自适应无线传输技术在高速下行数据分组接入中的应用

2019-11-03 18:58:42

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供稿：网友

严菡，费泽松，赵胜辉，匡镜明
北京理工大学电子工程系

　　摘要：随着高速、多媒体数据业务需求的日益增长，未来无线移动通信系统越来越需要解决支持更高速数据传输技术及频带利用率的问题，自适应传输技术是提高频带利用率的有效手段。结合最新3GPP提出的高速下行数据分组接入HSDPA，归纳、总结和分析了自适应无线传输技术在HSDPA的应用以及其优点和应用前景、未来的研究方向。

　　关键词：移动通信；数据业务；自适应传输技术；高速下行数据分组接入

一、引言

　　随着高速多媒体数据业务需求的日益增长，无线通信要求更宽的频带资源来满足宽带数据业务的传输同时而频带利用率的有限性成为制约宽带数据业务发展的瓶颈,因此频带利用率成为第三代移动通信以及未来通信系统的关键环节之一。同时，对高速多媒体业务的需求，促使无线移动通信系统采用新的技术来提高传输速率和系统容量。

　　在这种背景之下，自适应的思想越来越被应用于第三代移动通信系统的演进传输方案和未来的系统当中去。对于无线通信系统而言，其信道状况、业务类型、业务的分布会随时间、空间的变化而变化，采用自适应的技术可使得系统能够具有更加灵活和智能的功能来根据这些变化进行自适应调整，以提高传输质量，增大系统容量。一般来说，这种自适应的策略分为自适应无线资源管理和自适应无线传输技术两大类。本文重点总结和分析了自适应无线传输技术在最新3GPP中高速下行数据分组接入(HSDPA)中的应用。

　　为了针对下一代无线移动通信系统高性能要求，可供采纳的自适应传输技术主要集中在物理层(PHY)和媒体接入层(MAC)。在物理层主要有传统的分集技术和采用多天线的空间分集技术，在媒体接入层主要包括链路适配技术即自适应编码调制技术和链路重传技术即自动重复请求(ARQ)。

二、HSDPA中的自适应无线传输技术

　　自适应传输技术是根据移动信道的衰落时变特性，自适应地选择传输参数，在信道情况好的情况下，提供高的传输速率，而在信道情况差时，降低输出速率，提高抗干扰的鲁棒性，采用自适应传输技术的优点是在维持数据业务的特定QoS要求的准则下，提高系统的平均频带利用率和传输速率，提高系统容量。可供选择的物理层（PHY Layer）传输参数包括发射功率的水平、传输的符号速率、调制方式（星座图的点数）、信道编码的码率，或是以上参数的任意组合。

　　文献［1～3］和［6～7］研究了发射功率、传输的符号速率自适应变化的策略，文献［4］和［9］研究了符号速率，编码速率自适应变化的方案，而在［5］和［10］中作者提出了自适应调整发射功率符号速率以及瞬时误码率的思想。可见，对于一个具有良好性能的自适应传输系统而言，必须具备2个基本条件：准确的信道估计技术；在发射端和接收端之间必须建立快速、可靠的反馈信道。

　　图1所示为一种典型结构的FDD模式自适应调制系统框图，即所谓的集中式结构。在该结构中，上、下行链路的调制模式的决定权全部由基站（Base Station）控制，移动台（Mobile Station）仅仅将对下行链路的信道估计通过上行的控制信道传送给基站，由基站综合本小区内的无线资源使用情况，合理地选择传输模式。

1自适应调制编码技术

　　自适应调制、编码(AMC)技术是在假设调制符号的发射功率保持不变，在接收端假设使用功率控制使得接收信号的常时平均功率保持不变情况下，仅仅根据不同的信道条件，选择不同的调制方式，使得信息数据的传输速率自适应地调整，以实现在维持一定QoS要求的前提下，提高峰值传输速率和平均传输速率。相比非自适应调制、编码的系统，自适应调制、编码的优点是明显的，大约可以提供约20 dB的功率增益。图2所示为不同的调制方式的性能曲线。

　　图2的左半部分显示的是信道质量随时间变化的曲线，该图的右半部分显示的是不同的调制方式在不同的信道环境下的性能曲线。从该图中可以看出在维持一定的QoS要求下（如图中误符号率小于10-5），可以根据信道质量的时变特性，自适应地选择不同的调制方式。就HSDPA系统而言，目前可供选择自适应选择的调制模式集包括有：QPSK、16QAM和Quiet模式，其中Quiet模式为静默模式。

　　在传统的数字通信网络中，采用差错控制技术提高系统传输的可靠性是常用的方法。对实时性要求较高的场合一般采用前向纠错技术，通过冗余编码来提高数据传输的可靠性或取得一定的功率增益，这样在现有的信息传输速率不变的条件下必然造成使用频带的扩展。为提高频带效率必须采用高阶调制技术，把编码和调制分别来看待不仅不能带来编码增益，相反却劣于未编码的系统；而将编码和调制当作一个整体来看待，以欧氏距离最大化为准则进行联合优化设计，在未扩展频带宽度和未降低信息传输速率的条件下可带来3～6 dB编码增益。高效编码调制技术一经提出即引起高度重视，并已成功地应用于话带信道，使话带的数据速率接近于话带的信道容量。

　　具体来说，Turbo码通过采用带反馈的系统卷积码和子码之间的随机交错来降低系统的比特误码率，是一种纠错能力极强的信道编码方案；而TCM格形编码通过将调制信号的输出映射到信号星座中来实现通信系统的高频谱效率和功率效率。把Turbo码和TCM格形编码调制的思想有机地结合起来，即把格形编码中的卷积码变换为带反馈的系统码形式，并把它作为子码，通过随机交错来构造Turbo码，编码的输出进行多元调制，使得采用Turbo码在保证通信系统传输质量的同时提高系统的传输效率，获得了极强的信道传输能力，其编码增益大于经典的格码调制。

2混合自动重复请求

　　在现代数字通信系统中,为了保证各种信息在信道中可靠、有效地传输,往往要采用差错控制编码技术。数字通信中差错控制方法基本分为2类,即自动重复请求(Automatic Repeat Request，简记为ARQ)系统和前向纠错(Forward Error Correction，简记为FEC)系统。

　　FEC通信系统的优点是只有一个信道,而且系统的传输效率高,等于码速率,与信道的差错率无关。然而FEC也有一些缺点:当译码错误时,错误的信息也送给用户,所以FEC通信系统的可靠性并不高;获得高的系统可靠性,必须使用长码和选用纠错能力强的码组,这使得译码电路复杂化,造价提高。

　　ARQ通信系统比起FEC通信系统来,设备简单,可靠性高，但它必须设置一个反向信道,并且当信道变坏(差错率太大)时,系统由于经常处于请求状态而使传输效率非常低。

　　鉴于FEC与ARQ系统的各自优缺点,适当地把它们结合起来,就构成混合(Hybrid)ARQ通信系统。混合ARQ通信系统是在ARQ系统中引入一个FEC子系统,这个FEC子系统是用来纠正经常出现的错误图样,以减少重传的次数,使得只有在极少出现的错误图样才请求重传,即增加系统可靠性又增加了系统的传输效率。这样混合ARQ系统的可靠性比FEC系统高,传输效率也比ARQ系统高。因此在分组数据交换网或计算机通信网中,人们更愿意使用这种混和ARQ差错控制系统。

　　通常，混合ARQ差错控制系统可分为混合I型与混合II型及其变型。近来一些学者又提出了增余 (Incremental Redundancy)型和混合III型等类型的ARQ系统。

3多输入多输出技术与空时码技术

　　空间分集是通过使用多个独立的天线或相关天线阵列，把发射信号的复本以空间冗余的形式提供给接收端。空时编码(STC)是近年来移动通信领域中的一种新的编码和信号处理技术，在发射端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收，在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关，综合利用时域和空间二维信息，在接收端进行分集接收。

　　与不使用空时编码的编码系统相比，空时编码的优点为可以在不牺牲系统带宽的前提下获得更大的编码增益，可以大大改善移动通信系统的信息容量和信息率。

　　多天线空间分集技术现在只应用于基站来实现上行链路的接收分集，以补偿移动台相对较低的发射功率。然而要在下行链路上即在移动台应用空间分集技术则非常困难，现仍处于理论研究阶段。在做理论研究时，将基站的发射分集与移动台的接收分集结合起来，构造一个多输入多输出(MIMO)移动台信道，以求进一步提高系统性能。

　　目前提出的空时编码有3种形式：分层空时码、空时分组码和空时栅格码。

三、其他关键技术

　　目前对于HSDPA关键技术中还包括有快速小区选择(FCS)。在FCS过程中，移动台根据不同小区的下行链路导频信道信号强度以帧为单位快速选择能为它提供最佳服务质量的小区，从而达到降低干扰和提高系统容量的目的。对HSDPA高速的数据传输系统来说，对通信系统小区快速选择的优点是更有效地利用基站的发射功率，减小下行链路干扰以及提高整个系统的吞吐量。

四、结论

　　高速数据业务将是第三代及未来移动通信系统中的主流业务，这将对无线传输技术提出了更新更高的挑战。为了提高传输速率和系统容量，频带利用率技术成了解决频带资源有限的关键技术。针对WCDMA的演进高速下行数据分组接入(HSDPA)，通过对物理层和媒体接入层各种具体技术的分析、论述，对于自适应无线传输技术，作为一种提高频谱效率的有效手段，我们可以看到：

　　(1)不准确的信道状态信息会将对自适应系统的性能较之非自适应系统产生更大的影响。在大多数自适应传输技术的研究，都采用理想信道估计即假设在接收端信道状态信息完全可知。而在实际系统中，信道状态是时变的，尤其是当信道具有快衰落特性，这样在接收端要及时准确地获得信道状态信息存在一定难度，并且要及时更新、预测信道状态信息，算法复杂，计算量较大。所以在实际应用中，可进行实时的、便于快速跟踪信道估计、信道预测算法的自适应传输技术机将是该领域的研究核心和难点所在；

　　(2)尽管自适应调制、编码较之非自适应方案大约可以提供20 dB的功率增益，但是离理论上香农的信道容量仍然有11 dB的差距。在此基础上，传统的编码调制技术兼具功率有效和频带有效的优点，采用传统的编码调制（TCM）技术又可以提供大约5 dB的增益。而Turbo码由于其优异的纠错性能在高斯白噪声信道（AWGN）下可以获得逼近香农极限的性能，在3G中，被采纳为数据传输的信道编码方案。所以，Turbo编码调制所具有的功率有效和频带有效优异特性结合自适应传输技巧，将为在衰落信道下实现逼近信道容量的高速数据传输开拓一条实现途径，成为下一代无线通信系统中实现高速多媒体通信的核心方案；

　　(3)较之传统的单输入单输出（SISO）系统而言，多输入多输出（MIMO）系统通过引入多个发射天线，或多个接收天线来提高传输速率或获得分集增益。由于在发射端采用多个发射天线，则存在一个如何将要传输的数据流合理地映射到各个发射天线的问题。MIMO系统的空时二维信道特性将对最终的映射准则起着决定性的作用，正如信噪比对选择自适应调制、编码系统最终的模式一样，合理的映射准则不应该是固定的，而应该是根据信道的特性自适应地调整。将自适应技术和MIMO技术结合在一起可以突破传统SISO系统的信道容量的限制，获得更高的传输速率，在下一代的高速无线传输系统中将有着广泛的应用前景。

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摘自　北极星电技术网

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