3.5链路自适应技术

3.5 链路自适应技术
• 链路自适应技术概述及关键技术 • 链路自适应技术的应用与发展
随着无线通信技术的发展，无线通信 用户也在大量增长。同时用户对无线通信 业务的需求也从低速的单一话音业务转向 高速的多媒体业务，因此未来的无线通信 系统必须具有高的频谱利用率和高速数据 传输能力。我们知道，无线通信信道是时 变信道，根据Shannon信道容量公式，在一 定频谱上信道容量取决于信道的特性（如 衰落、噪声和干扰等），因此无线信道的 容量也是时变的。
②Hughes-Hartogs算法 该算法的优化准则是在约束总发射功 率和维持目标误码率前提下使频谱效率最 高。它是一种基于迭代的连续比特和功率 分配算法。每一次迭代只分配一个比特， 该比特分配给只需要增加最少发射功率就 能维持目标误码率的子信道。迭代过程循 环进行，直到所有功率被分配完毕。该算 法迭代的数目等于所需分配的总比特数， 每次迭代都要在所有子信道间进行比较操 作，因此运算复杂度高，导致实时性较差 。而且，该算法造成系统设计的灵活性较 差。
反馈信令的设计方法有下列几种： • 单一调制符号：设计非常简单直接， 只用经过PSK或QAM调制的单个符号来 承载信令信息。
• 多数判决：将同样的信令信息传在收到这
些信令信息后进行多数判错的联合概率肯 定比单一检测的出多，可以提高反馈信令 的传输可靠性•Βιβλιοθήκη 离散Walsh码：将信令的状态信息用
Walsh序列编码，对每个码元采用最低 阶调制方式（如BPSK）。
EDGE技术的核心就是链路自适应，与 GPRS不同的是，EDGE技术不仅编码方案可 以选择，调制方式也不再是固定的一种GMSK 方式，而是引入了另一种调制方式，即八进 制移相键控（8-PSK）。这种调制方式能提供 更高的比特率和频谱效率，且实现复杂度属 于中等。GMSK和8-PSK的符号速率都是 271kbit/s，但由于8-PSK将GMSK的信号空间 从2扩展到8，因此每个符号可以包括的信息 是GMSK的4倍。
下面我们来看一下链路自适应技术在GPRS中的应 用: 相比较于GSM，GPRS在数据业务的承载和支持 上具有非常明显的优势，最突出的特点是可以灵 活地占用无线信道。它支持的数据传输速率的理 论峰值可以达到171.2kbit/s。GPRS标准定义了4 种不同的编码方案：CS-1~CS-4，数据速率分别 为9.05kb/s，13.4kb/s，15.6kb/s和21.4kb/s，对 应的码率分别为1/2，2/3，3/4和1。GPRS可根据 数据速率要求和无线链路的质量来动态选择编码 类型，以达到最大的无线吞吐量。CS1拥有最高 的纠错能力和最低的速率，而CS4无纠错能力但 编码速率最高。不同时隙可选择不同的信道编码 ，当网络传输质量较好时，可采用较高速的编码 方式，反之采用较低速的编码方式。
调制转换信令
数据 产生
检测 编码
纠错 编码
自适应 各子信 道的比 特 功 率分配 和调制 方式
扩频
衰落信 道和高 斯白噪 声
各子信 道测量
调制 转换
传输模式信令
解扩
自适应 解调和 各子信 道的比 特流的 重组
判决
纠错 编码
检测 编码
信宿
图3-31 自适应调制技术
为了使各子信道上分配的比特数目尽 可能地与信道条件相匹配，并且具有尽量 低的复杂度，人们提出了各种算法： ①Water-Filling算法 此算法是最优链路自适应算法，它能 使系统的频谱利用率逼近Shannon界。它的 基本思想是给信道条件好的子信道多分配 发射功率和数据比特，对信道条件差的子 信道少分配或不分配发射功率和比特。但 Water-Filling算法给每个子信道分配的比特 数目可能为非整数，不存在相应的调制方 式，而且其实现复杂度相当高，所以很少 应用于高速无线数据传输中。
为了保证链路的健壮性，EDGE对两种调制方案和 几种编码方案进行组合，形成了9种不同的传输模式 。EDGE标准支持的链路自适应算法包括周期性的对 下行链路质量的测量和报告以及为下一个要传输的 内容选择新的调制和编码方法等。EDGE中另外一种 对付链路质量变化的方式是逐步增加冗余度。在这 种方式中，信息刚开始传输时，采用纠错能力较低 的编码方式，如果接收端解码正确，则能得到比较 高的信息码率。反之，如果解码失败，则需要增加 编码冗余量，直到解码正确为止。显然，编码冗余 度的增加将导致有效数据速率的降低和延时的增加 。
自适应信道编码一般采用RCPT（速率匹配 凿孔Turbo码）和软判决Viterbi译码，这样 不必对编码器和译码器的结构进行修改， 减小了实现的复杂度。RCPT由单一的码率 为1/M的Turbo码构成，通过在不同位置的 “凿孔”，可以形成一系列不同码率的 Turbo码。这些Turbo码在实际使用中，只 需要一个码率为1/M的编码器和一个Turbo 译码器。发送和接收端只需要共同检索一 个凿孔表，这个表决定发送哪一些编码符 号，接收端只需要在没有发送的位置插入 “0”即可。
码率兼容性要求限制凿孔的方法，即高码 率发送的编码符号应该也可以被比较低的 码率的Turbo码所使用，最终码率1/M的 Turbo码将使用所有符号进行译码。在这种 情况下，发送端只需要补充发送一些编码 符号就可以达到更低的码率。图3-32显示 了RCPT的结构，其中的凿孔矩阵表是比较 重要的，发送端和接收端都要存储此表， 以决定每种编码率对应的凿孔矩阵形式， 决定需要发送的分组大小。
3.5.1链路自适应技术概述及关键技术
链路自适应技术虽然是对物理层的传 输参数进行调整，但它不仅仅需要物理层 ，也需要其他各层之间紧密配合。图3-30 中可以看出：链路自适应技术需要物理层 提供调制、编码和发射功率等参数信息； 需要链路层提供一条可靠的信令链路，以 便在发射参数改变时通知接收机和发射机 ，以协调它们之间的工作
③Chow算法 该算法是为了减少自适应比特和功率 分配算法中的迭代次数和每次迭代中复杂 的排序操作而被提出来的。其优化准则与 Hughes-Hartogs算法相同算法首先经过迭 代计算得到参数Г，然后直接通过闭式解为 各子信道分配比特速率。由此分配的比特 速率有可能是非整数，这时必须将其量化 成整数，为了弥补比特量化带来的性能损 失，在分配发射功率时必须保证各子信道 的性能达到目标误码率。由于不要求复杂 的迭代计算和比较操作，Chow算法的实现 复杂度显著降低，而其性能比最优的
虽然GPRS采用了多时隙的操作模式和简单的 链路自适应技术，但它采用了固定的GMSK（高斯 最小频移键控）调制方式，因此每个时隙只能得 到有限的速率提高。而由Ericsson公司率先提出并 且已经被ETSI（欧洲电信标准协会）采纳的EDGE （Enhanced Data Rates For GSM Evolution）技术 应运而生，成为GSM未来的演进方向之一。EDGE 包括增强的电路交换数据（ECSD）和增强的 GPRS（EGPRS）两部分，二者分别以电路交换和 分组交换为基础。下面提到的EDGE主要是指 EGPRS。
• 非对称保护：该设计根据信道质应地选择
不同的调制方式来传输反在时分双工 （TDD）系统中，数据和信道上传输，但它 们经历的信道特性具性。
3.5.2 链路自适应技术的应用与发展
链路自适应技术凭借其在提高频谱利 用率和数据传输速率方面的卓越性能日益 赢得了人们的青睐，已成功应用于多种移 动通信系统中，应用程度也逐渐从简单到 复杂，成为提高系统性能的关键技术之一 。
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自适应调制技术 自适应差错控制技术
（1）自适应调制技术 调制方式的星座设计对无线通信系统 的性能至关重要。不同的调制方式具有不 同的传输速率，在同样误码率性能要求下 所需要的发射功率也不相同。自适应调制 根据信道的时间、频率和空间选择特性， 将时、频、空域划分成多个子信道，根据 各子信道的条件好坏，为它们分配不同数 目的比特，进而映射为不同的调制方式， 如图3-31所示。
链路自适应（LA：Link Adaptation）技术 动态地跟踪信道变化，根据信道情况确定 当前信道的容量，进而改变传输信息的符 号速率、发送功率、编码速率和编码方式 、调制的星座图尺寸和调制方式等参数， 因此可以最大限度地发送信息，实现更低 的误码率，并减轻对其他用户的干扰，满 足不同业务的需求，提高系统的整体吞吐 量。
无线系统
L3 网络层
链路自适应
其它激活用户 的信息
L2 链路层
信令环
L1 物理层
调制、编码、 发射功率等
图3-30 链路自适应技术结构
链路自适应的关键技术包括自适应调 制和编码等一系列算法和协议组成，随着 对多天线（ MIMO ）和多载波（ OFDM ）等 技术的大量采用，链路自适应设计将综合 时域、频域和空域上的信道变化特性进行。 链路自适应主要涉及以下关键技术：
信源
Turbo 编码
调制
凿孔矩阵表
衰落信道 和高斯白 噪声
信道信息
信宿
Turbo 译码
解调
图3-32 RCPT的结构
②反馈信令设计 决定传输模式转换的反馈信令一般是 由接收机根据CSI测量结果产生，然后经由 信令信道送回发射机告知其下一次传输时 应采取的模式。因为反馈信令的传输也必 须经过无线信道，所以发射机有可能检测 出错误的信令信息，这对于链路自适应系 统是灾难性的。因此，链路自适应系统中 反馈信令的设计准则是保证信令在无线信 道中无错传输。
（2）自适应差错控制技术
差错控制技术一般分为前向纠错（信 道编码）和自动请求重发（ARQ）两类。信 道编码可以保证系统具有稳定的传输效率 ，但编译码器的实现复杂度较高；ARQ的硬 件实现简单，但当信道条件恶化时，数据 包重传次数增多，导致传输效率下降。
①自适应信道编码 固定的信道编码方式在信道条件恶化 时无法保证数据的可靠传输，在信道条件 改善时又会产生冗余，造成频谱资源的浪 费。自适应信道编码将信道的变化情况离 散为有限状态（如有限状态Markov信道模 型），对每一种信道状态采用不同的信道 编码方式，因此可以较好地兼顾传输可靠 性和频谱效率。