banner.jpg)
相關(guān)專題：
北京理工大學(xué)電子工程系
摘 要：隨著高速、多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的日益增長，未來無線移動通信系統(tǒng)越來越需要解決支持更高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及頻帶利用率的問題，自適應(yīng)傳輸技術(shù)是提高頻帶利用率的有效手段。結(jié)合最新3GPP提出的高速下行數(shù)據(jù)分組接入HSDPA，歸納、總結(jié)和分析了自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)在HSDPA的應(yīng)用以及其優(yōu)點和應(yīng)用前景、未來的研究方向。
關(guān)鍵詞：移動通信；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；自適應(yīng)傳輸技術(shù)；高速下行數(shù)據(jù)分組接入
一、引言
隨著高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的日益增長，無線通信要求更寬的頻帶資源來滿足寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸同時而頻帶利用率的有限性成為制約寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸,因此頻帶利用率成為第三代移動通信以及未來通信系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。同時，對高速多媒體業(yè)務(wù)的需求，促使無線移動通信系統(tǒng)采用新的技術(shù)來提高傳輸速率和系統(tǒng)容量。
在這種背景之下，自適應(yīng)的思想越來越被應(yīng)用于第三代移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)傳輸方案和未來的系統(tǒng)當(dāng)中去。對于無線通信系統(tǒng)而言，其信道狀況、業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)的分布會隨時間、空間的變化而變化，采用自適應(yīng)的技術(shù)可使得系統(tǒng)能夠具有更加靈活和智能的功能來根據(jù)這些變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以提高傳輸質(zhì)量，增大系統(tǒng)容量。一般來說，這種自適應(yīng)的策略分為自適應(yīng)無線資源管理和自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)兩大類。本文重點總結(jié)和分析了自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)在最新3GPP中高速下行數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)中的應(yīng)用。
為了針對下一代無線移動通信系統(tǒng)高性能要求，可供采納的自適應(yīng)傳輸技術(shù)主要集中在物理層(PHY)和媒體接入層(MAC)。在物理層主要有傳統(tǒng)的分集技術(shù)和采用多天線的空間分集技術(shù)，在媒體接入層主要包括鏈路適配技術(shù)即自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)和鏈路重傳技術(shù)即自動重復(fù)請求(ARQ)。
二、HSDPA中的自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)
自適應(yīng)傳輸技術(shù)是根據(jù)移動信道的衰落時變特性，自適應(yīng)地選擇傳輸參數(shù)，在信道情況好的情況下，提供高的傳輸速率，而在信道情況差時，降低輸出速率，提高抗干擾的魯棒性，采用自適應(yīng)傳輸技術(shù)的優(yōu)點是在維持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特定QoS要求的準(zhǔn)則下，提高系統(tǒng)的平均頻帶利用率和傳輸速率，提高系統(tǒng)容量。可供選擇的物理層（PHY Layer）傳輸參數(shù)包括發(fā)射功率的水平、傳輸?shù)姆査俾�、調(diào)制方式（星座圖的點數(shù)）、信道編碼的碼率，或是以上參數(shù)的任意組合。
文獻(xiàn)［1～3］和［6～7］研究了發(fā)射功率、傳輸?shù)姆査俾首赃m應(yīng)變化的策略，文獻(xiàn)［4］和［9］研究了符號速率，編碼速率自適應(yīng)變化的方案，而在［5］和［10］中作者提出了自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率符號速率以及瞬時誤碼率的思想�？梢�，對于一個具有良好性能的自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)而言，必須具備2個基本條件：準(zhǔn)確的信道估計技術(shù)；在發(fā)射端和接收端之間必須建立快速、可靠的反饋信道。
圖1所示為一種典型結(jié)構(gòu)的FDD模式自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)框圖，即所謂的集中式結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，上、下行鏈路的調(diào)制模式的決定權(quán)全部由基站（Base Station）控制，移動臺（Mobile Station）僅僅將對下行鏈路的信道估計通過上行的控制信道傳送給基站，由基站綜合本小區(qū)內(nèi)的無線資源使用情況，合理地選擇傳輸模式。
1自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)
自適應(yīng)調(diào)制、編碼(AMC)技術(shù)是在假設(shè)調(diào)制符號的發(fā)射功率保持不變，在接收端假設(shè)使用功率控制使得接收信號的常時平均功率保持不變情況下，僅僅根據(jù)不同的信道條件，選擇不同的調(diào)制方式，使得信息數(shù)據(jù)的傳輸速率自適應(yīng)地調(diào)整，以實現(xiàn)在維持一定QoS要求的前提下，提高峰值傳輸速率和平均傳輸速率。相比非自適應(yīng)調(diào)制、編碼的系統(tǒng)，自適應(yīng)調(diào)制、編碼的優(yōu)點是明顯的，大約可以提供約20 dB的功率增益。圖2所示為不同的調(diào)制方式的性能曲線。
圖2的左半部分顯示的是信道質(zhì)量隨時間變化的曲線，該圖的右半部分顯示的是不同的調(diào)制方式在不同的信道環(huán)境下的性能曲線。從該圖中可以看出在維持一定的QoS要求下（如圖中誤符號率小于10-5），可以根據(jù)信道質(zhì)量的時變特性，自適應(yīng)地選擇不同的調(diào)制方式。就HSDPA系統(tǒng)而言，目前可供選擇自適應(yīng)選擇的調(diào)制模式集包括有：QPSK、16QAM和Quiet模式，其中Quiet模式為靜默模式。
在傳統(tǒng)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)中，采用差錯控制技術(shù)提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃允浅Ｓ玫姆椒�。對實時性要求較高的場合一般采用前向糾錯技術(shù)，通過冗余編碼來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃曰蛉〉靡欢ǖ墓β试鲆�，這樣在現(xiàn)有的信息傳輸速率不變的條件下必然造成使用頻帶的擴(kuò)展。為提高頻帶效率必須采用高階調(diào)制技術(shù)，把編碼和調(diào)制分別來看待不僅不能帶來編碼增益，相反卻劣于未編碼的系統(tǒng)；而將編碼和調(diào)制當(dāng)作一個整體來看待，以歐氏距離最大化為準(zhǔn)則進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，在未擴(kuò)展頻帶寬度和未降低信息傳輸速率的條件下可帶來3～6 dB編碼增益。高效編碼調(diào)制技術(shù)一經(jīng)提出即引起高度重視，并已成功地應(yīng)用于話帶信道，使話帶的數(shù)據(jù)速率接近于話帶的信道容量。
具體來說，Turbo碼通過采用帶反饋的系統(tǒng)卷積碼和子碼之間的隨機(jī)交錯來降低系統(tǒng)的比特誤碼率，是一種糾錯能力極強(qiáng)的信道編碼方案；而TCM格形編碼通過將調(diào)制信號的輸出映射到信號星座中來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的高頻譜效率和功率效率。把Turbo碼和TCM格形編碼調(diào)制的思想有機(jī)地結(jié)合起來，即把格形編碼中的卷積碼變換為帶反饋的系統(tǒng)碼形式，并把它作為子碼，通過隨機(jī)交錯來構(gòu)造Turbo碼，編碼的輸出進(jìn)行多元調(diào)制，使得采用Turbo碼在保證通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的同時提高系統(tǒng)的傳輸效率，獲得了極強(qiáng)的信道傳輸能力，其編碼增益大于經(jīng)典的格碼調(diào)制。
2混合自動重復(fù)請求
在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中,為了保證各種信息在信道中可靠、有效地傳輸,往往要采用差錯控制編碼技術(shù)。數(shù)字通信中差錯控制方法基本分為2類,即自動重復(fù)請求(Automatic Repeat Request，簡記為ARQ)系統(tǒng)和前向糾錯(Forward Error Correction，簡記為FEC)系統(tǒng)。
FEC通信系統(tǒng)的優(yōu)點是只有一個信道,而且系統(tǒng)的傳輸效率高,等于碼速率,與信道的差錯率無關(guān)。然而FEC也有一些缺點:當(dāng)譯碼錯誤時,錯誤的信息也送給用戶,所以FEC通信系統(tǒng)的可靠性并不高;獲得高的系統(tǒng)可靠性,必須使用長碼和選用糾錯能力強(qiáng)的碼組,這使得譯碼電路復(fù)雜化,造價提高。
ARQ通信系統(tǒng)比起FEC通信系統(tǒng)來,設(shè)備簡單,可靠性高，但它必須設(shè)置一個反向信道,并且當(dāng)信道變壞(差錯率太大)時,系統(tǒng)由于經(jīng)常處于請求狀態(tài)而使傳輸效率非常低。
鑒于FEC與ARQ系統(tǒng)的各自優(yōu)缺點,適當(dāng)?shù)匕阉鼈兘Y(jié)合起來,就構(gòu)成混合(Hybrid)ARQ通信系統(tǒng)�；旌螦RQ通信系統(tǒng)是在ARQ系統(tǒng)中引入一個FEC子系統(tǒng),這個FEC子系統(tǒng)是用來糾正經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤圖樣,以減少重傳的次數(shù),使得只有在極少出現(xiàn)的錯誤圖樣才請求重傳,即增加系統(tǒng)可靠性又增加了系統(tǒng)的傳輸效率。這樣混合ARQ系統(tǒng)的可靠性比FEC系統(tǒng)高,傳輸效率也比ARQ系統(tǒng)高。因此在分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng)或計算機(jī)通信網(wǎng)中,人們更愿意使用這種混和ARQ差錯控制系統(tǒng)。
通常，混合ARQ差錯控制系統(tǒng)可分為混合I型與混合II型及其變型。近來一些學(xué)者又提出了增余 (Incremental Redundancy)型和混合III型等類型的ARQ系統(tǒng)。
3多輸入多輸出技術(shù)與空時碼技術(shù)
空間分集是通過使用多個獨(dú)立的天線或相關(guān)天線陣列，把發(fā)射信號的復(fù)本以空間冗余的形式提供給接收端�？諘r編碼(STC)是近年來移動通信領(lǐng)域中的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線進(jìn)行信息的發(fā)射和接收，在不同天線發(fā)射信號之間引入時域和空域相關(guān)，綜合利用時域和空間二維信息，在接收端進(jìn)行分集接收。
與不使用空時編碼的編碼系統(tǒng)相比，空時編碼的優(yōu)點為可以在不犧牲系統(tǒng)帶寬的前提下獲得更大的編碼增益，可以大大改善移動通信系統(tǒng)的信息容量和信息率。
多天線空間分集技術(shù)現(xiàn)在只應(yīng)用于基站來實現(xiàn)上行鏈路的接收分集，以補(bǔ)償移動臺相對較低的發(fā)射功率。然而要在下行鏈路上即在移動臺應(yīng)用空間分集技術(shù)則非常困難，現(xiàn)仍處于理論研究階段。在做理論研究時，將基站的發(fā)射分集與移動臺的接收分集結(jié)合起來，構(gòu)造一個多輸入多輸出(MIMO)移動臺信道，以求進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。
目前提出的空時編碼有3種形式：分層空時碼、空時分組碼和空時柵格碼。
三、其他關(guān)鍵技術(shù)
目前對于HSDPA關(guān)鍵技術(shù)中還包括有快速小區(qū)選擇(FCS)。在FCS過程中，移動臺根據(jù)不同小區(qū)的下行鏈路導(dǎo)頻信道信號強(qiáng)度以幀為單位快速選擇能為它提供最佳服務(wù)質(zhì)量的小區(qū)，從而達(dá)到降低干擾和提高系統(tǒng)容量的目的。對HSDPA高速的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來說，對通信系統(tǒng)小區(qū)快速選擇的優(yōu)點是更有效地利用基站的發(fā)射功率，減小下行鏈路干擾以及提高整個系統(tǒng)的吞吐量。
四、結(jié)論
高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將是第三代及未來移動通信系統(tǒng)中的主流業(yè)務(wù)，這將對無線傳輸技術(shù)提出了更新更高的挑戰(zhàn)。為了提高傳輸速率和系統(tǒng)容量，頻帶利用率技術(shù)成了解決頻帶資源有限的關(guān)鍵技術(shù)。針對WCDMA的演進(jìn)高速下行數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)，通過對物理層和媒體接入層各種具體技術(shù)的分析、論述，對于自適應(yīng)無線傳輸技術(shù)，作為一種提高頻譜效率的有效手段，我們可以看到：
(1)不準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息會將對自適應(yīng)系統(tǒng)的性能較之非自適應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響。在大多數(shù)自適應(yīng)傳輸技術(shù)的研究，都采用理想信道估計即假設(shè)在接收端信道狀態(tài)信息完全可知。而在實際系統(tǒng)中，信道狀態(tài)是時變的，尤其是當(dāng)信道具有快衰落特性，這樣在接收端要及時準(zhǔn)確地獲得信道狀態(tài)信息存在一定難度，并且要及時更新、預(yù)測信道狀態(tài)信息，算法復(fù)雜，計算量較大。所以在實際應(yīng)用中，可進(jìn)行實時的、便于快速跟蹤信道估計、信道預(yù)測算法的自適應(yīng)傳輸技術(shù)機(jī)將是該領(lǐng)域的研究核心和難點所在；
(2)盡管自適應(yīng)調(diào)制、編碼較之非自適應(yīng)方案大約可以提供20 dB的功率增益，但是離理論上香農(nóng)的信道容量仍然有11 dB的差距。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的編碼調(diào)制技術(shù)兼具功率有效和頻帶有效的優(yōu)點，采用傳統(tǒng)的編碼調(diào)制（TCM）技術(shù)又可以提供大約5 dB的增益。而Turbo碼由于其優(yōu)異的糾錯性能在高斯白噪聲信道（AWGN）下可以獲得逼近香農(nóng)極限的性能，在3G中，被采納為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺谰幋a方案。所以，Turbo編碼調(diào)制所具有的功率有效和頻帶有效優(yōu)異特性結(jié)合自適應(yīng)傳輸技巧，將為在衰落信道下實現(xiàn)逼近信道容量的高速數(shù)據(jù)傳輸開拓一條實現(xiàn)途徑，成為下一代無線通信系統(tǒng)中實現(xiàn)高速多媒體通信的核心方案；
(3)較之傳統(tǒng)的單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)而言，多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)通過引入多個發(fā)射天線，或多個接收天線來提高傳輸速率或獲得分集增益。由于在發(fā)射端采用多個發(fā)射天線，則存在一個如何將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流合理地映射到各個發(fā)射天線的問題。MIMO系統(tǒng)的空時二維信道特性將對最終的映射準(zhǔn)則起著決定性的作用，正如信噪比對選擇自適應(yīng)調(diào)制、編碼系統(tǒng)最終的模式一樣，合理的映射準(zhǔn)則不應(yīng)該是固定的，而應(yīng)該是根據(jù)信道的特性自適應(yīng)地調(diào)整。將自適應(yīng)技術(shù)和MIMO技術(shù)結(jié)合在一起可以突破傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)的信道容量的限制，獲得更高的傳輸速率，在下一代的高速無線傳輸系統(tǒng)中將有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
［１］J K Cavers．Variable-rate transmission for Rayleigh fading channels［Ｊ］． IEEE Trans. Commun., vol. COM-20, Feb. 1972：15～22．
［２］T Ue, S Sampei,N Morinaga．Symbol rate and modulation level controlled adaptive modulation/TDMA/TDD for personal communication systems［Ａ］．in Proc. IEEE VTC'95［Ｃ］, July 1995．306～310.
［３］W T Webb，R Steele．Variable rate QAM for mobile radio［Ｊ］．IEEE Trans. Commun., 1995，４３：2223～2230．
［４］H Matsuoka, S Sampei, N. Morinaga,Y Kamio．Adaptive modulation system with variable coding rate concatenated code for high quality multi-media communication systems［Ｊ］．IEICE Trans. Commun., vol. E79-B, Mar. 1996：328～334．
［５］C Kose，D L Goeckel．On power adaptation in adaptive signaling systems［Ｊ］．IEEE Trans. Commun., vol. 48,2000，48：1769～1773．
［６］A J Goldsmith，P Varaiya．Capacity of fading channels with channel side information［Ｊ］．IEEE Trans. Inform. Theory,Nov. 1997，43：1986～1992．
［７］A J Goldsmith，S Chua．Variable-rate variable-power MQAM for fading channels［Ｊ］．IEEE Trans. Commun.,Oct.1997，45：1218～1230．
［８］A J Goldsmith，L Greenstein．Effect of average power estimation error on adaptive MQAM modulation［Ａ］．in Proc. IEEE ICC'97［Ｃ］, June 1997．1105～1109.
［９］D L Goeckel．Adaptive coding for time-varying channels using out-dated fading estimates［Ｊ］．IEEE Trans. Commun.,June 1999,４７：844～855．
［１０］S T Chung，A J Goldsmith．Degree of freedom in adaptive modulation: a unified view［Ｊ］．IEEE Trans. Commun.,Sep. 2001，49：1561～1571．
［１１］Le Goff, Stephane，Glavieux, Alain，Berrou, Claude．Turbo-codes and high spectral efficiency modulation［Ａ］．International Conference on Communications v 2［Ｃ］， May 1～5，1994．645～649；0536～1486 ．
摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
