链路自适应技术在移动通信中的应用

顾昕钰 李文宇

　　摘 要 讨论了链路自适应技术在几个有代表性的移动通信系统中的应用情况，并对未来移动通信系统中链路自适应技术的应用前景进行了预测。

　　关键词 链路自适应 GPRS EDGE HDR

　　一、引 言

　　频带是无线通信中最宝贵的资源，随着人们对无线数据业务需求的快速增长，如何在有限的带宽上最大限度地提高数据传输速率，也就是如何最大限度地提高频带利用效率，逐渐成为移动通信的研究热点。而链路自适应技术（LA：Link Adaptation）正是由于在提高数据传输速率和频谱利用率方面有很强的优势，从而成为目前和未来移动通信系统的关键技术之一。

　　传统意义上的链路自适应技术主要是针对时域而言的。也就是说，动态调整的参数主要是调制方式、编码方式等时域参数，因此在这种情况下链路自适应技术通常被称为AMC（自适应调制编码）。随着下一代无线宽带网络的发展和多天线系统（MIMO或者MISO），多载波系统（例如OFDM）的应用，链路自适应技术也从一维扩展到二维甚至多维，即动态调整包括时域、频域和空域在内的各种传输参数以适应信道的变化。例如，在OFDM系统中，根据信道情况和业务需求动态地为每个用户分配子载波数，以及在发分集系统（MIMO/MISO）中动态地将信息比特映射到不同的发射天线上。

　　二、链路自适应技术的应用

　　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。

　　1．链路自适应技术在GPRS中的应用

　　GSM作为第二代数字蜂窝移动通信系统，在全世界范围内已得到了广泛的应用。但是它主要以话音业务为主，数据速率仅为9.6kbit/s，远远不能满足移动多媒体数据通信的需求。为了解决这个问题，GSM系统在其PHASE2和PHASE2+规范中提出了两种高速数据业务的模型，即基于高速数据比特率和电路交换的HSCSD（高速电路交换数据）和基于分组交换数据的GPRS（通用分组无线业务）。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。通过给一个用户分配多个时隙或多个用户共用一个时隙来有效地利用无线资源，特别适合突发性的、频繁的小流量数据传输。它支持的数据传输速率的理论峰值可以达到171.2kbit/s。

　　作为最佳利用信道，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9.05kbit/s，13.4kbit/s，15.6kbit/s和21.4kbit/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没有纠错能力，但可提供最高的速率。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。链路自适应的概念在这里得到了很好的体现，但应该说GPRS中应用的链路自适应技术是比较基本的，它只涉及到编码方式的动态选择，而调制方式是固定不变的。

　　2．链路自适应技术在EDGE中的应用

　　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，但它仍然采用了固定的调制方式，即GMSK（高斯最小频移键控）的调制方式，因此每个时隙能够得到的速率提高是有限的。在这种情况下，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。统一无线通信论坛（UWCC）也已于1998年1月批准把该技术作为TDMA/136的演进方案。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。

　　EDGE技术的核心就是链路自适应，而且与GPRS不同的是，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。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。EDGE系统的最高数据传输率可达473.6kbit/s。

　　3．链路自适应技术在HSDPA中的应用

　　HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）是WCDMA的增强型技术，旨在提高下行信道传输数据的能力。无线数据业务具有上下行不对称的特点，下行对数据速率的要求比上行要高得多。采用HSDPA可以将下行信道数据速率提高到8～10Mbit/s。HSDPA增加了高速下行共享信道（HS_DSCH），与WCDMA的DSCH相比，HS_DSCH采用的关键技术是AMC和HARQ（混合ARQ）。下面重点介绍作为HSDPA关键技术的链路自适应技术。严格地讲，HARQ是链路自适应的一项隐含技术，因为它保证了AMC的实现。信道状态是系统选择传输模式的依据，所以AMC对于信道状态的测量差错和报告延迟非常敏感。而采用HARQ技术后，引入了重发机制，因此可以适当降低系统要求的MCS（Modulation and Coding Scheme）级数，并降低对测量差错和流量波动的敏感程度。

　　根据3GPP Release4关于HSDPA的可行性研究报告得出，编码方式和调制方式都是在AMCS控制下动态选择的。信道编码的基本码型采用R99中1/3码率Turbo码，其它码率的（包括3/4，1/2，1/4）Turbo码，将通过速率匹配的打孔或者重复功能实现。调制方式的选择种类在Release4和Release5中有较大区别，在Release4中除了R99中的QPSK方案外，还建议使用8-PSK，16QAM，64QAM等高阶调制方式。而在Release5中基于性能和复杂度方面的考虑，只推荐使用QPSK和16QAM。64QAM有可能在更高版本中被纳入规范。

　　HSDPA将不同的编码和调制方式组合成若干种“MCS（调制编码方案）”，供系统根据信道情况进行选择。靠近基站的用户，拥有高质量的信道条件，将被分配级别较高的调制编码方案（例如16QAM，3/4码率的Turbo码），这种调制编码方案的抗干扰性能和纠错能力较差，对信道质量的要求较高，但是能够赢得较高的数据速率，提高链路的平均数据吞吐量。相反，处于小区边界的用户，信道衰落严重或存在严重干扰和噪声，将被分配的级别较低，具有较强纠错能力，抗噪声干扰性能较好的调制编码方案的调制编码方案（例如QPSK，1/2码率的Turbo码），以保证数据的可靠传输。使用HSDPA将使下行数据传输峰速率达到10.8Mbit/s。下面介绍链路自适应技术在HSDPA中的具体实现情况。在3GPP R4 HSDPA的可行性研究报告中推荐了如下几种方法供HS-DSCH信道选择传输模式：

　　（1）由UE来估计/预测下行信道的质量，并计算出合适的传输模式，把它报告给Node B。

　　（2）由UE来估计/预测下行信道的质量，并报告给Node B，由Node B来进行传输模式的选择。

　　（3）Node B可以在没有UE反馈的情况下来决定合适的传输模式，例如它可以基于相应专用物理信道的功率控制增益来进行传输模式的选择。

　　选择合适的传输参数是在Node B新增的功能实体MAC-hs完成的，该功能实体位于MAC层。除了上述功能外，MAC-hs还该功能实体包含HARQ和HSDPA的调度功能以及对HS_DSCH的控制功能。这样做降低了处理延迟，提高了处理效率。

　　在HSDPA中由HS_SCCH（高速共享控制信道）承载下行控制信息，每个UE最多只能有4个HS_SCCH，它所承载的信息包括两部分。一部分是对时间有严格要求的信息，包括扩频码信息和调制方式指示，用于对HS_DSCH信道传输的信息进行解扩解调。另一部分信息对时间要求不很严格，包括冗余信息，ARQ进程序号，是第一次传输还是重传的指示信息。而编码速率等信息并不包含在内，因为这可以通过传输块大小等信息计算出来。相应的上行控制信道是HS_DPCCH（上行高速专用物理控制信道）。承载的信息包括两部分：CRC校验结果指示（ACK/NACK）和信道质量指示信息（CQI）。

　　对于链路自适应技术来讲，传输模式的选择策略是核心算法，准确高效的选择算法是该技术得以成功运用的关键。就这一问题，规范中并没有做出明确的规定，而是给各个设备制造商以充分的发挥空间，各企业的研发部门以及其它科研机构对这一领域做了广泛而深入的研究，目前这仍然是一个值得进一步研究的热点问题。

　　自适应技术在提高系统吞吐量的同时，要求UE增加相应的功能来支持这项技术。AMC要求UE增加的基本功能有如下几项：获取Node B所配置的传输参数信息的能力，低速/高速Turbo码译码能力，测量/报告下行信道质量的能力和高阶解调能力。HSDPA引入的16QAM调制方式要求UE不仅能够估计相位参考信息还要能估计幅度参考信息。高阶调制方法对由于接收机结构不理想而引入的干扰更加敏感，因此要求UE相对于Release99来说要有更精确的同步跟踪机制和信道估计方法，以获得足够好的性能。

　　HSDPA的基本原则就是根据信道的当前状况选择合适的调制和编码方案，以达到最大化数据吞吐量的目的。也就是说，链路自适应及其辅助技术是HSDPA的关键所在。从理论上说，链路自适应使HSDPA的峰值数据速率近似可以达到R99的5倍。频谱资源和码资源对于移动通信系统来说都是非常珍贵的，提高频谱利用效率和码资源利用效率是未来移动通信系统面临的一个重要挑战。链路自适应技术在HSDPA中的应用极大提高了频谱资源和码资源的利用效率。就频谱利用效率来说，一方面在信扰比较低的情况下，通过自适应的采用纠错能力较强的编码方式以及混合ARQ，提高了抗干扰能力，重传合并机制使得每一次传输的内容不论正确与否都不会被浪费，从而提高了频谱的利用效率。另一方面，信扰比较高时，通过采用高阶调制和较小的编码冗余提高了传输效率，从而提高了频带利用率。对于码资源来说，通过采用高阶调制和较小的编码冗余提高了每传输符号所承载的信息比特数，也就是提高了每个信道化码所承载的数据量，从而提高了码资源利用率。

　　总之，链路自适应技术作为HSDPA的关键技术之一，在HSDPA中的成功运用显示了这一技术在提高系统数据吞吐量，提高频谱资源和码资源利用效率等方面的巨大技术优势。

　　4．链路自适应技术在cdma2000 1x EV中的应用

　　3GPP2中cdma 2000 1x标准的演进，主要分为两个阶段：

　　（1）1x EV-DO（data only）阶段，数据业务和话音业务采用不同的信道进行传输，高通、朗讯、爱立信等公司提出的HDR（高速数据速率）技术，已成为该阶段的惟一技术标准，可以支持峰值速率为2.4Mbit/s的高速数据业务。

　　HDR最突出的特点就是将数据和话音相分离，采用专用信道传输数据。因此HDR主要是对下行链路做了较大修改，链路自适应技术在其中得到成功运用。HDR将全部的系统资源（包括带宽和码资源）进行动态分配以提高系统能力；动态控制数据速率，使处于有利位置的用户得到尽可能高的速率。下行业务信道采用多种编码方案，包括QPSK、8PSK和16QAM，得到不同数据速率；信道编码方案采用Turbo码，码率为1/5或1/3。在通信中，移动台不断测量导频强度，并在HDR特有的数据速率控制（DRC）信道的每一个时隙内要求一个与当前信道条件相符合的数据速率。网络按当时移动台所能支持的最大速率进行编码。当用户需求改变或者信道条件改变时，动态地调整数据速率。

　　（2）1x EV-DV（data and voice）阶段，数据信道与话音信道合一。侯选方案主要包括Lucent，Qualcomm等公司的联合提案，Motorola等的1x TREME和Linkair的LAS-CDMA。

　　1x TREME作为1x EV-DV的候选方案之一，也充分运用了链路自适应技术以提高上/下行信道的峰值吞吐量和平均吞吐量。它的话音和数据在同一载频传输，下行峰速率可达4.8Mb/s，平均数据吞吐量可以达到1Mb/s。自适应技术是1x TREME可以大幅度提高性能的关键所在，它通过动态调整系统和链路参数来适应流量和链路质量的变化，通过更好地使用无线资源来提高系统多业务服务的能力。它的自适应技术包括如下几个方面：自适应业务调度，自适应编码，自适应调制，自适应多码分配，自适应小区位置选择，自适应混合ARQ以及自适应天线。1x TREME的下行和上行信道都使用了链路自适应技术（主要是指自适应调制编码）。但在细节上有所不同，下面分别介绍。1x TREME下行链路使用的调制方式有：QPSK，8-PSK，16QAM，64QAM；信道编码采用Turbo码，码率包括1/2和3/4两种。1x TREME上行链路可以采用的调制方式有：BPSK，QPSK和8-PSK。编码方式也是Turbo码，但码率为1/2和1/4两种。一共组合成六种编码调制方案。采用AMC技术，大大提高了上行链路的峰值速率和平均数据吞吐量，例如，采用8-PSK调制，1/2码率Turbo编码，可以使峰值数据速率达到1.38Mb/s。

　　无论上行还是下行，和HSDPA一样，1x TREME使用H-ARQ技术来保证AMC的实施。如上所述，随着移动通信事业的发展，频带资源日益紧张，选择能够提高频带利用率的技术成为大势所趋。

　　三、链路自适应技术的发展趋势

　　除了上面提到的无线通信系统，链路自适应技术还在HIPERLAN，802.11a等无线局域网标准中得到应用，而且由于这些无线局域网系统以OFDM技术为基础，因此链路自适应技术也扩展到时-频二维。当然，它与OFDM技术的结合还处于比较简单的阶段，所有子载波上的调制方式和编码速率是同时变化的。随着移动通信系统的发展，链路自适应技术与OFDM的结合将更加复杂灵活，由于各个子载波所经历的信道衰落条件不同，应该对每一个子载波根据其各自不同的信道条件动态地选择调制和编码方案，达到如下两个目的：

　　（1）针对固定数据速率的业务。在保证一定QoS（例如BER）的条件下，最小化系统的发送功率而达到要求的数据速率。

　　（2）针对可变数据速率的业务。在保证一定QoS（例如BER）的条件下，最大化系统的数据吞吐量，而不增加系统总的发送功率。

　　链路自适应与OFDM技术的结合还包括另外一个重要的方面就是根据信道条件动态选择使用的子载波的个数。链路自适应技术不仅可以扩展到频域还可以扩展到空域，与多天线分集技术的结合也是连路自适应的一个重要发展方向。经不同发射天线发送的信号所经历的信道衰落情况也各不相同，这为自适应调制编码算法与多天线系统的结合提供了可能。STTD（Space Time Transmit Diversity），STD（Selective Transmitter Diversity），TxAA（Transmit Adaptive Array）等不同的发分集策略都可以与自适应调制编码技术进行有效的结合，这样，接收端在获得空间分集增益的同时充分利用了信道条件，可以进一步提高频带利用效率。

　　四、结束语

　　链路自适应技术根据信道的变化动态调整各项传输参数，对于提高频谱利用效率具有很强的技术优势，已被很多通信系统所应用，随着技术的进一步完善以及应用范围的进一步拓宽，从时域扩展到频域和空域，从一维扩展到多维，链路自适应技术必将在未来的通信系统中得到更加复杂灵活的运用，并在通信技术领域发挥越来越重要的作用。

　　顾昕钰 北京邮电大学信息工程学院博士研究生

　　李文宇 信息产业部电信研究院通信标准研究所助理工程师
摘自　中国电信网站