1、2007 年 8 月 Journal on Communications August 2007第 28 卷第 8A 期 通 信 学 报 Vol.28 No.8A自适应 LDPC 调制编码的切换门限调整算法贾民丽，何遵文，匡 镜明, 费泽松（北京理工大学 信息科学技术学院，北京 100081）摘 要：基于 IEEE 802.16e 标准，设计了一种采用低密度奇偶校验（LDPC）码的自适应调制编码（AMC）策略。在分析了信道质量估计误差（CQEE）对所选调制编码方案（MCS ）吞吐量性能影响的基础上，提出一种MCS 切换门限调整算法，并通过计算机仿真、搜索得到了优化切换门限值。仿真结果表明，采用
2、优化切换门限的 AMC 方案能有效地降低 CQEE 引起的吞吐量损失。关键词：IEEE 802.16e；自适应调制编码；信道质量估计误差；低密度奇偶校验码中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2007)8A-0013-04Switching threshold adjustment algorithm of LDPC coded adaptive modulation and codingJIA Min-li, HE Zun-wen, KUANG Jing-ming, FEI Ze-song(School of Information Science and
3、 Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)Abstract: According to IEEE 802.16e standard, an adaptive modulation and coding（AMC）scheme with low density parity check (LDPC) code was proposed. The impact of channel quality estimation errors (CQEE) on the throughput performance
4、of specified modulation and coding schemes (MCS) was analyzed. Furthermore, an enhanced MCS switching threshold adjustment algorithm was presented, and the optimized switching thresholds were achieved by computer simulation and searching. Simulation results show that the presented AMC scheme adoptin
5、g optimized switching thresholds can efficiently decrease the throughput loss caused by CQEE.Key words: IEEE 802.16e; adaptive modulation and coding; channel quality estimation error; low density parity check code1 引言现代无线通信技术的飞速发展以及人们对无线数据业务需求的快速增长，要求未来通信系统尽可能地提高频谱效率，以充分利用宝贵的无线频谱资源。在传统无线通信系统中，一般采用相对
6、固定的调制和信道编码方式，并且系统设计往往按照最坏的情况选择调制编码方案（MCS，modulation and coding scheme）。但是无线传输信道是一个多径衰落、随机时变的信道，信道状态信息（CSI，channel state information）会不断变化，当信道条件较好时，仍然按照最坏的情况选择 MCS，则限制了系统的传输速率和容量。针对这种情况，学者们提出了自适应调制编码技术（AMC，adaptive modulation and coding） 。1,2AMC 技术的原理是在系统限制的范围内，根据CSI 自适应的调整调制与编码方式，在满足业务质量要求的前提下，最大限度地
7、提高传输速率。收稿日期：2007-06-08基金项目：国家自然科学基金资助项目（60502026）Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (60502026)14 通 信 学 报 第 28 卷AMC 以其智能化的传输机制、高效的频谱利用率得到了业界的广泛关注，并成为目前和未来无线通信系统的关键技术之一。微 波 存 取 全 球 互 通 (WiMAX， worldwide interoperability for microwave access)是 基 于 无 线 城 域网 IEEE 802.16 标 准
8、 的 宽 带 无 线 技 术 ， 可 以 在 固 定和 移 动 的 环 境 提 供 高 速 的 数 据 、 语 音 和 视 频 等 业 务 ，其 中 802.16e 为移动宽带无线接入标准 3,4。在IEEE 802.16e 标 准 的 物 理 层 规 范 中 定 义 了 若 干 种 可选 的 编 码 和 调 制 方 式 ， 可 供 采 用 链 路 自 适 应 技 术 时选 用 。 本 文 基 于 IEEE 802.16e 标 准 ， 采 用 标 准 中 的低 密 度 奇 偶 校 验 （ LDPC， low density parity check）码 ， 设 计 了 一 种 适 用 于 Wi
9、MAX 系 统 的 AMC 策 略 ，着 重 研 究 了 信 道 质 量 估 计 误 差 （ CQEE， channel quality estimation error） 对 所 选 MCS 吞 吐 量 性 能 的影 响 ， 并 提 出 了 一 种 改 进 的 自 适 应 MCS 切 换 门 限 调整 算 法 以 降 低 CQEE 带 来 的 吞 吐 量 损 失 。2 AMC 系统模型图 1 为 AMC 的原理框图，为简化起见，本文仅考虑单个用户的情况。AMC 技术的本质是根据信道质量估计值选择合适的 MCS 方案，信道质量状况由接收机反馈获得。当信道质量较好时，可采用高阶调制和高码率的信道
10、编码，以提高传输速率和频谱利用率；当信道质量较差时，采用抗噪声和干扰鲁棒性较强的低阶调制和低码率的信道编码。在 IEEE 802.16e 标准中，LDPC 码成为前向纠错码的候选方案，并且标准中给出了码率分别为 1/2，2/3，3/4，5/6 的 LDPC 码的校验矩阵基本结构。另外，在 IEEE 802.16e 标准中可选用的调制方式包括 QPSK、16QAM 和 64QAM 3 种。表 1 给出了本文所采用的 8 种备选的 MCS 方案。图 1 自适应调制编码模型AMC 中选择 MCS 的准则是根据信道质量状况自适应选择吞吐量最大的 MCS，此处采用单位频带上的吞吐量作为衡量指标，其定义如
11、下(单位为 : ) (1)(1)lnFPRM1bits/Hz其中 为误帧率， 为 LDPC 编码的码率， 为M调制星座图上信号点的个数。例如，当采用64QAM 和 5/6 码率时，能达到的最大吞吐量为（当 ），而采用 QPSK 和 1/215bits/HzF0P码率时，最大吞吐量为 （当 ）。1bits/HzF0P图 2 给出了在 AWGN 信道，理想信道质量估计（即没有信道质量估计误差的情况）下表 1 中8 种 MCS 的吞吐量性能，表 2 给出了该条件下根据吞吐量最大准则所得到的 MCS 的切换点(SP)值。表 1 8 种参考 MCS 方案MCS 标号 LDPC 码的码长 LDPC 码的信
12、息比特数 LDPC 码的码率 调制方式MCS1 576 288 1/2 QPSKMCS2 576 384 2/3 QPSKMCS3 576 432 3/4 QPSKMCS4 1 152 576 1/2 16QAMMCS5 1 152 864 3/4 16QAMMCS6 1 728 1 152 2/3 64QAMMCS7 1 728 1 296 3/4 64QAMMCS8 1 728 1 440 5/6 64QAM图 2 理想信道质量估计时 8 种 MCS 的吞吐量性能表 2 AMC 策略 8 种 MCS 的切换点值切换点 SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7切换点值（dB ）
13、3.42 4.65 6.48 10.26 13.95 15.72 17.34AMC 技术是以无线信道质量状况的估计值为第 8A 期 贾民丽等：自适应 LDPC 编码调制的切换门限调整算法 15依据，自适应调整传输方案中的各项参数。因此，信道质量估计的准确性与实时性直接影响 AMC 的性能。实际系统中，由于测量误差、反向信道延迟、信令误差等因素都会引起信道质量估计的误差，从而影响 MCS 选择的准确性。本文假设信道质量估计误差值服从对数域上均值为 0，方差为的正态分布。另外，定义相对方差 a 来表示2e6不同的信道质量估计误差值，并用于下面的仿真和分析，其中 为信道加性高斯白噪声的方差2h(2)
14、2/eha3 信道质量估计误差对 AMC 性能的影响以及改进方案3.1 信道质量估计误差对 AMC 性能的影响AMC 的典型切换策略是基于固定门限的，虽然可以根据不同业务的 QoS 需求设定不同的固定切换点，但其切换点的门限值与信道类型、信道质量估计误差等密切相关。由于无线传播环境的复杂性，实际上很难实时地确定信道类型和信道质量，从而导致性能下降。图 3 通过链路仿真定量评估了不同信道质量估计误差（a =2,10,20）对吞吐量性能的影响。图标“no CQEE”指在理想信道质量估计下的仿真结果。很明显，信道质量估计误差对吞吐量有较大的负面影响，导致了一定的吞吐量损失，而且信道质量估计误差越大（
15、即 a 越大），吞吐量损失越大。如图所示，当 时，AMC 方案的吞吐量2接近理想估计的情况，而随着 a 增大，吞吐量下降明显。例如，在 时，当 =10,200s/9.5ENdB时，吞吐量分别降低了大约 21%和 31%。另外，在每个 MCS 工作区间，当引入信道质量估计误差时，吞吐量成下降趋势，而且在切换点附近降低到最低点，这是由两方面原因造成的。一方面，当信道真实质量接近但低于切换门限时，由于CQEE 引起的信道质量估计值高于切换门限值，导致 AMC 错误选择较高阶的 MCS，该 MCS 的误帧率较高，从而吞吐量值很低；另一方面，当信道质量真实值高于切换门限而信道质量估计值低于切换门限值时，
16、导致 AMC 错误选择较低阶的MCS，也会引起吞吐量的损失。其中前者的影响较大，且在切换点附近出现的概率达到最大值，因此导致吞吐量损失最大。3.2 MCS 切换门限自适应调整算法针对上述问题，设计了一种改进优化方案自适应 MCS 调整切换门限方案。该方案不再采用理想信道质量估计下的原有切换点，而是根据信道质量自适应的调整每个切换门限以降低信道质量估计误差导致的吞吐量损失，可采用计算机搜索的方法对新的切换门限进行搜索。假设共有 N个切换点 SP (i=1,2,，N)，当信道质量估计误差i的方差为 时，新的切换点变为a，表示新的切换点在原有切,0iiiSPM换点的右侧，M 0 表示新的切换点在原有
17、切换点的左侧。算法规定在 M 这个区域不进行 MCSi切换操作。本文采用下面的搜索算法对第 k 个切换点的 M 进行搜索。k1) 初始化 M ，M =0( =1,2,N; )。ii i2) 开始搜索 ，搜索步进为 ，k 0.1dBstep计算每个 所对应的相对平均吞吐量损失 ，k R-los其定义见式（3）。 的搜索范围满足k12kSP，且(2,31)kkkSPMN 和 。1dB 21 dBNSPM 3) 选择 为最小值时所对应的 M 作为R-losk最优的目标值。搜索停止。(3)R-losmaxtrueinsaxtrueinmaxsin(d()1d()()(SNSNRSSSNSNRRpffp
18、f其中 为信道质量， 是信道质量分布的SNRpf概率密度函数； 和 分别表示可能的inmax最小和最大信道质量值； 和 为有信道质est()est量估计误差下，吞吐量的估计瞬时值和平均值；为无信道质量估计误差下，吞吐量的瞬时值；true表示信道质量估计误差，其概率密度函数为，服从均值为 0，方差为 的正态分布。()pdf 2e表 3 给出了不同 a 值下搜索得到的 值，根据iM可以得到新的切换门限值。iiiSPM16 通 信 学 报 第 28 卷图 3 不同信道质量估计误差下 AMC 的吞吐量性能表 3 搜索得到的最优 Mi值Mi（dB）M1 M2 M3 M4 M5 M6 M72a0.55 0
19、.75 0.41 0.12 0.11 0.11 0.07100.61 0.91 0.92 0.44 0.35 0.41 0.350.61 0.91 1.08 0.68 0.57 0.72 0.544 仿真结果对采用优化 MCS 切换门限的改进 AMC 方案进行了仿真，并与原有的固定 MCS 切换门限的方案进行了比较。图 4 给出了改进的 AMC 方案在有信道质量估计误差的情况时吞吐量的性能。由图中可以看出，改进方案的吞吐量性能有明显改善（与图 3 比较）。图 5 定量比较了原有方案和改进方案的相对平均吞吐量损失 。如图所示，R-losa 越大， 越大，这说明信道质量估计误差越R-los大，吞吐
20、量损失越多。另外，改进方案的 比R-los原有方案的小，例如，当 a=10，20，采用改进方案时的损失分别由 8.1%减少为 6.6%和由 12.3%减少为 9.9%，这说明改进方案能有效降低信道质量估计误差带来的吞吐量损失。图 4 采用优化 MCS 切换门限的 AMC 吞吐量性能图 5 不同 AMC 策略的相对平均吞吐量损失性能5 结束语本文基于 IEEE 802.16e 标准，设计了一种AMC 方案并且分析了信道质量估计误差对其吞吐量性能的影响。在此基础上提出了一种 MCS 切换门限调整算法，根据信道质量状况自适应的调整MCS 切换门限，从而有效地降低了信道质量估计误差引起的吞吐量损失。下
21、一步工作将基于实际的信道质量估计误差模型，来分析 AMC 的性能。参考文献：1 3GPP TR25.848. Physical layer aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access (Release 4), V4.0.0 S. 2001.2 3GPP TR 25.858. Physical layer aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access (Release 5), V5.0.0 S. 2003.3 唐雄燕, 李建宇，张辉等. 宽带无线接入技术及应用-WiMAX 与WiFiM.
22、 电子工业出版社. 2006 年 5 月.TANG X Y, LI J Y, ZHANG H, et al. Broadband Wireless Access Technique and Application-WiMAX and WiFiM. Publishing House of Electronics Industry. 2006.4 曾春亮, 张宁，王旭莹等. WiMAX/802.16 原理与应用M. 机械工业出版社. 2006 年 10 月.ZENG C L, ZHANG N, WANG X Y, et al. Principles and Applications of WiMA
23、X/802.16M. China Machine Press. Oct. 2006.5 Draft IEEE Standard for local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems. IEEE P802.16e/D12 S. October, 20056 FRENGER P, PARKVALL S, DAHLMAN E. Performance comparison of HARQ with chase combining and incremental redundancy for HSDPA A. Proceeding of Vehicular Technology Conference (VTC 2001 Fall) C. Rhodes, Greece, 2001. 1829-1833.作者简介：第 8A 期 贾民丽等：自适应 LDPC 编码调制的切换门限调整算法 17(下转第 21 页)贾民丽（1981-），女，山东淄博人，北京理工大学博士生，主要研究方向为信道编码、编码调制、链路自适应等。何遵文（1964-），男，湖北潜江人，北京理工大学副教授，主要研究方向为数字移动通信。
