ＯＦＤＭ系統中的ＡＭＣ技術研究

摘 要:如果正交頻分復用(OFDM)技術與自適應調制與編碼(AMC)技術相結合，能大大增加系統的性能。本文中，主要研究了在OFDM中，根據信道特性的變化自動選擇相應的調制編碼方案(MCS)，采用的算法是最大吞吐量準則的固定閾值算法。

關鍵詞:OFDM;AMC

中圖分類號:TN91 文獻標志碼:A文章編號:16717953(2009)04008903

Researching of AMC Technology in OFDM System

YU Yueqing，WANG Mingye，ZHANG Guixin

(Air force Da lian communication sergeangt academy command automatic departmeng Dalian Liaoning 116600，China)

Abstract: The system's performance will be improved greatly if OFDM combines with AMC technology. How to select the MCS adaptively according to the channel state information is researched in OFDM system，the fixed threshold algorithm based on most throughput rules is adapted.

Key words: OFDM;AMC

在寬帶無線傳輸中，整個傳輸系統帶寬大于信道的相干帶寬，信道表現為頻率選擇性，即信道對信號的不同頻率成分衰減大小不一。這正是寬帶OFDM傳輸系統的基本特性。由于OFDM系統在頻域傳輸數據，整個頻帶劃分為若干個子載波信道，這些子載波上的符號傳輸時間大于信道的時延擴展，子載波帶寬較窄，信道在每個子載波上表現為平坦衰落，可以用一個時變的乘性Rayleigh衰落因子描述，而整個帶寬遠大于信道的相干帶寬，不同子載波上的乘性Rayleigh衰落因子幅度大小不一^[1]。在一般OFDM系統中，各子載波上使用相同的發送功率和調制方式，則OFDM系統的誤比特率性能主要由那些處于深衰落的子載波決定。

采用AMC技術的OFDM系統就是通過對信道狀態信息(CSI)的充分利用，在衰落幅度較大的子載波上采用低階調制編碼方案，而在衰落幅度較小的子載波上采用高階調制編碼方案。

1 AMC系統模型

1.1 AMC原理模型

AMC技術作為鏈路自適應技術一種重要形式，通過改變系統中的星座圖大小、編碼效率、傳輸功率等參數來自適應跟蹤信道的變化。圖1是在OFDM系統中應用了AMC技術的系統框圖。

仿真中所使用的系統參數采用了3GPP的E-UTRA標準，各參數值如表1所示。仿真中采用了編碼技術，由于編碼技術的糾錯功能，不能用誤碼率公式來確定每一條誤碼率曲線，誤碼率的計算通過輸入與輸出端數據的比較來求得的;吞吐量的計算是依據一幀中的誤碼性能。此處，仿真中還假設系統中有一個信令反饋信道，并且反饋信道沒有延遲。

本文分析了基于子載波模式的AMC系統的性能。子載波模式，就是在子載波處理過程中，可以以每一個子載波為單位來進行單獨處理，可以單獨選擇調制方式和編碼方式。

基于子載波模式的自適應算法主要有固定閾值算法、比特分配算法、常吞吐量自適應算法等等，本文主要研究了最大吞吐量準則的固定閾值算法。

1.2 吞吐量的計算

吞吐量是指單位時間內所傳輸的信息量，在我們的AMC系統中，可以形象地描述為每秒正確傳輸的信息比特數。假設第i個子載波的系統長期BER為Pi，則整個OFDM符號正確傳輸的概率P0為:

P0=Nci=1(1-Pi)

每幀包含Nf個OFDM符號，每幀正確傳輸的概率Pc為:

Pc=Nfj=1P0(j)

假設信道在一幀內保持不變，則

Pc=(P0)Nf=Nci=1(1-Pi)Nf

對于固定的調制編碼方案，調制所選擇的調制階數和編碼效率都是固定的，則

Throughput=ENf#8226;Nc#8226;m#8226;cTs Nci=1(1-Pi)Nf

=Nf#8226;Nc#8226;m#8226;cTs ENci=1(1-Pi)Nf bits/sec

2 固定閾值算法

固定閾值算法是自適應調制與編碼系統中最簡單、最常用的方法。假定可用的調制方式共有n種，分別表示為{m0，m1，…，mn-1｝，其星座圖的大小是依次遞增的;相應地，將信道SNRγ的取值范圍也劃分為n個區間，分隔點的集合表示為{γ0=-∞，γ1，…，γn-1，γn=+∞｝。當γ的估計值位于區間i(γi，γi+1)，(0in-1)時，則下一次傳輸就采用mi。SNR區間的劃分可以依據最大吞吐量原則。以Ti(γ)代表備選方案mi的吞吐量在干擾信道下的SNR性能。隨著γ在其取值范圍內遞增，具有最大吞吐量的方案也隨之改變;當γ很小時，m0的吞吐量T0(γ)是最大的，隨著γ的增大，首先是T₁(γ)變成最大，接著是T2(γ)，…，最后是Tn-1(γ)，將這種替代發生時的γ值定義為區間的分割點，在區間(γi，ri+1)，(0in-1)內，Ti(γ)是最大的。

同樣采用讀圖的方法，根據最大吞吐量準則，從圖3中，可以得到關于SNR的閾值區間如表3所示。

3 閾值可控算法的改進

對于以最大吞吐量原則為準則的固定閾值算法，關鍵技術之一是怎么樣選擇MCS，也就是說如何找到一個準確的SNR，來完成MCS之間的交換^[3]。如果SNR小于SNR1，就選擇MCS1，如果SNR介于SNR1和SNR2之間，就選擇MCS2，如果SNR大于SNR2，就選擇MCS3，如圖4所示，這樣就能得到最大吞吐量。MCS的選擇是通過測量的信噪比的大小來進行的，在本文中，信噪比是通過仿真而得到的，信噪比的門限值根據信道的變化是動態變化的。在理想條件下，系統能夠得到最優的信噪比門限，并且能夠預知系統的吞吐量曲線，所以就能夠獲得最優的信噪比門限值。然而，實際系統當中，很難準確得知復雜的信道變化，尤其是在實時的移動通信系統當中，多徑信道是時變的，更難獲得最優的信噪比門限值。如果這個門限值不準確，系統的吞吐量性能將下降，如圖5所示。如果SNR1低于理想的最優值，則在交點1處就已經轉換到MCS2，吞吐量變小;如果SNR2高于理想的最優值，則在交點2處才能夠轉換到MCS3，吞吐量亦變小。可以看出，信噪比門限值的不穩定，嚴重影響了系統的吞吐量。

為了解決這個問題，提出一種改進的自適應門限值可控的方案，根據循環冗余校驗(CRC)的結果來控制信噪比的門限值。如果CRC為0(正確)，信噪比的門限值減小一定量的值δdown，如果CRC為1(有錯誤)，信噪比的門限值增大一定量的值δup。當然應用CRC技術需要從接收端返回一個確認值(ACK或NACK)，這樣可以統計出系統的誤幀率。根據給定的系統目標誤幀率的要求，可以確定出增加或者減小的步長值δdown和δup的值。如果假定目標誤幀率為1%，則令δdown=0.01，δup=0.99。對于吞吐量來說，1%的誤幀率和最大吞吐量的99%是等價的。假定目前選擇的是MCS(n)，T(n)表示改變MCS的上限，即為從MCS(n)變換到MCS(n+1)門限值;T(n-1)表示改變MCS的下限，即為從MCS(n)變換到MCS(n-1)門限值。調整方法為:對于T(n)，當CRC正確，則T(n)的值減小δdown;當CRC錯誤，則T(n)的值增大δup。對于T(n-1)，當CRC正確，則T(n-1)的值減小δdown=Max-thpt(n-1)Max-thpt(n);當CRC錯誤，則T(n-1)的值增大δup=1.0-Max-thpt(n-1)Max-thpt(n)。其中Max-thpt(n)表示MCS(n)的最大吞吐量。

4 結論

本文中首先介紹了系統模型，然后詳細分析了基于子載波模式的AMC系統中的固定閾值算法，其中所選擇的準則為最大吞吐量原則，并在此原則下，確定了閾值區間。最后，對閾值區間的選擇提出了一點改進方法。

參考文獻

[1] 3GPP TR 25.814 V7.1.0.

[2] DAISUKE T，YUU C C，PAUL S，etl.Threshold Controlling Scheme for Adaptive Modulation and Coding System[C].IEEE 2004:1351-1355.

[3] 汪裕民.OFDM關鍵技術與應用[M].北京:機械工業出版社，2007(1).