《LTE移动通信系统》课件第4章 链路自适应及无线资源调度.ppt
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1、第第4章章 链路自适应及无线资源调度链路自适应及无线资源调度 信道状态信息信道状态信息 自适应编码调制自适应编码调制 HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 OFDM链路自适应技术链路自适应技术 MIMO自适应调制技术自适应调制技术 多用户资源调度多用户资源调度 本章小结本章小结第第4章章 链路自适应及无线资源调度链路自适应及无线资源调度 信道状态信息信道状态信息 自适应编码调制自适应编码调制 HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 OFDM链路自适应技术链路自适应技术 MIMO自适应调制技术自适应调制技术 多用户资源调度多用户资源调度 本章小结本章小结第第4章章 链路自适应及无线资源调度
2、链路自适应及无线资源调度 信道状态信息(CSI)就是通信链路的信道属性,在实际中有很多表示方法。信道状态信息可分为接收端信道状态信息(CSIR)和发送端信道状态信息(CSIT)。从获取时间来看,信道状态信息可以分为瞬时信道状态信息和平均信道状态信息两种。n瞬时信道状态信息是指信道即时状态,可视为数字滤波器的脉冲响应。它可以使发送端及时地调整发射信号。因此它可以取得低的误码率,并且在空间复用系统中,可能获得最优的接收信号。n平均信道状态信息是指信道在一段时间内的统计特性。它包含了信道衰落的分布、平均信道增益以及空间相关性等。信道状态信息信道状态信息 在实际中,可以根据具体情况选择使用信道状态信息
3、实现链路自适应。为了降低实现复杂度,在实际无线通信中把信噪比或接收信号强度当做信道状态信息,并将其应用于链路自适应技术中。此外,误包率(PER,Packet Error Rate)也常作为信道质量好坏的指示,用来调整发射机的编码、调制以及发射功率等参数。信道状态信息信道状态信息基于信噪比的链路自适应技术 基于信噪比的链路自适应技术的主要思路是:接收端利用测量的信道状态信息和误比特率自适应门限来选择最佳传输模式,然后再将最佳传输模式反馈给发射端。为了测量接收信噪比,首先要选择一个观测窗,该观测窗应足够短以保持信道恒定无衰落,接收端在该观测窗内测量信噪比。利用高斯白噪声信道中的信噪比和误比特率的关
4、系式,把接收端的信噪比映射为每种候选传输模式的误比特率。根据给定误比特率要求,选出满足要求的传输模式,再从中选择能够获得最大吞吐量的传输模式作为最佳传输模式。最后接收机把选定的最优传输模式反馈给发射机。信道状态信息信道状态信息信道状态信息信道状态信息 如果观测窗内存在信道衰落,测量的信噪比是随机的,那么计算出的各候选传输模式的误比特率也是随机的。在这种情况下,接收机则需要计算观测窗内的平均误比特率才能确定自适应门限,这就必须要知道信噪比在该自适应窗口上的概率密度函数。在实际信道中,接收端信噪比的概率密度函数受很多因素的影响,如时域中的信道相干时间、观测时长;频域中的信道相干带宽、观测窗频宽等,
5、要通过简单分析描述这些因素比较困难。因此,可通过测量信噪比的 阶矩来获取其密度函数的相关信息。例如,一阶矩反映了接收机接收功率的平均值;二阶矩反映了信道在自适应窗口内的时间、频域或空间选择性。更高阶矩会提供更多概率密度信息,但运算复杂度高。由于基于 阶矩的链路自适应门限是接收端信噪比的多个统计量的函数,与特定信道条件无关。信道状态信息信道状态信息 基于误包率的链路自适应通过跟踪接收的数据包错误的概率来选择最佳模式和参数。采用这种方式的发射机在所有候选模式下发送一定个数的训练分组,对于收到的所有训练数据包,接收机先把它们存储起来,训练过程结束,再计算每个候选模式的训练数据的误包率,然后在满足条件
6、的候选模式中选择吞吐量最大的传输模式反馈给发射机。这种链路自适应的方法运用了训练数据包,直接获得候选模式的链路质量状况,不依赖理论上的BER曲线。但为了得到比较可靠的误包率的估计,必须发送一定数量的训练数据包,这样会使自适应的速度减慢。因此,这种方式比较适合慢变信道。基于误包率的链路自适应技术 信道状态信息信道状态信息 自适应编码调制自适应编码调制 HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 OFDM链路自适应技术链路自适应技术 MIMO自适应调制技术自适应调制技术 多用户资源调度多用户资源调度 本章小结本章小结第第4章章 链路自适应及无线资源调度链路自适应及无线资源调度自适应编码调制自适应编码
7、调制自适应编码调制系统框图自适应编码调制自适应编码调制QAM星座图QPSK16QAM自适应编码调制自适应编码调制64QAM自适应编码调制自适应编码调制 由于自适应调制系统是以接收端的瞬时信噪比为判断信道条件好坏的依据,因此需根据系统目标误比特率的要求将信道平均接收信噪比的范围划分为N个互补相交的区域,每个区域对应一种传输模式,这样根据当前信道质量,即可进行传输模式之间的切换了。在接收端选择最佳调制方式后,就可以反馈给发送端并重新配置解调译码器。固定的信道编码方式在信道条件恶化时无法保证数据的可靠传输,在信道条件改善时又会产生冗余,造成频谱资源的浪费。自适应信道编码将信道的变化情况离散为有限状态
8、(如有限状态马尔可夫信道模型),对每一种信道状态采用不同的信道编码方式,因此可以较好地兼顾传输可靠性和频谱效率。自适应编码调制自适应编码调制 对于给定的调制方案,可以根据无线链路条件选择的码速率。在信道质量较差的情况下使用较低的编码率,提高无线传输的可靠性;传输在信道质量好时采用较高编码率,提高无线传输效率。自适应编解码可以通过速率匹配凿孔Turbo码来实现。Turbo码编码器通常由分量编码器、交织器以及删余处理和复接器组成。Turbo码编码自适应编码调制自适应编码调制由两个分量码编码器组成的Turbo码的编码框图自适应编码调制自适应编码调制输入信息序列和两个编码器的输出自适应编码调制自适应编
9、码调制 下图给出了一种3/4码率Turbo码的生成方法,其基本思路是一次读入三个信息位,然后交替地在两个编码器输出中选择校验位。这样,复接后的序列是由每三个信息位和一个校验位排列组成,这样就能实现3/4的码率。自适应编码调制自适应编码调制 用类似的方法,可以通过下图所示的方法得到2/3码率Turbo码。自适应编码调制自适应编码调制 在实际应用中,不同的编码和调制方式组合成若干种“调制编码方案(MCS,Modulaton and Coding System)”供无线通信系统根据信道情况进行选择。拥有高质量的信道条件,将被分配级别较高的调制编码方案(例如16QAM,3/4 Turbo码),这种调制
10、编码方案的抗干扰性能和纠错能力较差,对信道质量的要求较高,但是能够赢得较高的数据速率,提高链路的平均数据吞吐量。相反。信道衰落严重或存在严重干扰的噪声,将被分配的级别较低,具有较强纠错能力,抗噪声干扰性能较好的调制编码方案(例如QPSK,1/2码率的Turbo码),以保证数据的可靠传输。自适应编码调制自适应编码调制 当信号质量比较高(如用户靠近基站或存在视距链路)时,基站和用户可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式通信,例如:64QAM和5/6编码,可以得到高的峰值速率;而当信号质量比较差(如用户位于小区边缘或者信道深衰落)时,基站和用户则选取低阶调制方式和低速率的信道编码方案,例如:QPSK
11、和1/4编码速率,来保证通信质量。信道状态信息信道状态信息 自适应编码调制自适应编码调制 HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 OFDM链路自适应技术链路自适应技术 MIMO自适应调制技术自适应调制技术 多用户资源调度多用户资源调度 本章小结本章小结第第4章章 链路自适应及无线资源调度链路自适应及无线资源调度HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 无线链路质量波动可能导致传输出错,这类传输错误在一定程度上可通过自适应编码调制予以解决。然而,接收机噪声以及不期望的干扰波动带来的影响是无法完全消除的。由于接收机噪声所产生错误的具有随机性,因此在无线通信中,用于控制随机错误的混合自动重传请求(
12、HARQ,Hybrid Automatic Repeat reQuest)技术就变得非常重要了。HARQ可以看做一种数据传输后控制瞬时无线链路质量波动影响的机制,为自适应编码调制技术提供补偿。传统的自动重传请求(ARQ,Automatic Repeat reQuest)采用丢弃出错接收包并请求重传的方式。然而,尽管这些数据包不能被正确解码,但其中仍包含了信息,而这些信息会通过丢弃出错包而丢失。这一缺陷可以通过带有软合并的HARQ方式来进行弥补。HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 在带有软合并的HARQ中,出错接收包被存于缓冲器内存中并与之后的重传包进行合并,从而获得比其分组单独解码更为可
13、靠的单一的合并数据包。对该合并信号进行纠错码的解码操作,如果解码失败则申请重传。带有软合并的HARQ通常可分为跟踪合并(CC,Chasing Combining)与增量冗余(IR,Incremental Redundancy)两种方式HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求跟踪合并(CC,Chasing Combining)跟踪合并每次重传为原始传输的相同副本,每次重传后,接收机采用最大比合并原则对每次接收的信道比特与相同比特之间的所有传输进行合并,并将合并信号发送到解码器。由于每次重传为原始传输的相同副本,跟踪合并的重传可以被视为附加重复编码。由于没有传输新冗余,因此跟踪合并除了在每次重传中
14、增加累积接收信噪比外,不能提供任何额外的编码增益。跟踪合并的过程如图所示。HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求跟踪合并过程HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求增量冗余(IR,Incremental Redundancy)增量冗余(IR)方案中,每次重传并不需要带有与原始传输完全相同的内容。相反,将会产生多个编码比特的集合,每个都代表同一集合的信息比特,无论何时需要进行重传,通常采用与之前传输不同的编码比特集合。此外,每次重传并非必须包含与原始传输相同数目的编码比特,通常也可以在不同重传中采用不同调制方式。因此,增量冗余也可以被视为跟踪合并的扩展。通常,增量冗余基于低速率码以及通过对编码
15、器的输出进行打孔而实现不同的冗余版本。首次传输只发送有限编码比特,从而导致采用高速率码。重传中发送额外的编码比特。HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 增量冗余(IR)方案如图所示,假设基本的1/4速率码。将1/4码率的基本码划分成3个冗余版本,首次传输只发送第一个冗余版本,从而得到3/4编码速率。一旦出现解码错误并请求重传时则发送额外的比特,即第二个冗余版本,得到3/8编码速率。如果还不能正确解码,则第二次重传将发送剩余的比特(第三个冗余版本),则经过三次接收合并后的编码速率为1/4。在这种方案中,除累积信噪比外,增量冗余的每次重传还会带来编码增益。与跟踪合并相比,增量冗余方案在初始编码
16、速率较高时会带来更大的增益。HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求增量冗余的实例HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 采用增量冗余方案时,首次传输所用编码需要在其单独使用时以及与第二次传输编码合并时都能够提供良好性能,该要求在后续重传时也同样需要保持。由于不同冗余版本通常是通过对低速率母码进行凿孔来产生的,因此删余矩阵的设计需要满足:高速率编码也可作为任何低速率编码的一部分。无论采用跟踪合并还是增量冗余,带有软合并的HARQ都将通过重传间接地降低误码率,因此被视为间接的链路自适应技术。信道状态信息信道状态信息 自适应编码调制自适应编码调制 HARQ混合自动重传请求混合自动重传请求 OFD
17、M链路自适应技术链路自适应技术 MIMO自适应调制技术自适应调制技术 多用户资源调度多用户资源调度 本章小结本章小结第第4章章 链路自适应及无线资源调度链路自适应及无线资源调度OFDM链路自适应技术链路自适应技术注水算法及功率分配()H f 平坦衰落信道的香农容量可以通过调整发送速率和功率来获得,从信息论的角度出发,“注水”算法是最优的功率分配方法,其描述如下:在OFDM系统中,假设每个子信道的传输特性近似理想,表示带宽为 的信道传输函数,信道内存在功率谱密度为 的加性高斯白噪声。因此可以把带宽为 的信道分为 个子信道,其中 表示子信道的带宽,而且应该满足如下条件即 在子信道频段内近似恒定。而
18、且信道的发射功率满足:,其中 表示发射机的平均发射功率。W()N fW/NWff2()/()H fN f()avwP f dfPavPOFDM链路自适应技术链路自适应技术 在AWGN(高斯白噪声)信道中,信道容量可以表示为:。其中 表示信道容量(bps),表示信道带宽内的加性高斯白噪声的功率,表示平均发送功率注意,这里的 没有考虑信道对功率的衰减。20log(1)avPCWWNC0WNavPavP在多载波系统中,如果 足够小,则子信道的容量可以表示为:f22()()log(1)()iiiifP fH fCffN f因此总的信道容量可以表示为:OFDM链路自适应技术链路自适应技术2211()()
19、log(1)()NNiiiiiifP fH fCCffN f 如果 ,则可以利用积分来代替上述的求和:0f 22()()log(1)()wP fH fCdfN f实现信道容量的最大化,利用变分法将其转换为:22()()(log(1)()max()wP fH fP f dfN fOFDM链路自适应技术链路自适应技术其中,为拉格朗日乘子,经过变换可以得到:2()()()N fKH fP ffWfW0其中,为常数,将上式代入功率的约束条件中,则可解出 的值。KK 如果我们将上式中的 看成是等效噪声,那么其基本物理意义为:对于信道中等效噪声 较小处,所分配的功率就较大,传输的信息较多;对于信道中等效噪
20、声 较大处,所分配的功率就较小,传输的信息较少。特别是等效噪声达到一定程度时,由于信道传输特性十分恶劣,所分配的功率为0,那么在该位置上就不会传输任何信息。如果将 解释为单位深度的碗的底部,将容量为 的水注入碗中,则水在碗中流动以达到容量。OFDM链路自适应技术链路自适应技术2()()N fH f2()()N fH f2()()N fH f2()()N fH favP最优注水功率分配示意图OFDM链路自适应技术链路自适应技术OFDM链路自适应技术链路自适应技术 如果 较小,就不能保证 在W范围内处处成立,如下图所示。此时,最优的功率分配就是在可能的频谱范围内保证成立,而在其他地方使 。avP2
21、()()()N fKH fP ffWfW0()0P fOFDM链路自适应技术链路自适应技术 较小时,最优注水功率分配示意图avP 尽管从理论上来说,按“注水”原理分配功率和信息比特得到的性能最佳,但这种方法实际中并不可行。首先,它的计算复杂度较高;其次,“注水”原理中每个子载波携带的信息比特数是一个任意分数,但由于受调制星座的限制,实际信道比特数和理论分配数不能吻合,因此在实际系统中还需要根据信道状况不断的调整子载波比特分配,从而使功率分布尽量逼近最佳输入功率分布。OFDM链路自适应技术链路自适应技术 值得注意的是,当 ,信道 为常数时,所获得的信道容量最小。在这种情况下,信号发射功率 将保持
22、恒定。也就是说,如果信道频率响应是理想的,即对 时,从信道容量最大化的角度来讲,最坏的噪声功率分布就是高斯白噪声分布。fW 2()()H fN f()P f,fW()1H fOFDM链路自适应技术链路自适应技术OFDM自适应调制 OFDM系统自适应调制的主要思想是首先对每个子载波进行功率分配和比特加载,然后每个子载波上分配比特映射到调制信号的星座上。OFDM自适应调制算法很多,比较经典的算法包括:Hughes-Hartogs梯度分配算法、P.S.Chow算法(简称Chow算法)、Fischer算法。OFDM链路自适应技术链路自适应技术Hughes-Hartogs算法 Hughes-Hartog
23、s算法是一种基于迭代的连续比特和功率分配算法,它的优化原则是在保证目标误比特率的前提下,用给定的发射功率使系统吞吐量最大化。在每次迭代中,它只分配1比特,该比特分配给只需要增加最少发射功率就能维持目标误比特率的子载波。迭代过程进行到所有的比特分配完毕为止。Hughes-Hartogs算法中的功率分配过程如下:OFDM链路自适应技术链路自适应技术在接收端测量等效噪声并乘以传输损耗因子,以计算发送端每一个载波的系统噪声分量。这里,等效噪声和传输损耗因子的测量是通过发送端和接收端之间发送特定训练序列来确定的。对每一个载波频率,计算发送不同调制星座图所需的功率(这里调制星座图的复杂度分别为0,2,4和
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