一個特定的MCS,一個β值是適用于所有的信道狀況的。這就意味著對一個特定的MCS方案,僅僅需要一條鏈路級的AWGN性能曲線。如圖2所示,無論信道條件如何,對MCS1就只有一條曲線。另外,隨著β值的變大,圖2中的曲線將會右移,這意味著對于高階調(diào)制和編碼方式,BLER值會變大。(2)在EESM方法中,一個終端的所有子載波必須使用相同的β值,這就意味著所有的子載波都要使用相同的調(diào)制和編碼方式。因此,EESM方式限制了自適應(yīng)調(diào)制編碼方式(AMC)使用。在某種程度上EESM會影響到系統(tǒng)性能,特別是對于基于連續(xù)載波塊分配的OFDM系統(tǒng)影響較大。(3)當(dāng)使用EESM的時候,傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)功率分配算法(注水算法)是不適合的。與之相反,我們應(yīng)該給信道條件差的子載波分配較高的傳輸功率,而給信道條件較好的子載波分配較低的傳輸功率。也就是說,子載波的功率分配要遵循下面的方程或者其它相似的方程:Ρowerk=ΡtotalΝ?ΙΝSRkΙΝSRave(13)這里Ptotal是分配給終端的傳輸功率;N是終端使用的子載波的數(shù)目;INSRk是第k個子載波的干擾噪聲和信號功率之比,是信干比SINRk的相反數(shù);INSRave是N個ISNR的平均值。我們發(fā)現(xiàn)這種簡單的功率分配方式的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的注水算法和等功率分配算法。(4)需要考慮的另外一個問題就是臨小區(qū)干擾是白噪聲的假定對于沒有CDMA的OFDM系統(tǒng)是不適合的,這樣所有的鏈路級結(jié)果必須要在多小區(qū)環(huán)境下得到。4.2資源分配的數(shù)值方法和EESM相比,當(dāng)使用MI-ESM的時候,自適應(yīng)調(diào)制和編碼的性能會更容易得到體現(xiàn),因為這種映射方法不要求一個用戶的所有子載波都使用相同的調(diào)制和編碼方式,這樣我們就有更大的自由度去設(shè)計自適應(yīng)的多載波資源分配算法。在參數(shù)設(shè)計方面,MI-ESM中的mref要被設(shè)為每調(diào)制符號傳輸?shù)钠骄忍財?shù),很明顯相應(yīng)的函數(shù)Imref也只存在于mref取整數(shù)值的情況。方程(10)的另外一個問題就是取平均的操作必須要基于真實使用的資源。在OFDM的情況下,如果不使用處于較差信道條件下的子載波,那么計算均