基于鏈路自適應的CQI優化研究

劉增釗，湯春麗

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 引言

LTE網絡作為3G演進網絡，增強了無線移動通信的空口接入能力，以OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）技術等作為無線網絡演進的重要技術。在20MHz頻率帶寬下，提供更高效的用戶速率，極大地改善小區邊緣的用戶速率。

鏈路自適應是LTE 的重要技術之一，它提高了LTE系統數據傳輸的可靠性及有效性。LTE系統下行鏈路采用CQI（Channel Quality Indicator，信道質量指示）反饋機制，選取自適應調制編碼方案，用于決定在調度周期內的傳輸塊大小。由于不同廠家CQI上報范圍及上報周期有差異，會對用戶下行速率產生影響，因此本文通過選取LTE網絡CQI指標進行驗證，提出合理的CQI上報機制，從而使用戶得到更加良好的速率感知。

2 LTE鏈路自適應技術

LTE鏈路自適應技術分為功率控制和速率控制。LTE功率控制是通過動態調整，維持接收端一定的信噪比，保證鏈路的傳輸質量，功率控制的目的是避免小區間用戶干擾。速率控制是在保證功率控制恒定的情況下，通過調整鏈路傳輸的調制方式和編碼速率，確保鏈路質量，速率控制的目的是充分利用所有功率資源。LTE鏈路自適應技術通過功率控制和速率控制結合，動態調整信道配置，最大化保證傳輸數據的高效性和可靠性。

LTE系統下行鏈路自適應包括添加CRC（Cyclic Redundancy Check，循環冗余校驗碼）、信道編碼、速率匹配、物理層加擾、調制、資源映射、符號信號生成等過程。而接收端信號自適應過程為發送端的逆過程。鏈路自適應調制編碼方案就是通過下行信道反饋信噪比、映射CQI、選擇MCS（Modulation and Coding Scheme，調制與編碼策略），然后再反饋給網絡端的過程。鏈路自適應框架如圖1所示。

3 CQI定義及上報機制

LTE-CQI參數定義，CQI是無線網信道通信質量的衡量標準。CQI是根據下行信道有用信號與噪聲的比值，動態調整系統的編碼性能，使數據能夠滿足當前信道進行傳輸。當信道質量良好時，盡可能多的傳輸數據，提高用戶下載速率。當信道質量較差時，以降低傳輸速率為代價，保證數據傳輸的可靠性。同時為了滿足用戶極速體驗需求，LTE網絡提供64QAM高階調制方式，使用戶獲得更高的吞吐率。

3.1 CQI參數釋義

LTE-CQI用以表示下行信道的質量，eNodeB根據CQI信息選擇合適的調度算法和下行數據塊大小，以保證UE在不同無線環境下都能獲取最優的下行性能。UE根據測量下行參考信號的信噪比評估下行鏈路特性，并通過廠家核心算法確定當前信道條件下所能獲取的BLER（Block Error Ratio，誤碼率）值，并根據BLER≤10%的限制，上報對應的CQI值，得出適合MCS，決定傳輸塊的大小。SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）與CQI映射關系如圖2所示。

根據E-UTRA物理層的規定，UE上報的CQI index的范圍為0—15，每個上報的CQI-index值對應不同的調制方式和編碼效率，通過獲取UE上報的CQI，可以對應調整每個數據流的調制方式使得數據速率與各信道的傳輸能力更好地匹配。LTE CQI各值與其對應的調制方式以及碼率如表1所示：

表1 LTE CQI各值與其對應的調制方式以及碼率

其中調制方式與調制階數相關，表示一個符號中所攜帶的信息量。QPSK調制階數為2，16QAM調制階數為4，64QAM調制階數為6。由此可見，調制階數與符號攜帶信息的能力為正比關系。

圖2 SINR與CQI映射關系

碼率=傳輸塊中信息比特數/物理信道總比特數=信息比特數/（物理信道總符號數×調制階數）=效率/調制階數。從公式可得出不同CQI索引決定了下行調制階數與物理信道每個符號攜帶信息的差異。根據映射關系可得出，CQI值越大，所采用的調制編碼方式越高，映射到物理層符號的信息越多，因此在調度時間內下行峰值吞吐率越高。

表2 LTE傳輸模式與CQI上報模式對應關系

3.2 CQI上報機制

LTE系統分周期性的CQI上報和非周期性上報兩種模式，PUCCH信道通常承載周期性上報CQI信息，PUSCH信道承載非周期性上報CQI信息，如果UE發送周期性CQI的子幀，同時有數據發送，此時由PUSCH信道完成上報，與周期性上報格式相同。如果同時存在周期性和非周期上報，UE只上報非周期性CQI。

LTE-CQI上報分為3種方式：1）寬帶CQI上報；2）用戶選擇子帶CQI上報；3）高層配置子帶CQI上報。同時，LTE中的CQI上報還與UE的傳輸模式有關。LTE定義了8種不同的傳輸模式，對應不同模式多天線技術。LTE傳輸模式與CQI上報模式對應關系如表2所示。

（1）周期性上報

對于CQI周期性上報，eNodeB可以通過參數Cqi-FormatIndicatorPeriodic，配置UE進行周期性的上報，包括CQI 的上報模式，所使用的PUCCH 資源以及上報周期信息。周期上報無高層配置的子帶類型上報模式，對于PUCCH周期上報模式分為4種，如表3所示：

表3 PUCCH周期上報4種模式

（2）非周期性上報

對于CQI非周期性上報，當UE在下行子幀上接收到DCI format 0或者Random Access Response Grant（CQI request=1），反饋相應的CQI。

非周期CQI上報模式是由3種CQI上報類型和PMI上報類型組合而成，對于PUSCH非周期上報有5種模式，如表4所示：

表4 PUSCH周期上報5種模式

4 LTE網絡CQI指標分析

LTE下行鏈路信道通過CQI反饋選擇典型的調制方式及編碼率。通常，一個高階CQI值能反映出良好的下行鏈路質量，反之亦然。因此CQI從側面反映LTE系統噪聲干擾情況。根據表1可以看出，CQI≥10是采用64QAM調制的必要條件，CQI≥7是采用16QAM調制的必要條件。

4.1 廠家CQI定義

（1）愛立信CQI指標定義：小區CQI平均數＝（CQI0個數×0+CQI1個數×1…+CQI15個數×15）/CQI上報總個數；其中，CQI個數=pmRadioUeRepCqiD istr[i]+pmRadioUeRepCqiDistr2[i]，(i=0, 1, 2, …, 15)。

（2）華為CQI 指標定義：小區CQI 平均數=（CQI0個數×0+CQI1個數×1…+CQI15個數×15）/CQI上報總個數；若UE上報的Rank大于1，則分別統計兩個碼字的CQI指標。

愛立信與華為CQI指標定義的相同點：從上報機制來看，在全帶寬上，兩個廠家都是分16個段統計0到15的CQI上報數，且在RANK為2的時候，CQI皆上報同一值2次。

4.2 CQI指標分析

通過分析廠家CQI取值的范圍，驗證CQI上報與用戶下行速率關系，指導LTE網絡CQI指標的優化工作。

（1）CQI指標占比分布：CQI指標以廠家為統計對象，通過廠家定義的CQI平均數，統計CQI平均數大于10的小區占比情況，評估噪聲干擾對LTE網絡的影響。

愛立信小區CQI平均數＞10的小區占比為89.78%，華為小區CQI平均數＞10的小區占比為71.96%。愛立信平均CQI值高于華為。愛立信、華為CQI平均數分布如圖3所示。

（2）CQI高階占比：CQI≥10的采樣點占比=小區CQI≥10的采樣點數量/小區全部采樣點數量，指標以小區為統計對象，統計小區上報不同CQI值的次數，衡量小區下行鏈路的整體質量情況。愛立信小區高階CQI占80%到100%的比例為41.57%；華為小區高階CQI占比80%到100%的比例為17.08%。愛立信、華為高階CQI占比分布如圖4所示。

由此可見，高階CQI指標的占比越高，用戶級下行吞吐率越高。愛立信在高階占比80%以上分段，用戶速率遠高于華為區域，所以上報CQI取值對用戶下行速率有直接影響。高階CQI與用戶級下行速率關系如圖5所示：

圖3 愛立信、華為CQI平均數分布

圖4 愛立信、華為高階CQI占比分布

圖5 高階CQI與用戶級下行速率關系

（3）廠家上報周期間隔決定不同廠家CQI的采樣點數量存在差異。上報周期間隔設置較長，雖然降低了下行交互的信令開銷，同時也降低了下行信道估計的精度，帶來用戶下行速率的損失。反之，上報周期間隔設置較短，額外占用上行承載數據的資源，降低了系統上行鏈路的效率，因此需均衡考慮CQI的配置參數。從上報周期來看，愛立信周期性上報為80ms一次，非周期上報10ms一次，周期性上報可選，出廠默認為80ms；華為則為5ms～40ms的自適應上報，周期和非周期都一樣。愛立信與華為采樣點數量如圖6所示：

圖6 廠家CQI采集總數對比

4.3 CQI對LTE系統的影響

CQI 作用于LTE 系統下行鏈路資源分配，U E 根據每個信道的等效SINR值估算CQI，通過系統分配上行資源上報基站?；靖鶕m應當前信道的CQI上報機制來選取相應的寬帶或者子帶信息，獲悉終端在選擇頻帶上的干擾情況，實現頻率選擇性或者非選擇性調度?；靖鶕﨏QI取值和系統帶寬獲取MCS（Modulation and Coding Scheme，調制與編碼策略）和TBS（Transport Block Size，傳輸塊）信息，從而直接影響下行吞吐率。

如果UE上報了較低的CQI取值，但是LTE系統卻錯誤地發送了較大的傳輸塊，則可能導致誤碼率抬升，從而U E 解碼失敗并發送NACK信息，系統會產生大量數據重傳，增加系統負荷，影響網絡資源利用率。如果網絡無線環境較差，但UE卻錯誤上報較高CQI取值，則系統根據上報CQI選擇較大的傳輸塊，而這也同樣可能導致UE解碼失敗，導致系統資源利用率降低。因此基站應根據當前信道條件上報正確的CQI取值，通過MCS選擇合適的TBS發送數據，達到最佳的用戶速率體驗感知。

5 結束語

CQI指標對LTE網絡下行調度起著關鍵作用，因此了解CQI上報的基本原理、上報機制和現網指標，對網絡優化工作有很大幫助。本文主要對CQI指標進行了詳細分析，同時介紹了CQI對LTE系統的影響。通過監控CQI指標評估LTE網絡整體的覆蓋和干擾的情況，指導優化工作，從而提升用戶感知體驗。

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