基于摩爾狀態(tài)機(jī)的自適應(yīng)調(diào)制編碼方法

摘要：

針對(duì)鐵路長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE-R）通信系統(tǒng)，開(kāi)展自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）研究。通過(guò)引入摩爾狀態(tài)機(jī)（MSM）模型，提出一種AMC策略。根據(jù)LTE-R系統(tǒng)采用的調(diào)制和編碼方式（MCS），設(shè)計(jì)MSM的有限狀態(tài)集。針對(duì)不同調(diào)制方式，得到誤碼率（BER）與信噪比（SNR）的關(guān)系曲線。通過(guò)給定目標(biāo)BER，獲得不同調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的SNR閾值。在這些閾值基礎(chǔ)上，通過(guò)加減一定的SNR常數(shù)，得到不同MCS對(duì)應(yīng)的SNR閾值。同時(shí)，為了減少M(fèi)CS在SNR閾值附近發(fā)生頻繁切換，對(duì)SNR閾值設(shè)置上下界，得到MSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)換SNR閾值區(qū)間?；诘玫降腟NR閾值上下界，設(shè)計(jì)MSM，實(shí)現(xiàn)MCS的動(dòng)態(tài)調(diào)整。仿真結(jié)果顯示，所提出的AMC方法比傳統(tǒng)的基于分段函數(shù)的AMC方法具有更加穩(wěn)定的頻譜效率和吞吐量。此外，相比固定調(diào)制方式策略，提出的AMC方法具有更好的BER性能。

0 引言

根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟的規(guī)劃，未來(lái)鐵路移動(dòng)通信將采用鐵路長(zhǎng)期演進(jìn)(Long-Term Evolution for Railway，LTE-R)系統(tǒng)[1]。高速列車(chē)的移動(dòng)速度可達(dá)350 km/h，鐵路沿線的地形復(fù)雜多變，使得無(wú)線信道狀態(tài)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)。自適應(yīng)調(diào)制編碼(Adaptive Modulation and Coding，AMC)技術(shù)可以根據(jù)實(shí)時(shí)信道狀態(tài)信息，對(duì)調(diào)制和編碼方案（Modulation and Coding Schemes，MCS）進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠顯著改善系統(tǒng)性能。因此，為了更好地為L(zhǎng)TE-R系統(tǒng)用戶提供高質(zhì)量通信服務(wù)，開(kāi)展AMC研究具有重要意義。

AMC問(wèn)題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。針對(duì)車(chē)載通信環(huán)境，文獻(xiàn)[2]提出一種基于分段函數(shù)的AMC（AMC-Piecewise Function，AMC-PF）方法，可根據(jù)信道狀態(tài)信息及時(shí)調(diào)整MCS。文獻(xiàn)[3]、[4]提出基于馬爾科夫模型的AMC策略，可以得到每種MCS狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。通過(guò)結(jié)合混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ)協(xié)議，文獻(xiàn)[5]、[6]提出的AMC方案能夠保證系統(tǒng)具有良好的傳輸準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于功率控制和HARQ最佳組合的AMC方案，可以顯著降低平均發(fā)射功率。文獻(xiàn)[8]提出一種基于摩爾狀態(tài)機(jī)（Moore State Machine，MSM)的AMC機(jī)制，將幀錯(cuò)誤率與信道衰減因子作為不同MCS狀態(tài)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。在文獻(xiàn)[8]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]提出一種改進(jìn)的AMC策略，將實(shí)時(shí)信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）作為MSM狀態(tài)轉(zhuǎn)換參數(shù)，并設(shè)置SNR閾值上下界，可以避免頻繁切換MCS。

然而，AMC-PF方法會(huì)造成MCS在分段區(qū)間交界處發(fā)生頻繁轉(zhuǎn)換；馬爾科夫模型雖然可以得到不同狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率，但存在不能及時(shí)追蹤實(shí)時(shí)信道狀態(tài)的不足；結(jié)合HARQ的AMC方法存在一定時(shí)延。MSM是一種具有有限個(gè)狀態(tài)并且可以在這些狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的模型，具有靈活動(dòng)態(tài)特性，是分析動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題的有力工具。因此，受文獻(xiàn)[8]、[9]的啟發(fā)，本文將采用MSM對(duì)LTE-R系統(tǒng)中的AMC問(wèn)題進(jìn)行研究。與文獻(xiàn)[9]不同的是，文獻(xiàn)[9]通過(guò)參考文獻(xiàn)[1]獲得SNR閾值，本文將通過(guò)仿真得到更加合理的SNR閾值。此外，還對(duì)系統(tǒng)誤碼率和吞吐量進(jìn)行性能評(píng)估。

針對(duì)LTE-R通信系統(tǒng)，本文提出一種改進(jìn)的基于MSM的AMC方法。根據(jù)LTE-R系統(tǒng)中使用的調(diào)制和編碼方法，設(shè)計(jì)了MSM的有限狀態(tài)集。根據(jù)不同調(diào)制方式獲得誤碼率（Bit Error Rate，BER）與SNR之間關(guān)系曲線，給定目標(biāo)BER獲得不同調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)閾值?；谶@些閾值，通過(guò)增加和減少一定SNR常數(shù)來(lái)獲得對(duì)應(yīng)于不同MCS的SNR閾值。同時(shí)，為了減少SNR閾值附近MCS的頻繁切換，通過(guò)設(shè)置SNR閾值的上限和下限來(lái)獲得狀態(tài)轉(zhuǎn)換的SNR閾值范圍。根據(jù)得到的SNR閾值上下限，設(shè)計(jì)MSM，實(shí)現(xiàn)MCS的動(dòng)態(tài)改變。最后，通過(guò)仿真對(duì)提出的基于MSM的AMC方法在頻譜效率、誤碼率和吞吐量方面進(jìn)行性能評(píng)估。

1 系統(tǒng)模型

LTE-R通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用分布式基站解決高速鐵路通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題[10]。分布式基站將拉遠(yuǎn)天線單元（Remote Antenna Unit，RAU）與基帶單元（Base Band Unit，BBU）相分離，BBU和RAU分別用于處理基帶信號(hào)和射頻信號(hào)[11]。將BBU與核心網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備集中在機(jī)房?jī)?nèi)，可在鐵路沿線靈活設(shè)置RAU，多個(gè)RAU通過(guò)光纖連接到BBU，可以避免射頻信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸，降低傳輸損耗，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

此外，考慮到無(wú)線電信號(hào)在穿透列車(chē)車(chē)廂間傳播時(shí)具有嚴(yán)重的穿透損耗，需要在列車(chē)頂部安裝車(chē)載臺(tái)（Vehicular Station，VS）。為了保證RAU與列車(chē)之間的可靠通信，一般安裝兩臺(tái)VS，分別安裝在第一節(jié)和最后一節(jié)車(chē)廂的頂部，二者可以根據(jù)具體情況獨(dú)立工作或協(xié)同工作。同時(shí)，在每節(jié)車(chē)廂安裝一個(gè)中繼器（Repeater，R）。不同的用戶設(shè)備（User Equipment，UE）通過(guò)中繼器訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。

2 基于摩爾狀態(tài)機(jī)的自適應(yīng)調(diào)制編碼方法

本節(jié)針對(duì)LTE-R通信系統(tǒng)，提出一種改進(jìn)的基于MSM的AMC方法。首先，設(shè)置MSM的有限狀態(tài)集合；其次，設(shè)定MSM的SNR閾值；最后，設(shè)計(jì)具體的MSM。

2.1 摩爾狀態(tài)機(jī)有限狀態(tài)集設(shè)置

針對(duì)LTE-R系統(tǒng)的快速時(shí)變特性，考慮正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)、十六進(jìn)制正交幅度調(diào)制(16-ary Quadrature Amplitude Modulation，16QAM)和六十四進(jìn)制正交幅度調(diào)制（64-ary Quadrature Amplitude Modulation，64QAM）3種調(diào)制方式。與{1/2，2/3，3/4}3種編碼效率進(jìn)行適當(dāng)組合，得到MSM的有限狀態(tài)集合，用符號(hào)S表示，集合S的元素如式(1)所示：

每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)SNR閾值，MSM會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)SNR進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，及時(shí)調(diào)整MCS，適應(yīng)當(dāng)前信道環(huán)境。對(duì)于狀態(tài)集中的“Stop”狀態(tài)，它表示當(dāng)實(shí)時(shí)SNR低于某個(gè)很小的SNR閾值時(shí)，系統(tǒng)將停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 摩爾狀態(tài)機(jī)信噪比閾值設(shè)定

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，不同調(diào)制方式具有不同的BER性能。在瑞利衰落信道下，通過(guò)仿真，得到QPSK、16QAM和64QAM 3種調(diào)制方式的BER性能曲線，如圖2所示。假設(shè)以作為目標(biāo)BER，可以得到3種調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的SNR閾值，分別為7.31 dB、11.55 dB和16.28 dB。將此閾值定義為調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的SNR基礎(chǔ)閾值。

在調(diào)制方式基礎(chǔ)上，考慮編碼效率，設(shè)定SNR閾值。隨著SNR的增加，意味著信道條件良好，信道編碼能支持更高的編碼效率。如果SNR逐漸減小，說(shuō)明信道條件較差，需要降低編碼效率?；谶@個(gè)想法，在調(diào)制方式基礎(chǔ)上，通過(guò)加減一定的SNR常數(shù)，將編碼效率考慮進(jìn)來(lái)，設(shè)定MSM狀態(tài)對(duì)應(yīng)的SNR閾值。在QPSK調(diào)制方式下，由7.31 dB加減1.5 dB得到編碼效率為1/2和3/4情況下的SNR閾值，分別為5.81 dB和8.81 dB。同樣，16QAM對(duì)應(yīng)的SNR基礎(chǔ)閾值為11.55 dB，將其加減1.5 dB，分別得到編碼效率為1/2和3/4時(shí)的SNR閾值，為10.05 dB和13.05 dB。對(duì)于64QAM，將SNR基礎(chǔ)閾值16.28 dB加減1.5 dB，得到編碼效率為2/3和3/4情況下的SNR閾值，分別是14.78 dB和17.78 dB。對(duì)于“Stop”狀態(tài)，此時(shí)信道條件極差，信道衰落非常嚴(yán)重，系統(tǒng)將不發(fā)送數(shù)據(jù)，假定對(duì)應(yīng)的SNR閾值為0 dB。

對(duì)于LTE-R通信系統(tǒng)，當(dāng)實(shí)時(shí)SNR在閾值附近小范圍波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁轉(zhuǎn)換MCS。如果實(shí)時(shí)SNR比閾值略微低一點(diǎn)或高一點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前采用的MCS影響并不大，可以不用立即改變。只有當(dāng)SNR變化較大時(shí)，才需要及時(shí)改變MCS。此外，在實(shí)際的高速鐵路通信系統(tǒng)中，改變MCS，需要一定的處理時(shí)間。如果不是必須，盡量避免頻繁改變系統(tǒng)參數(shù)。因此，如果在每個(gè)SNR閾值處，設(shè)定一個(gè)合理的閾值上下限，形成一個(gè)SNR閾值緩沖區(qū)，就可以在很大程度上避免MCS的頻繁切換。針對(duì)MSM的7種狀態(tài)，設(shè)定如下的SNR閾值上下限：

其中，i表示第i個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的SNR閾值，Δi表示第i個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的SNR閾值變化量。具體設(shè)置的MSM狀態(tài)轉(zhuǎn)換SNR閾值如表1所示。

2.3 摩爾狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

LTE-R通信系統(tǒng)中的SNR呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)時(shí)SNR，MSM在7個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。為了更清楚地顯示7個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將MSM的設(shè)計(jì)分為SNR增加和減小兩種情況。對(duì)于SNR增加情況，只有當(dāng)實(shí)時(shí)SNR增加到如表1所設(shè)置的SNR閾值上限時(shí)，MSM才進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。具體的MSM如圖3所示，圖中的α表示實(shí)時(shí)SNR。對(duì)于SNR減小情況，只有當(dāng)實(shí)時(shí)SNR減小到如表1所設(shè)置的SNR閾值下限時(shí)，MSM才進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。具體的MSM如圖4所示。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要將以上兩種MSM進(jìn)行聯(lián)合。在初始時(shí)刻，根據(jù)實(shí)時(shí)SNR，MSM會(huì)處于某個(gè)狀態(tài)。然后，在下一時(shí)刻，根據(jù)實(shí)時(shí)SNR，MSM從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)。如果實(shí)時(shí)SNR比前一時(shí)刻的SNR增加了，就采用圖3所示的MSM進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如果實(shí)時(shí)SNR比前一時(shí)刻的SNR減少了，就采用圖4所示的MSM進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

3 仿真結(jié)果和分析

本節(jié)通過(guò)仿真對(duì)提出的基于MSM的AMC方法進(jìn)行性能評(píng)估。相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置如下：MSM的7個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的SNR閾值上限值和下限值如表1所示；對(duì)于實(shí)時(shí)SNR，假設(shè)在20個(gè)時(shí)隙內(nèi)，SNR在α3=8.81 dB和α5=13.05 dB附小范圍波動(dòng)。在前10個(gè)時(shí)隙，SNR在[7.0 dB，9.5 dB]區(qū)間取均勻分布的隨機(jī)數(shù)，在后10個(gè)時(shí)隙，SNR在[12.0 dB，14.0 dB]區(qū)間取均勻分布的隨機(jī)數(shù)。具體的實(shí)時(shí)SNR變化情況如圖5所示。

對(duì)頻譜效率的波動(dòng)性進(jìn)行評(píng)估。頻譜效率可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

其中，SE為頻譜效率，單位是bit/s/Hz。SNR表示實(shí)時(shí)信噪比。將表1中除“Stop”狀態(tài)以外的SNR閾值換算成非dB形式，分別為：[3.81，7.60，10.12，20.18，30.06，59.98]。再代入式(3)，可以得到MSM的后6個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的頻譜效率，分別是：[2.26，3.10，3.47，4.40，4.96，5.93]，單位為bit/s/Hz。對(duì)于“Stop”狀態(tài)，由于系統(tǒng)不發(fā)送任何數(shù)據(jù)，其頻譜效率為0 bit/s/Hz。

圖6對(duì)比了AMC-PF方法和基于MSM的AMC(AMC-MSM)方法的頻譜效率波動(dòng)性。從圖中可以看出，相比AMC-PF方法，AMC-MSM方法的頻譜效率波動(dòng)得到大幅度減小，具有更穩(wěn)定的頻譜效率。原因是AMC-MSM方法設(shè)置了SNR閾值上下限，可以在很大程度上減少M(fèi)CS的頻繁轉(zhuǎn)換。

圖7為AMC-MSM方法和一般調(diào)制方式的BER對(duì)比結(jié)果。對(duì)比QPSK調(diào)制方式，在SNR較低的情況下，AMC-MSM的BER性能與其一致，但隨著SNR的增加，會(huì)帶來(lái)BER的增加。這是因?yàn)椋珹MC-MSM方法會(huì)根據(jù)SNR的增加選擇高階調(diào)制和編碼方式，使得BER相應(yīng)上升。比較16QAM與64QAM的BER曲線，可以發(fā)現(xiàn)在低SNR情形下，AMC-MSM的BER性能更優(yōu)。原因是AMC-MSM方法可根據(jù)SNR選擇合適的調(diào)制和編碼方式，帶來(lái)性能提升。

此外，對(duì)吞吐量性能進(jìn)行評(píng)估。吞吐量可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

其中，T為吞吐量；B表示系統(tǒng)帶寬，假定為5 MHz。

圖8對(duì)比了AMC-MSM方法與AMC-PF方法的系統(tǒng)吞吐量?？梢钥吹?，隨著SNR的增加，兩種方法的系統(tǒng)吞吐量都呈現(xiàn)上升的情況。這正是之前的BER曲線的補(bǔ)充，雖然高階調(diào)制方式會(huì)帶來(lái)BER的增加，但是不能由于BER的增加就不采用高階調(diào)制方式，這是一個(gè)需要平衡的過(guò)程。另外，AMC-MSM的吞吐量曲線比AMC-PF的略低。這是因?yàn)?，AMC-MSM方法考慮避免頻繁轉(zhuǎn)換MCS，設(shè)置了SNR閾值緩沖區(qū)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)LTE-R系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的基于MSM的AMC策略。通過(guò)仿真，得到更加合理的SNR閾值，并設(shè)置SNR閾值緩沖區(qū)，設(shè)計(jì)在一定程度上可以克服MCS頻繁切換的MSM。仿真結(jié)果顯示，提出的AMC-MSM方法比傳統(tǒng)的AMC-PF方法具有更穩(wěn)定的頻譜效率和吞吐量，同時(shí)比高階調(diào)制方式具有更好的BER性能。由于本文的MSM狀態(tài)只考慮調(diào)制方式與編碼效率，下一步將結(jié)合數(shù)據(jù)封包幀長(zhǎng)因素，設(shè)計(jì)更加有效的AMC方法。