異構(gòu)網(wǎng)融合中基于RBIR的物理層抽象算法

孟 超 衡 偉 王汗青

(東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是目前各種成熟的無(wú)線接入技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，可以為用戶提供不同的業(yè)務(wù).移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)之間的互聯(lián)是一個(gè)很好的融合方案，兩者具有很好的互補(bǔ)性.移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以提供廣闊的覆蓋和良好的移動(dòng)性，而WLAN可以在熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)提供較高的數(shù)據(jù)速率，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)和WLAN的融合可以給用戶提供更好的服務(wù).

不同網(wǎng)絡(luò)的空中接口技術(shù)存在明顯的差異，空中接口緊耦合是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù).對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合而言，必須尋找一個(gè)或幾個(gè)能夠在不同網(wǎng)絡(luò)中普遍適用的性能指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)不同空中接口的緊耦合聯(lián)合接入.針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的空中接口緊耦合聯(lián)合接入技術(shù)的研究，必須考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同協(xié)議層之間信息的交互，即跨層設(shè)計(jì)與優(yōu)化.無(wú)線通信跨層設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確預(yù)知復(fù)雜的鏈路性能，物理層抽象的目的就是以較低的計(jì)算復(fù)雜度準(zhǔn)確地預(yù)知鏈路性能.

1 RBIR物理層抽象算法

1.1 物理層抽象算法

物理層抽象算法的目的是根據(jù)一個(gè)實(shí)時(shí)的信道狀態(tài)信息得到相應(yīng)的誤塊率.如果用一組信干噪比值(single to interference noise ratio，SINR)集合來(lái)查找誤塊率(block error rate，BLER)的值，那么鏈路的表格就太復(fù)雜.為解決這個(gè)問(wèn)題，物理層抽象算法把多個(gè)OFDM子載波的SINR值先映射成一個(gè)有效的SINR值，然后再用這個(gè)有效的SINR值從一條基本的AWGN鏈路級(jí)性能曲線上找到誤塊率的估計(jì)值.設(shè)誤塊率BLER值用B表示，對(duì)于這種有效SINR映射方法，下面的近似等式成立:

式中，B({γk})為實(shí)時(shí)信道狀態(tài){γk}對(duì)應(yīng)的真實(shí)信息塊的錯(cuò)誤概率;BAWGN(γeff)為等效 SINR下AWGN信道狀態(tài)下的誤塊率.式(1)必須對(duì)所有類型的信道都成立，也就是說(shuō)，所有信道條件下的SINR的集合經(jīng)過(guò)有效SINR映射后，都可以只查找一條AWGN下的性能曲線，得到對(duì)應(yīng)信道條件下誤塊率的估計(jì)值.物理層抽象算法就是要找到一個(gè)壓縮函數(shù)把一組不同的SINR序列映射成一個(gè)單一的SINR值，然后通過(guò)這個(gè)值就能夠查表得到真實(shí)的誤塊率值［1-2］.查找 AWGN參考曲線表的一種方式是采用擬合函數(shù)表示，設(shè)接收比特互信息率RBIR值用R表示，誤塊率B與接收比特互信息率R之間的映射關(guān)系用多元函數(shù)表示為

一般情況下物理層抽象算法可以描述為

式中，SINReff為有效的SINR;SINRi為第i個(gè)子載波的SINR;Nc為編碼模塊中的符號(hào)數(shù)目，或者是OFDM 系統(tǒng)中子載波數(shù)目;φ 為可逆函數(shù);α1，α2為多元函數(shù)的參數(shù).

一些常用的預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)鏈路性能的物理層抽象算法包括指數(shù)等效信噪比映射(EESM)［3-5］和互信息有效信噪比映射(MI-ESM)［6-8］.其中互信息有效信噪比映射包括:接收比特互信息率(RBIR)算法和每比特平均互信息(MMIB)算法.RBIR算法在接收端軟解調(diào)的輸入端計(jì)算互信息量，而MMIB算法則在接收端軟解調(diào)的輸出端計(jì)算互信息量.RBIR算法不僅具有較高的準(zhǔn)確性，而且具有較好的通用性，故本文選擇RBIR算法作為WLAN與CDMA EVDO的物理層抽象算法.

1.2 RBIR 算法

定義接收信號(hào)y=Hx+i在Nt維符號(hào)星座中與星座點(diǎn)qk之間的距離為［9-10］

對(duì)于Nt維符號(hào)，星座中共有NNt個(gè)點(diǎn)，N表示采用的調(diào)制方式的星座點(diǎn)數(shù)目，‖·‖F(xiàn)表示矩陣的2-范數(shù).發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)交織及隨機(jī)化編碼，可認(rèn)為發(fā)射信號(hào)在星座上均勻等概率分布，發(fā)射符號(hào)是星座某一點(diǎn)qm的后驗(yàn)概率，可表示為

設(shè)n是均值為0、方差為0.5σ2的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立高斯白噪聲.則有

所以每個(gè)子載波上符號(hào)的歸一化平均互信息量為

另一方面，誤塊率BLER滿足下式:

由式(9)和(10)可見(jiàn)，接收比特互信息率RBIR和誤塊率BLER存在一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系.圖1給出了各種調(diào)制方式下的歸一化互信息量.由圖可以看出，在相同的信噪比下，調(diào)制階數(shù)越低，每一個(gè)編碼比特的互信息量就越大.

圖1 歸一化信息量與信噪比的關(guān)系

2 仿真與分析

2.1 802.11n

使用802.11n數(shù)據(jù)字段的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，其發(fā)射機(jī)框圖如圖2所示.

圖2 802.11n發(fā)射機(jī)框圖

802.11 n物理層使用 MIMO-OFDM 技術(shù)，使數(shù)據(jù)的吞吐量大大提高.所有20 MHz的調(diào)制編碼方式(MCS)均使用單個(gè)編碼器，部分40 MHz的MCS使用2個(gè)編碼器，MCS的數(shù)據(jù)率大于300 Mbit/s時(shí)，使用2個(gè)編碼器.空間流數(shù)目可能為1～4.當(dāng)使用LDPC碼時(shí)，不使用交織器.空間映射的數(shù)目為1～4［11］.本仿真使用的載波頻率為5 GHz，帶寬20 MHz，采樣速率20 MHz，使用碼率為1/2的卷積碼，信道模型為TGN信道模型，終端移動(dòng)速度為3 km/h.信道估計(jì)為理想的信道估計(jì).天線的配置分別為1發(fā)1收和2發(fā)2收.接收端采用MMSE均衡接收.

表1為對(duì)802.11n進(jìn)行仿真的調(diào)制編碼方式，表2為在802.11n各種調(diào)制方式下擬合函數(shù)的參數(shù).

表1 802.11n物理層調(diào)制編碼方式

表2 802.11n擬合函數(shù)參數(shù)

2.2 CDMA EVDO

對(duì)CDMA EVDO前向業(yè)務(wù)信道進(jìn)行仿真，其物理層模塊發(fā)射端框圖如圖3所示.

圖3 CDMA EVDO物理層模塊發(fā)射端框圖

CDMA EVDO前向業(yè)務(wù)信道物理層鏈路發(fā)送端主要包括:信道編碼、信道交織、數(shù)字調(diào)制、符號(hào)重復(fù)和刪除、串并轉(zhuǎn)換、Walsh擴(kuò)頻等模塊［12］.仿真使用的載波頻率為900 MHz，終端移動(dòng)速度為10 km/h，使用碼率為1/3的Turbo碼.信道模型采用3GPP2 C.R1002-B中規(guī)定的ITU Ped-B模型.

表3為對(duì)CDMA EVDO幀進(jìn)行仿真的調(diào)制編碼方式，表4為CDMA EVDO系統(tǒng)的擬合函數(shù)的參數(shù).

表3 CDMA EVDO物理層調(diào)制編碼方式

表4 CDMA EVDO擬合函數(shù)參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

圖4(a)顯示了802.11n收發(fā)天線都為1，調(diào)制編碼方式為0～7下的BLER與RBIR關(guān)系曲線.圖4(b)顯示了802.11n收發(fā)天線數(shù)目都為2，調(diào)制編碼方式為8～15下的BLER與RBIR關(guān)系曲線.

圖4 802.11n接收比特互信息率和誤塊率曲線圖

圖5 CDMA EVDO接收比特互信息率和誤塊率曲線圖

圖5顯示了CDMA EVDO在表3所示調(diào)制方式下的BLER與RBIR的關(guān)系曲線.符號(hào)的最大信息量理論上等于符號(hào)的調(diào)制階數(shù).在相同的調(diào)制階數(shù)下，碼率越大，符號(hào)的信息量也越大.在相同的信噪比下，低階調(diào)制比高階調(diào)制具有更低的誤比特率，從而有更低的誤塊率.隨著信噪比的增大，同一種調(diào)制方式的BLER值逐漸下降.而符號(hào)的信息量隨信噪比的增加而增加.因此，BLER也隨符號(hào)信息量的增大而下降，圖4和圖5驗(yàn)證了這種關(guān)系.從圖4和圖5還可以看出，隨著調(diào)制階數(shù)的變大，系統(tǒng)性能曲線在下降.從二進(jìn)制符號(hào)傳輸?shù)挠^點(diǎn)看，高階調(diào)制可以被看作多狀態(tài)信道，由于符號(hào)間干擾，RBIR算法無(wú)法再為高階調(diào)制提供像BPSK調(diào)制那樣準(zhǔn)確的錯(cuò)誤概率.通過(guò)仿真可知，802.11n和CDMA EVDO系統(tǒng)實(shí)際仿真得出的BLER與RBIR之間的關(guān)系(用離散點(diǎn)表示)能夠較好地與擬合函數(shù)曲線匹配.因此，RBIR的物理層抽象算法能夠較好地用于CDMA EVDO與WLAN之間的跨層設(shè)計(jì).

3 結(jié)語(yǔ)

物理層抽象算法對(duì)于更高層的仿真具有重要的作用，如鏈路自適應(yīng)、調(diào)度、ARQ等.本文介紹了物理層抽象的RBIR算法在基于CDMA EVDO和WLAN異構(gòu)網(wǎng)融合中的應(yīng)用.從仿真結(jié)果來(lái)看，RBIR算法能夠較好描述BLER與RBIR之間的關(guān)系，具有較好的適用性.然而物理層抽象算法的理論是建立在較好的估計(jì)性能基礎(chǔ)上的，在調(diào)制和編碼速率較高的情況下，系統(tǒng)估計(jì)性能和實(shí)際性能還有一定的偏差，關(guān)于這方面的工作還有待于更進(jìn)一步的研究.

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