移动通信系统论文

2010-2011学年第2 学期

考试科目移动通信系统

姓名

年级

专业

学号

2011年6 月12日

移动通信系统中基于自适应调制和编码的资源分配的控制消息传输

摘要：总的说来，链路自适应方案，如自适应调制和编码（AMC）以及混合自动重复请求（HARQ），加强了时变无线信道的系统容量。为了应用这些链路自适应方案，必须对资源的每一帧进行自适应和动态的分配。因此，系统需要控制消息来发送关于动态资源分配的信息给用户。这些信息包括用户ID，资源位置，调制等级，以及编码和自动重复请求（ARQ）信息。然而，这些资源分配信息的传输，造成了控制开销。在这篇文献中，我们介绍了一种利用AMC来传输资源分配信息的方案，并分析了它在支持截断ARQ，如链路层ARQ和HARQ的系统中的性能。除此之外，我们还证明了使用AMC来传输控制消息是减少控制开销的一种好方法。特别是当每帧的用户数较大，如对于互联网语音服务协议(V oIP)，这种方法非常有效。

关键字：自适应调制和编码（AMC）；控制消息；控制开销；资源分配Adaptive-Modulation-and-Coding-Based Transmission of Control Messages for Resource Allocation in Mobile Communication Systems

Liu Zhihu S100131051

Keywords—Adaptive modulation and coding (AMC), control messages, control overhead, resource allocation.

1.引言

最近的以分组为导向的系统，如移动WiMAX和高速数据分组接入（HSDPA），通过使用链路自适应技术提高了数据吞吐量。这些技术有自适应调制和编码（AMC），混合自动重复请求（HARQ），以及快速信道感知调度。AMC 方案能够通过选择信号星座图以及适合它的时变信道的信道编码来提高系统容量。自动重复请求（ARQ）有效地减轻了由于信道衰落造成的分组错误。除此之外，截短的ARQ通过限制在应用AMC时的最大重传次数以及在物理层只使用固定的调制和编码，改进了系统吞吐量。重传机制，特别是基于HARQ的机制，提供了一种改进由于信道测量和反馈延时错误造成的链路自适应误差的健壮性的好方法。为了应用这些链路自适应方案，系统必须对每帧资源进行自适应的和动态的分配。并且，目前开发的大多数业务都是基于分组的。所以，资源的有效利用要求无线资源能够在移动站之间得到有效共享。最后，自适应和动态资源分配要求逐帧链路自适应和资源的有效利用。因此，对于动态资源分配的控制消息的设计非常重要。资源的链路自适应分配的控制消息应该与数据一块传输，以告

知移动站要求数据传输的的信息，如用户ID，资源位置，调制和编码方案（MSC）等级，以及跟HARQ相关的信息。如下图1所示。

图1. 资源分配信息和数据分组的传输

控制消息大都是通过使用一个非常健壮和固定的MCS来传输。所以，尽管用于资源分配的信息很短，但是大量的无线时频资源可能需要它来传输。也就是说，当有很多用户同时请求小规模的分组服务，如互联网语音服务协议(VoIP)，这些资源的传输可能造成严重的信令开销。

在HSDPA系统中，为资源分配信息的传输定义了一个单一的方案，也就是高速共享控制信道（HS-SCCH）。基站（BS）使用HS-SCCH来告知MS关于数据分组传输的资源分配信息，如关于MCS等级和HARQ的信息。HS-SCCH使用固定的调制和编码，并且它假设每帧的用户数不大。通过对比，在移动WiMAX 系统中，为了支持多媒体业务，如VoIP和视频点播以及互联网数据业务，各种关于资源分配的控制消息都已经定义。在移动WiMAX系统中，这些资源分配信息被叫做MAP信息。一个标准的MAP包含资源分区信息（如资源位置和大小）和那些资源使用的MCS等级。它还包含主要的MAP信息，如正交频分复用副载波置换方法。所以，只要使用了标准的MAP，每一个MS就一定要接收并努力解码所有资源，然后在检查了MAC帧头的ID后，决定是否应该接收该分组。由于一个MS需要在由多个分组链接成的信号序列中找到自己的分组，所以标准的MAP方案造成了处理开销。在一些系统中，有必要对每个用户传输HARQ信息，如一个HARQ序列号。标准MAP方案在这些系统中也存在不足。一个支持HARQ 的MAP信息指示资源位置，MCS等级和HARQ信息，并以每个用户为基础进行传输。所以，当在每帧中传送大量小规模的分组，如VoIP分组时，需要大量的MAP信息，这造成的开销是可观的。考虑到这个问题，IEEE802.16e系统定义了减小长度的MAP，如压缩MAP和紧凑MAP。然而，尽管减小了信令信息的大小，但由于这些信息是用最低等级的MCS来传输的，尽管信息很短，也需要大量的无线资源，所以这个问题任然存在。研究显示，资源分配的控制消息导致了30%-50%的信令开销，尽管在一些使用小的分组的业务，如VoIP中提供了压缩MAP。在设计现实系统时，考虑到这个信令开销至关重要。然而，尽管如此，在这方面的研究结果很少。一种能在相当程度上减少信令开销的能在各种环境下

使用的方法是使用合理的AMC。这种方法已经普遍应用于数据分组的传输以及信令信息本身。AMC是最近无线通信系统中最有用和被验证了的技术之一。使用AMC的Sub-DL-UL MAP在IEEE802.16e标准中作了定义。Sub-DL-UL MAP信息与支持HARQ并使用AMC传输的MAP信息指示相同的信息。这些使用ANC的Sub-DL-UL MAP信息将MAP开销减少到小于20%，尽管在一个帧中包含多个用户（如20个下行链路用户和20个上行链路用户）。然而，为了不超过特定的概率阈值，即在传输数据分组时将有错误产生，一定要非常小心的使用该MAP AMC。所以，有必要对在资源分配信息中使用AMC对系统性能产生的效果进行研究。

在这篇文章中，我们介绍了一个使用AMC来传输41个资源分配信息的方案，并分析了它在移动通信系统中的性能。

2.带有截短LARQ的数据业务的资源分配信息的AMC传输

在这部分，我们检验用于资源分配控制消息的AMC在支持带有截短LARQ 的数据业务的系统中的应用。除此之外，我们分析了它的分组错误率（PER）和频谱效率，以显示基于AMC的资源分配信息传输增加了系统吞吐量，并满足分组丢失的门限概率。

2.1系统模型

图2. 创建一个带有截短LARQ或HARQ的支持数据业务的系统模型我们考虑的系统模型如下图2所示。将AMC用于支持带有截短LARQ的数据业务资源分配控制消息中，使其通过独立同分布的分组衰落信道。为了应用

AMC ，需要获取资源分配信息，如MCS 等级和资源位置。所以，将AMC 用于控制消息，我们需要为控制消息和数据分组获取资源分配信息。一般说来，用于数据分组的资源分配信息随着数据信号序列或用户数的增加而增加。然而，用于控制消息的信息能够使用比数据分组少的资源进行传输，因为它只受到用于传输控制消息的MCS 的等级数的影响。

对于一个分析性的易处理的模型，我们作出以下假设：

1）我们使用一个分组衰落的信道。在每一帧期间这个信道是时不变的，并且允许独立的逐帧变化。这种慢变化对于衰落信道是合理的。我们我们对接收信噪比（SNR,，γ）分布使用一个大致的Nakagami-m 模型。换句话说，信噪比SNR 是独立同分布的，服从一个γ的概率密度函数。表示如下：

1()()exp()()m

m m f m m

γγγγγγ--=-Γ （1） 这里γ是平均接收信噪比（SNR ），10()m t m t e dt ∞--Γ=?，和(12)m m ≥是

Nakagami 衰落参数。21,(1)1)m m K K ==++，和m =∞模型的Rayleigh 衰落，带有参数K 的Rician 衰落和无衰落。

2）我们使用了八个等级的MCS ，如下表1所示。

表1.MCSs[7]

（用于带有母码生成多项式的卷积信道编码，g=[133,171]）

3）这个近似的PER ()ρ（分组错误率）模型对应于每一MCS 等级的性能下： ()min{1,exp()}n n n a g ργγ≈-

,,1,0exp(),th n n

n th n if a g if γγγγγ<

4）MSs 将下行链路信道信息反馈给BS 。一个BS 可以将AMC 应用于控制消息和基于这些信息的数据业务。这一信道反馈可能造成一些和上行链路开销，但是将AMC 用于控制消息与仅仅将AMC 用于数据业务相比，不会造成任何的信道反馈开销。这里，我们假设信道估计是完好的。

2.2 应用于带有截短LARQ 的数据业务资源分配消息的AMC 设计。

在支持AMC 和截短LAEQ 的系统中，考虑到重传，目标PER 应该是多少的决定，使对MCS 等级的选择更加苛刻，这也改进了频谱效率。当最大允许重传的次数是,max r N ，并且每一次传输的目标错误概率是t P （因为剩余PER ，即,m a x r N 次重传之后的分组错误概率应该不超过允许的分组丢失概率），它们之间的关系如下：

,max 1r N t loss P P +≤ （3） 这里，loss P 是数据分组的分组丢失门限概率，也就是说，也就是要求的最大

剩余PER 。当控制信息和数据分组的真实PER 值分别为c ρ和d ρ时，数据分组的

最终PER 值如下：

,,,(1)(1)d c c d t c t c t d P P P ρρρρρ=+-≤+-

,max 1

1

r N t loss P P +=≤ （4）

这里，,()t c c P ρ≥和,()t d d P ρ≥分别是控制消息和数据分组的目标错误概率。所以，我们可以得到,t c P 和,t d P 的关系如下：

,,,1t t d

t c t d P P P P -=- or ,,,1t t c t d t c P P P P -=- （5）

图3 控制消息和数据分组的MCS 等级的选择

从图3中这些,t c P 和,t d P ，我们可以决定对于每个MCS 等级的控制消息和数据

分组的边界SNR 值如下：

0,0,,,,,,,,,1,1,0011ln ln c d n c n d n c n d n c t c n d t d M c M d a a g P g P γγγγγγ++??==????==??????=∞=∞?? （6）

这里，n=1,2,…,M ，并且注脚’c ’和’d ’分别表示控制消息和数据分组。换句话说，已知即时SNR 值γ，我们选择一个满足不等式1n n γγγ+≤≤的一个MCS 等级n 。

如果1,1,max{,}c d γγγ<，它表示“停电”，分组传输被延迟。

2.3 性能分析

我们现在推导出平均PER 和平均频谱效率。首先，我们分别获得MCS 等级c n 和d n 被选择进行控制消息和数据分组传输的概率，如下所示：

(.)

(.)(.)()(,)(,)U c d L c d n n r c d L U L L n n m m P n n f d m m γγγγγγγγγ

==Γ-Γ? （7） 这里(.)L c d n n γ和(.)U c d n n γ分别代表所选择的MCS 等级(.)c d n n 对应的SNR 的上下边界值。因此，,,(.)max{,}c d L c d n c n d n n γγγ=和1,1,(.)min{,}c d U c d n c n d n n γγγ++=。

这里，(,)L x m Γ表示下边界的不完整的伽玛函数。表示如下：

101(,)()

m t L x m t e dt m ∞--Γ=Γ? （8） 由定义（6），,t

h n γγ>；所以，当使用MCS 等级(.)c d n n 时，平均PER 表示如

下： (.),(.)1[(1)]()(.)U c d n n n c c d c d c c d L c d n n g g g n n n n n n n r c d a a a f d P n n γγγγγγργγ---=+-?? （9）

我们可以通过下式计算出（9）：

()()[(,)(,)]U

L g m L U L L m a f d a b m b m b γγγγγγγγγ

-=Γ-Γ? （10） 其中()b g m γ=+。方程（10）可以很容易的由（1）和（8）导出。我们定义频谱效率为每一个调制符号传输的比特数。这是一个很重要的量值，它决定了系统的吞吐量。在使用MCS 等级(.)c d n n 来统计频谱效率时，考虑到控制开销，我们定义资源效率,c d n n η如下：

,d c d c d d n n n c n d n L R L R L R ηα=-+ （11）

其中，c L 和d L 分别代表一个控制消息和一个数据分组的长度。这里，α表示由于使用固定调制和编码的AMC 控制消息的资源分配信息造成的开销因素。n R 表示在使用MCS 等级n 时，每一个调制符号传输的比特数（也就是，通过调制序列和编码率给出）。

然后，我们得到每一次传输的平均PER 如下：

number of erroneous packets total number of transmitted packets ρ???=

???? ,,11,11(,)(,)c d

c d d d C c d d d C M

M n n r c d n n n n n M M

r c d n n n n n P n n R P n n R ηρη====???=??∑∑∑∑ （12） 平均传输次数N 表示如下：

,max ,max

00{}{}r r N N r r i i N i P N i P N i ===?==>∑∑ ,max ,max 1

011r r N N i i ρρρ+=-==

-∑ （13）

平均剩余PER res ρ表示如下：

,max 1

r N res ρρ+= （14）

最后，得到平均频谱效率如下：

,11(,)c d d

d C M M r c d n n n n n r P n n R S N η==??=∑∑ （15）

对于带有截短HARQ 的数据业务的资源分配信息的AMC 传输的理论研究与上述LARQ 类似，在此不再作具体陈述。

3. 仿真结果分析

我们现在列出几个统计结果对带有截短ARQ 的数据业务资源分配控制消息中使用AMC 的方案的性能进行分析。我们设置开销因子α为0.03，它随着关于AMC 控制消息的资源分配的发送信息而增大。移动WiMAX 系统定义HARQ 和SUB-MAP pointer-IE 作为AMC 控制消息的资源分配信息的消息。假设这些消息使用QPSK 1/12，α可以设置成0.03和0.04之间的一个值。

图4.平均频谱效率与目标控制信息PER 在支持截短LARQ 的系统中的对比。

图5.平均剩余PER 与控制信息目标PER 在支持截短LARQ 的系统中的对比

图4和图5显示了控制消息在短（256,0.01d loss L P ==）和长（1024,0.001d loss L P ==）

数据分组在支持带有截短LARQ 的数据业务的系统中的数据传输性能的目标PER 的效果。由图可知，对于长度较短的数据分组，数据分组的频谱效率随着控制消息的目标PER 的增加而缓慢增加，并且平均剩余PER 总是小于它们允许的分组丢失概率。对于长数据分组，数据分组的频谱效率不受控制消息的目标PER 的影响，并且能够保证平均剩余PER 总是小于它们允许的分组丢失概率。我们看到，将控制消息的目标PER 大致设置在,max 1r loss N P 的一半，能够较

好的满足一部分PER 的要求。可能存在一个控制消息的目标PER 的最优值，使平均光谱效率最大，并且不超过允许的分组丢失率。这个最优值受到控制消息的大小与数据分组的比值，也就是c d L L 的影响。从这些结果，我们可以得出结论：将控制消息的目标PER 大致设置成,max 1r loss N P 的1/10，可以得到较好的性能。

图6 短数据分组的平均光谱效率与平均信噪比（SNR ）在支持截短的LARQ 的系统中的对比

图7 长数据分组的平均光谱效率与平均信噪比（SNR ）在支持截短的LARQ 的系统中的对比

图6和图7分别显示了在一个支持截短LARQ 的系统中，对应于短、长数据分组的平均光谱效率和平均信噪比。使用了控制消息的目标PER 值,max 1,(0.1)r loss N t c P P =?，并将其值,()t d P 设置为,max 1r loss N P 。当为短数据分组时，每帧的用

户数可能比较大。在这种情况下，控制开销调度的用户的数量的增加而线性增加。如图6所示，使用固定调制和编码的控制消息的传输的效率比较低。当信噪比SNR 为10dB 时，将只使用固定MCS 等级，即QPSK 1/12应用到传输控制消息的方案（无控制AMC 方案）的光谱效率大约是不考虑信令开销的理想方案的25%。通过对比，将AMC 应用于控制消息的方案（控制AMC 方案）的光谱效率达到了理想方案的75%。此外，我们可以看到，使用固定等级和减小消息本身长度为原来的一

半(30)

L=未能明显改进系统性能。当一个数据分组较大时，每帧的用户数可能c

较小，与短分组时的开销可能相当，但控制AMC方案与无控制AMC方案相比，当SNR为10dB时，仍能改进比后者高近50%的系统性能。如上图7所示。所以，我们可以得出结论：为了减少信令开销，将链路自适应，如AMC，应用到控制消息的传输，要比仅仅减小其大小更高效。

L=；图8 短数据分组的平均单元频谱效率在一个支持截短LARQ的系统中的比较（256

d

要求的PER=0.01）。

L=；图9 长数据分组的平均单元频谱效率在一个支持截短LARQ的系统中的比较（1024

d

要求的PER=0.001）。

图8和图9分别比较了在使用单输入单输出的场景下，每一个方案的长短数据业务的平均单元频谱效率。这些结果表明：对于短数据业务，如V oIP，控制AMC 方案与无控制AMC方案相比，能够两到三倍的增加平均单元吞吐量。这些结果

是在仿真环境下得到的。它考虑到了路径损耗，多径衰落，遮蔽，并将1024快速傅里叶变换专门用于子信道模型，还有19个六边形三扇面的单元。

4.结论

传统上将最低和固定MCS等级用于控制消息，以确保资源分配信息传输的健壮性。然而，在支持动态资源共享的系统中，当每帧的用户数较多（如V oIP 服务）时，将造成严重的控制开销。在这篇文章中，我们检验了一个资源分配控制消息的AMC方案。对于支持带有截短LARQ的数据业务的系统，我们证实了AMC能够增加系统吞吐量，并能很好的满足数据分组的目标丢失概率。我们还证明了一个数据分组的资源分配消息的目标PER可以设置在0.1左右。在支持截短HARQ的系统中，一个大的用于控制消息的目标PER可能减小跟踪合并增益，因为控制消息中的错误，使监测数据分组中的错误变得不可能。所以，如果我们想通过HARQ获取更好的性能，有必要设置一个数据分组中用于控制消息的目标PER的值低于0.01。这增加了频谱效率，并满足允许的分组丢失概率。所以，我们能得出结论：将AMC用于资源分配消息的传输对于减小控制开销非常有用。特别地，对于短格式的数据业务，如互联网音频协议（V oIP）业务，它能够表现出很好的性能。

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