鏈路自適應技術在移動通信中的應用

顧昕鈺 李文宇


　　摘 要 討論了鏈路自適應技術在幾個有代表性的移動通信系統(tǒng)中的應用情況，并對未來移動通信系統(tǒng)中鏈路自適應技術的應用前景進行了預測。


　　關鍵詞 鏈路自適應 GPRS EDGE HDR


　　一、引 言


　　頻帶是無線通信中最寶貴的資源，隨著人們對無線數(shù)據(jù)業(yè)務需求的快速增長，如何在有限的帶寬上最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸速率，也就是如何最大限度地提高頻帶利用效率，逐漸成為移動通信的研究熱點。而鏈路自適應技術（LA：Link Adaptation）正是由于在提高數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率方面有很強的優(yōu)勢，從而成為目前和未來移動通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。


　　傳統(tǒng)意義上的鏈路自適應技術主要是針對時域而言的。也就是說，動態(tài)調整的參數(shù)主要是調制方式、編碼方式等時域參數(shù)，因此在這種情況下鏈路自適應技術通常被稱為AMC（自適應調制編碼）。隨著下一代無線寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展和多天線系統(tǒng)（MIMO或者MISO），多載波系統(tǒng)（例如OFDM）的應用，鏈路自適應技術也從一維擴展到二維甚至多維，即動態(tài)調整包括時域、頻域和空域在內的各種傳輸參數(shù)以適應信道的變化。例如，在OFDM系統(tǒng)中，根據(jù)信道情況和業(yè)務需求動態(tài)地為每個用戶分配子載波數(shù)，以及在發(fā)分集系統(tǒng)（MIMO/MISO）中動態(tài)地將信息比特映射到不同的發(fā)射天線上。


　　二、鏈路自適應技術的應用


　　鏈路自適應技術憑借其在提高頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率方面的卓越性能日益贏得了人們的青睞，已成功應用于多種移動通信系統(tǒng)中，應用程度也逐漸從簡單到復雜，成為提高系統(tǒng)性能的關鍵技術之一。


　　1．鏈路自適應技術在GPRS中的應用


　　GSM作為第二代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，在全世界范圍內已得到了廣泛的應用。但是它主要以話音業(yè)務為主，數(shù)據(jù)速率僅為9.6kbit/s，遠遠不能滿足移動多媒體數(shù)據(jù)通信的需求。為了解決這個問題，GSM系統(tǒng)在其PHASE2和PHASE2+規(guī)范中提出了兩種高速數(shù)據(jù)業(yè)務的模型，即基于高速數(shù)據(jù)比特率和電路交換的HSCSD（高速電路交換數(shù)據(jù)）和基于分組交換數(shù)據(jù)的GPRS（通用分組無線業(yè)務）。GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢，最突出的特點是可以靈活地占用無線信道。通過給一個用戶分配多個時隙或多個用戶共用一個時隙來有效地利用無線資源，特別適合突發(fā)性的、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸。它支持的數(shù)據(jù)傳輸速率的理論峰值可以達到171.2kbit/s。


　　作為最佳利用信道，GPRS標準定義了4種不同的編碼方案：CS-1~CS-4，數(shù)據(jù)速率分別為9.05kbit/s，13.4kbit/s，15.6kbit/s和21.4kbit/s，對應的碼率分別為1/2，2/3，3/4和1。GPRS可根據(jù)數(shù)據(jù)速率要求和無線鏈路的質量來動態(tài)選擇編碼類型，以達到最大的無線吞吐量。CS1擁有最高的糾錯能力和最低的速率，而CS4沒有糾錯能力，但可提供最高的速率。不同時隙可選擇不同的信道編碼，當網(wǎng)絡傳輸質量較好時，可采用較高速的編碼方式，反之采用較低速的編碼方式。鏈路自適應的概念在這里得到了很好的體現(xiàn)，但應該說GPRS中應用的鏈路自適應技術是比較基本的，它只涉及到編碼方式的動態(tài)選擇，而調制方式是固定不變的。


　　2．鏈路自適應技術在EDGE中的應用


　　雖然GPRS采用了多時隙的操作模式和簡單的鏈路自適應技術，但它仍然采用了固定的調制方式，即GMSK（高斯最小頻移鍵控）的調制方式，因此每個時隙能夠得到的速率提高是有限的。在這種情況下，由Ericsson公司率先提出并且已經(jīng)被ETSI（歐洲電信標準協(xié)會）采納的EDGE（Enhanced Data Rates For GSM Evolution）技術應運而生，成為GSM未來的演進方向之一。統(tǒng)一無線通信論壇（UWCC）也已于1998年1月批準把該技術作為TDMA/136的演進方案。EDGE包括增強的電路交換數(shù)據(jù)（ECSD）和增強的GPRS（EGPRS）兩部分，二者分別以電路交換和分組交換為基礎。下面提到的EDGE主要是指EGPRS。


　　EDGE技術的核心就是鏈路自適應，而且與GPRS不同的是，不僅編碼方案可以選擇，調制方式也不再是固定的一種GMSK方式，而是引入了另一種調制方式，即八進制移相鍵控（8-PSK）。這種調制方式能提供更高的比特率和頻譜效率，且實現(xiàn)復雜度屬于中等。GMSK和8-PSK的符號速率都是271kbit/s，但由于8-PSK將GMSK的信號空間從2擴展到8，因此每個符號可以包括的信息是GMSK的4倍。為了保證鏈路的健壯性，EDGE對兩種調制方案和幾種編碼方案進行組合，形成了9種不同的傳輸模式。EDGE標準支持的鏈路自適應算法包括周期性的對下行鏈路質量的測量和報告以及為下一個要傳輸?shù)膬热葸x擇新的調制和編碼方法等。EDGE中另外一種對付鏈路質量變化的方式是逐步增加冗余度。在這種方式中，信息剛開始傳輸時，采用糾錯能力較低的編碼方式，如果接收端解碼正確，則能得到比較高的信息碼率。反之，如果解碼失敗，則需要增加編碼冗余量，直到解碼正確為止。顯然，編碼冗余度的增加將導致有效數(shù)據(jù)速率的降低和延時的增加。EDGE系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸率可達473.6kbit/s。


　　3．鏈路自適應技術在HSDPA中的應用


　　HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）是WCDMA的增強型技術，旨在提高下行信道傳輸數(shù)據(jù)的能力。無線數(shù)據(jù)業(yè)務具有上下行不對稱的特點，下行對數(shù)據(jù)速率的要求比上行要高得多。采用HSDPA可以將下行信道數(shù)據(jù)速率提高到8～10Mbit/s。HSDPA增加了高速下行共享信道（HS_DSCH），與WCDMA的DSCH相比，HS_DSCH采用的關鍵技術是AMC和HARQ（混合ARQ）。下面重點介紹作為HSDPA關鍵技術的鏈路自適應技術。嚴格地講，HARQ是鏈路自適應的一項隱含技術，因為它保證了AMC的實現(xiàn)。信道狀態(tài)是系統(tǒng)選擇傳輸模式的依據(jù)，所以AMC對于信道狀態(tài)的測量差錯和報告延遲非常敏感。而采用HARQ技術后，引入了重發(fā)機制，因此可以適當降低系統(tǒng)要求的MCS（Modulation and Coding Scheme）級數(shù)，并降低對測量差錯和流量波動的敏感程度。


　　根據(jù)3GPP Release4關于HSDPA的可行性研究報告得出，編碼方式和調制方式都是在AMCS控制下動態(tài)選擇的。信道編碼的基本碼型采用R99中1/3碼率Turbo碼，其它碼率的（包括3/4，1/2，1/4）Turbo碼，將通過速率匹配的打孔或者重復功能實現(xiàn)。調制方式的選擇種類在Release4和Release5中有較大區(qū)別，在Release4中除了R99中的QPSK方案外，還建議使用8-PSK，16QAM，64QAM等高階調制方式。而在Release5中基于性能和復雜度方面的考慮，只推薦使用QPSK和16QAM。64QAM有可能在更高版本中被納入規(guī)范。


　　HSDPA將不同的編碼和調制方式組合成若干種“MCS（調制編碼方案）”，供系統(tǒng)根據(jù)信道情況進行選擇。靠近基站的用戶，擁有高質量的信道條件，將被分配級別較高的調制編碼方案（例如16QAM，3/4碼率的Turbo碼），這種調制編碼方案的抗干擾性能和糾錯能力較差，對信道質量的要求較高，但是能夠贏得較高的數(shù)據(jù)速率，提高鏈路的平均數(shù)據(jù)吞吐量。相反，處于小區(qū)邊界的用戶，信道衰落嚴重或存在嚴重干擾和噪聲，將被分配的級別較低，具有較強糾錯能力，抗噪聲干擾性能較好的調制編碼方案的調制編碼方案（例如QPSK，1/2碼率的Turbo碼），以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。使用HSDPA將使下行數(shù)據(jù)傳輸峰速率達到10.8Mbit/s。下面介紹鏈路自適應技術在HSDPA中的具體實現(xiàn)情況。在3GPP R4 HSDPA的可行性研究報告中推薦了如下幾種方法供HS-DSCH信道選擇傳輸模式：


　�。�1）由UE來估計/預測下行信道的質量，并計算出合適的傳輸模式，把它報告給Node B。


　�。�2）由UE來估計/預測下行信道的質量，并報告給Node B，由Node B來進行傳輸模式的選擇。


　�。�3）Node B可以在沒有UE反饋的情況下來決定合適的傳輸模式，例如它可以基于相應專用物理信道的功率控制增益來進行傳輸模式的選擇。


　　選擇合適的傳輸參數(shù)是在Node B新增的功能實體MAC-hs完成的，該功能實體位于MAC層。除了上述功能外，MAC-hs還該功能實體包含HARQ和HSDPA的調度功能以及對HS_DSCH的控制功能。這樣做降低了處理延遲，提高了處理效率。


　　在HSDPA中由HS_SCCH（高速共享控制信道）承載下行控制信息，每個UE最多只能有4個HS_SCCH，它所承載的信息包括兩部分。一部分是對時間有嚴格要求的信息，包括擴頻碼信息和調制方式指示，用于對HS_DSCH信道傳輸?shù)男畔⑦M行解擴解調。另一部分信息對時間要求不很嚴格，包括冗余信息，ARQ進程序號，是第一次傳輸還是重傳的指示信息。而編碼速率等信息并不包含在內，因為這可以通過傳輸塊大小等信息計算出來。相應的上行控制信道是HS_DPCCH（上行高速專用物理控制信道）。承載的信息包括兩部分：CRC校驗結果指示（ACK/NACK）和信道質量指示信息（CQI）。


　　對于鏈路自適應技術來講，傳輸模式的選擇策略是核心算法，準確高效的選擇算法是該技術得以成功運用的關鍵。就這一問題，規(guī)范中并沒有做出明確的規(guī)定，而是給各個設備制造商以充分的發(fā)揮空間，各企業(yè)的研發(fā)部門以及其它科研機構對這一領域做了廣泛而深入的研究，目前這仍然是一個值得進一步研究的熱點問題。


　　自適應技術在提高系統(tǒng)吞吐量的同時，要求UE增加相應的功能來支持這項技術。AMC要求UE增加的基本功能有如下幾項：獲取Node B所配置的傳輸參數(shù)信息的能力，低速/高速Turbo碼譯碼能力，測量/報告下行信道質量的能力和高階解調能力。HSDPA引入的16QAM調制方式要求UE不僅能夠估計相位參考信息還要能估計幅度參考信息。高階調制方法對由于接收機結構不理想而引入的干擾更加敏感，因此要求UE相對于Release99來說要有更精確的同步跟蹤機制和信道估計方法，以獲得足夠好的性能。


　　HSDPA的基本原則就是根據(jù)信道的當前狀況選擇合適的調制和編碼方案，以達到最大化數(shù)據(jù)吞吐量的目的。也就是說，鏈路自適應及其輔助技術是HSDPA的關鍵所在。從理論上說，鏈路自適應使HSDPA的峰值數(shù)據(jù)速率近似可以達到R99的5倍。頻譜資源和碼資源對于移動通信系統(tǒng)來說都是非常珍貴的，提高頻譜利用效率和碼資源利用效率是未來移動通信系統(tǒng)面臨的一個重要挑戰(zhàn)。鏈路自適應技術在HSDPA中的應用極大提高了頻譜資源和碼資源的利用效率。就頻譜利用效率來說，一方面在信擾比較低的情況下，通過自適應的采用糾錯能力較強的編碼方式以及混合ARQ，提高了抗干擾能力，重傳合并機制使得每一次傳輸?shù)膬热莶徽撜�確與否都不會被浪費，從而提高了頻譜的利用效率。另一方面，信擾比較高時，通過采用高階調制和較小的編碼冗余提高了傳輸效率，從而提高了頻帶利用率。對于碼資源來說，通過采用高階調制和較小的編碼冗余提高了每傳輸符號所承載的信息比特數(shù)，也就是提高了每個信道化碼所承載的數(shù)據(jù)量，從而提高了碼資源利用率。


　　總之，鏈路自適應技術作為HSDPA的關鍵技術之一，在HSDPA中的成功運用顯示了這一技術在提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量，提高頻譜資源和碼資源利用效率等方面的巨大技術優(yōu)勢。


　　4．鏈路自適應技術在cdma2000 1x EV中的應用


　　3GPP2中cdma 2000 1x標準的演進，主要分為兩個階段：


　�。�1）1x EV-DO（data only）階段，數(shù)據(jù)業(yè)務和話音業(yè)務采用不同的信道進行傳輸，高通、朗訊、愛立信等公司提出的HDR（高速數(shù)據(jù)速率）技術，已成為該階段的惟一技術標準，可以支持峰值速率為2.4Mbit/s的高速數(shù)據(jù)業(yè)務。


　　HDR最突出的特點就是將數(shù)據(jù)和話音相分離，采用專用信道傳輸數(shù)據(jù)。因此HDR主要是對下行鏈路做了較大修改，鏈路自適應技術在其中得到成功運用。HDR將全部的系統(tǒng)資源（包括帶寬和碼資源）進行動態(tài)分配以提高系統(tǒng)能力；動態(tài)控制數(shù)據(jù)速率，使處于有利位置的用戶得到盡可能高的速率。下行業(yè)務信道采用多種編碼方案，包括QPSK、8PSK和16QAM，得到不同數(shù)據(jù)速率；信道編碼方案采用Turbo碼，碼率為1/5或1/3。在通信中，移動臺不斷測量導頻強度，并在HDR特有的數(shù)據(jù)速率控制（DRC）信道的每一個時隙內要求一個與當前信道條件相符合的數(shù)據(jù)速率。網(wǎng)絡按當時移動臺所能支持的最大速率進行編碼。當用戶需求改變或者信道條件改變時，動態(tài)地調整數(shù)據(jù)速率。


　�。�2）1x EV-DV（data and voice）階段，數(shù)據(jù)信道與話音信道合一。侯選方案主要包括Lucent，Qualcomm等公司的聯(lián)合提案，Motorola等的1x TREME和Linkair的LAS-CDMA。


　　1x TREME作為1x EV-DV的候選方案之一，也充分運用了鏈路自適應技術以提高上/下行信道的峰值吞吐量和平均吞吐量。它的話音和數(shù)據(jù)在同一載頻傳輸，下行峰速率可達4.8Mb/s，平均數(shù)據(jù)吞吐量可以達到1Mb/s。自適應技術是1x TREME可以大幅度提高性能的關鍵所在，它通過動態(tài)調整系統(tǒng)和鏈路參數(shù)來適應流量和鏈路質量的變化，通過更好地使用無線資源來提高系統(tǒng)多業(yè)務服務的能力。它的自適應技術包括如下幾個方面：自適應業(yè)務調度，自適應編碼，自適應調制，自適應多碼分配，自適應小區(qū)位置選擇，自適應混合ARQ以及自適應天線。1x TREME的下行和上行信道都使用了鏈路自適應技術（主要是指自適應調制編碼）。但在細節(jié)上有所不同，下面分別介紹。1x TREME下行鏈路使用的調制方式有：QPSK，8-PSK，16QAM，64QAM；信道編碼采用Turbo碼，碼率包括1/2和3/4兩種。1x TREME上行鏈路可以采用的調制方式有：BPSK，QPSK和8-PSK。編碼方式也是Turbo碼，但碼率為1/2和1/4兩種。一共組合成六種編碼調制方案。采用AMC技術，大大提高了上行鏈路的峰值速率和平均數(shù)據(jù)吞吐量，例如，采用8-PSK調制，1/2碼率Turbo編碼，可以使峰值數(shù)據(jù)速率達到1.38Mb/s。


　　無論上行還是下行，和HSDPA一樣，1x TREME使用H-ARQ技術來保證AMC的實施。如上所述，隨著移動通信事業(yè)的發(fā)展，頻帶資源日益緊張，選擇能夠提高頻帶利用率的技術成為大勢所趨。


　　三、鏈路自適應技術的發(fā)展趨勢


　　除了上面提到的無線通信系統(tǒng)，鏈路自適應技術還在HIPERLAN，802.11a等無線局域網(wǎng)標準中得到應用，而且由于這些無線局域網(wǎng)系統(tǒng)以OFDM技術為基礎，因此鏈路自適應技術也擴展到時-頻二維。當然，它與OFDM技術的結合還處于比較簡單的階段，所有子載波上的調制方式和編碼速率是同時變化的。隨著移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，鏈路自適應技術與OFDM的結合將更加復雜靈活，由于各個子載波所經(jīng)歷的信道衰落條件不同，應該對每一個子載波根據(jù)其各自不同的信道條件動態(tài)地選擇調制和編碼方案，達到如下兩個目的：


　�。�1）針對固定數(shù)據(jù)速率的業(yè)務。在保證一定QoS（例如BER）的條件下，最小化系統(tǒng)的發(fā)送功率而達到要求的數(shù)據(jù)速率。


　�。�2）針對可變數(shù)據(jù)速率的業(yè)務。在保證一定QoS（例如BER）的條件下，最大化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，而不增加系統(tǒng)總的發(fā)送功率。


　　鏈路自適應與OFDM技術的結合還包括另外一個重要的方面就是根據(jù)信道條件動態(tài)選擇使用的子載波的個數(shù)。鏈路自適應技術不僅可以擴展到頻域還可以擴展到空域，與多天線分集技術的結合也是連路自適應的一個重要發(fā)展方向。經(jīng)不同發(fā)射天線發(fā)送的信號所經(jīng)歷的信道衰落情況也各不相同，這為自適應調制編碼算法與多天線系統(tǒng)的結合提供了可能。STTD（Space Time Transmit Diversity），STD（Selective Transmitter Diversity），TxAA（Transmit Adaptive Array）等不同的發(fā)分集策略都可以與自適應調制編碼技術進行有效的結合，這樣，接收端在獲得空間分集增益的同時充分利用了信道條件，可以進一步提高頻帶利用效率。


　　四、結束語


　　鏈路自適應技術根據(jù)信道的變化動態(tài)調整各項傳輸參數(shù)，對于提高頻譜利用效率具有很強的技術優(yōu)勢，已被很多通信系統(tǒng)所應用，隨著技術的進一步完善以及應用范圍的進一步拓寬，從時域擴展到頻域和空域，從一維擴展到多維，鏈路自適應技術必將在未來的通信系統(tǒng)中得到更加復雜靈活的運用，并在通信技術領域發(fā)揮越來越重要的作用。


　　顧昕鈺 北京郵電大學信息工程學院博士研究生


　　李文宇 信息產業(yè)部電信研究院通信標準研究所助理工程師


　　
摘自　中國電信網(wǎng)站