专利名称：适应于移动组播系统的自适应调制编码方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于移动组播系统的自适应调制编码方法，属于无线通信领域。
背景技术：
现代移动通信需要更高的传输速率和频谱利用率实现多媒体业务传输，链路自适应技术能够有效地提高数据传输速率和频谱利用率，是目前和未来移动通信系统的关键技术之一，而自适应调制编码是一种主要的链路自适应技术。在以组播方式传输的下行OFDM系统中，引入自适应调制编码技术可以在保证一定的误码率条件下使系统整体性能得到很大改善，这在多媒体广播多播，无线传感器网络等系统中有广泛的应用前景。
目前提出的自适应调制编码方案主要集中于单播系统。参考文献“Yang J，Tin N，Khandani A K.Adaptive modulation and coding in3G wireless systems，VTC 2002 Fall.Vancouver，2002544-548”基于固定门限对调制编码方式进行选择，其门限值与信道类型密切相关；参考文献“Choi J，Lee Y H.Improved AMC using adaptive SIR thresholds inOFDM based wireless systems，IEEE WCNC 2006，1289-1292”提出一种OFDM系统中的改进自适应调制编码方案，该方案可以自适应地调整信干噪比门限，这与固定门限自适应调制编码方案相比，系统性能获得很大的提高，但信干噪比门限的调整比较复杂；参考文献“Feng H，Fan C，Lv T.A threshold optimizing method based on Markov in AMCcombined with HARQ，WiCOM 2006，1-5”提出一种适用于带HARQ的通信系统的自适应调制编码方案，该方案将无线信道建模成一阶Markov过程，利用Markov过程确定每种调制编码方式的信干噪比门限，理论分析和数值仿真都取得较好的效果；参考文献“Diaz J，Bar-Ness Y，YeHoon Lee.A new approach to joint AMC and power allocation forMIMO-OFDM，Telecommunications 2006 International Conference on Internet and WebApplications and Services/Advanced International Conference on，38-42”提出一种新的自适应调制编码方法，该方法利用信道反馈的不完全信息将信道归为不同的调制类型，并在此基础上提出一种新的功率分配方法，收到较好的效果；参考文献“Hwang C S，Kim Y.An adaptive modulation method for multicast communications of hierarchical data in wirelessnetworks.IEEE ICC，vol 2，2002896-900”研究组播系统中的自适应调制编码，将自适应调制编码与子载波分组分配相结合，基于固定门限分析了系统整体吞吐量；参考文献“SungK K，Chung G K.Throughput analysis of band AMC scheme in broadband wireless OFDMsystem.Wireless Communications and Networking Conference，2006”研究组播系统中的自适应调制；参考文献“范晨，陈美娅，苏丽君等，自适应调制编码系统门限调整算法研究，北京邮电大学学报.第29卷4期.2006.849-53”将AR预测模型引入到导频的预测中，并分析了在不同时延情况下瞬时值预测和AR模型预测对系统性能的影响，但以上的自适应调制编码方法都要求反馈用户的信干噪比，这样会消耗很多的反向信道容量。
发明内容
技术问题针对移动组播系统中的自适应传输问题，本发明提出一种简单可行的适应于移动组播系统的自适应调制编码方法，该方法能够有效提高系统频谱利用率。
技术方案本发明提出一种适应于移动组播系统的自适应调制编码方法，在该方法中，基站将业务数据分组后进行自适应调制编码，经过功率控制器后发送数据；用户将接收到的信息进行译码解调，一方面将译码解调结果分组输出，另一方面进行信道估计，并将信道估计获得的反馈信息通过反馈信道反馈到基站，基站根据反馈信息进行信道预测，然后根据信道预测结果在每个调度周期更新调制编码方式。在本发明所提的自适应调制编码方法中，用户进行信道估计后，提取信干噪比区间序号，并将提取的区间序号反馈给基站，区间序号的预测方法是根据移动用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号建立Markov模型预测下一调度周期用户的信干噪比区间序号，组播组调制编码方式的确定方法是根据组播组频谱利用率最大化原则为每个组播组选择调制编码方式。对于每个组播组，该方法的实现步骤为 第一步用户根据信道估计所获得的信干噪比值，与每种调制编码方式的最低信干噪比值进行比较，从而得出该用户的信干噪比区间序号，然后通过专用反馈链路将该区间序号反馈给基站； 第二步基站以组播组中每个用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号为预测序列，建立Markov预测模型预测下一调度周期用户的信干噪比区间序号； 第三步基站根据组播组中每个用户的信干噪比区间序号预测值以系统吞吐量最大为目标为该组播组选择调制编码方式。
在上述适应于移动组播系统的自适应调制编码方法中，第二步骤中的下一调度周期用户的信干噪比区间序号的预测是通过加权Markov预测方法进行的，其具体步骤包括 ①将每个用户的预测序列s1，s2，…，s20，即该用户前20个调度周期反馈的区间序号值看作一个以{1，2，…，N}为其状态的一阶Markov链，N为系统所支持的调制编码方式的种数，统计从第i状态经r步转移到第j状态的次数，用该次数统计值与预测序列中第i状态出现的总次数的比值作为第i状态经r步转移到第i状态的转移概率
以转移概率
为元素组成r步状态转移矩阵其中i，j∈{1，2，…，N}，r＝1，2，…，6； ②求①中Markov链的r步记忆系数ωr； ③根据用户的状态转移矩阵，以区间序号预测值作为下一个调度周期该用户信干噪比区间序号的预测值； 在上述适应于移动组播系统的自适应调制编码方法中，其实现步骤中的第三步组播组调制编码方式的选择方法包括以下步骤 ①基站根据组播组中每个用户信干噪比区间序号的预测值，得到对应的频谱利用率； ②计算每个组播组采用第n种调制编码方式时的频谱利用率Rn为每个用户选择第n种调制编码方式时的频谱利用率，mi′为组播组所有用户中区间序号预测值为i′的用户数， ③基站选择R(1)，R(2)，…，R(N)中最大者对应的调制编码方式作为下一个调度周期该组播组的调制编码方式。
在上述适应于移动组播系统的自适应调制编码方法中，计算Markov链的r步记忆系数ωr的方法是 1)计算预测序列s1，s2，…，s20的均值方差 2)计算r步自相关系数 3)将r步自相关系数规范化，得到记忆系数 有益效果与现有技术相比，本发明提出的信干噪比区间序号预测方法步骤简单明了，易于实现，并且只将用户的信干噪比区间序号反馈给基站，不需要用户反馈信道的信干噪比值，这大大节省了反馈信道的信道容量；应用Markov方法预测每个用户的信干噪比区间信号，不需要太长的预测序列就能收到满意的结果；由于采用频谱利用率最大化原则为系统中的组播组选择调制编码方式，因此系统采用本发明所提的自适应调制编码方法，可以有效提高系统频谱利用率；此外，本发明所提的自适应调制编码方法适用于一般的单播系统，具有广阔的应用空间。
图1为自适应调制编码系统结构示意图。
图2为移动用户信干噪比与频谱利用率关系图。
图3为组播组选择调制编码方式的流程图。
图4为移动用户信干噪比区间序号预测流程图。
具体实施例方式 本发明提出一种适应于移动组播系统的自适应调制编码方法，在该方法中，基站将业务数据分组后进行自适应调制编码，经过功率控制器后发送数据；用户将接收到的信息进行译码解调，一方面将译码解调结果分组输出，另一方面进行信道估计，并将信道估计获得的反馈信息通过反馈信道反馈到基站，基站根据反馈信息进行信道预测，然后根据信道预测结果在每个调度周期更新调制编码方式。在本发明所提的自适应调制编码方法中，用户进行信道估计后，提取信干噪比区间序号，并将提取的区间序号反馈给基站，区间序号的预测方法是根据移动用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号建立Markov模型预测下一调度周期用户的信干噪比区间序号，组播组调制编码方式的确定方法是根据组播组频谱利用率最大化原则为每个组播组选择调制编码方式。对于每个组播组，该方法的实现步骤为 第一步用户根据信道估计所获得的信干噪比值，与每种调制编码方式的最低信干噪比值进行比较，从而得出该用户的信干噪比区间序号，然后通过专用反馈链路将该区间序号反馈给基站； 第二步基站以组播组中每个用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号为预测序列，建立Markov预测模型预测下一调度周期用户的信干噪比区间序号； 第三步基站根据组播组中每个用户的信干噪比区间序号预测值以系统吞吐量最大为目标为该组播组选择调制编码方式。
在上述适应于移动组播系统的自适应调制编码方法中，第二步骤中的下一调度周期用户的信干噪比区间序号的预测是通过加权Markov预测方法进行的，其具体步骤包括 ①将每个用户的预测序列s1，s2，…，s20，即该用户前20个调度周期反馈的区间序号值看作一个以{1，2，…，N}为其状态的一阶Markov链，N为系统所支持的调制编码方式的种数，统计从第状态经r步转移到第j状态的次数，用该次数统计值与预测序列中第i状态出现的总次数的比值作为第i状态经r步转移到第i状态的转移概率
以转移概率
为元素组成r步状态转移矩阵其中i，j∈{1，2，…，N}，r＝1，2，…，6； ②求①中Markov链的r步记忆系数ωr； ③根据用户的状态转移矩阵，以区间序号预测值作为下一个调度周期该用户信干噪比区间序号的预测值； 在上述适应于移动组播系统的自适应调制编码方法中，其实现步骤中的第三步组播组调制编码方式的选择方法包括以下步骤 ①基站根据组播组中每个用户信干噪比区间序号的预测值，得到对应的频谱利用率； ②计算每个组播组采用第n种调制编码方式时的频谱利用率Rn为每个用户选择第n种调制编码方式时的频谱利用率，mi′为组播组所有用户中区间序号预测值为i′的用户数，i′∈{1，2，…，N}； ③基站选择R(1)，R(2)，…，R(N)中最大者对应的调制编码方式作为下一个调度周期该组播组的调制编码方式。
在上述适应于移动组播系统的自适应调制编码方法中，计算Markov链的r步记忆系数ωr的方法是 4)计算预测序列s1，s2，…，s20的均值方差 5)计算r步自相关系数 6)将r步自相关系数规范化，得到记忆系数 下面参照附图，对本发明的具体实施方案作出更为详细地说明。
考虑蜂窝移动通信单小区以组播方式传输的下行OFDM系统，基站向用户传输非实时数据业务，假设小区中分布若干移动用户，具有相同业务要求的用户组成组播组，每个组播组中的用户使用同一子信道同时接收基站下传的相同业务，设信道状况在每个传输时间间隔(TTI)内保持不变。基站采用自适应调制编码(AMC)技术在每个TTI根据子载波的信道状态信息(CSI)实现组播组调制编码方式(MCS)的更新，以提高系统频谱利用率。
自适应调制编码基带传输系统的结构如图1所示，基站将业务数据分组后进行自适应调制编码，经过功率控制器后发送数据；用户将接收到的信息进行译码解调，然后进行信道估计，并将信道估计的结果通过反馈信道反馈到基站，基站根据反馈信息进行信道预测，然后根据信道预测结果在每个TTI为组播组更新MCS。假设系统支持N个MCS，按速率由低到高依次为MCS1，MCS2，…，MCSN，对应的数据传输速率分别为R1，R2，…，RN，这N个MCS对应的最低信干噪比值为T1，T2，…，TN，设所有用户的信干噪比值均不低于T1，分别用1，2，…，N对区间[T1，T2)，[T2，T3)…，[TN，∞)进行标号，如图2所示。在每个TTI，小区中的移动用户将自身信干噪比值所处的区间序号用|log2(N)|+1比特信息反馈到基站，其中|x|表示不超过|x|的最大整数；基站以组播组中每个用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号为预测序列，建立Markov预测模型预测下一调度周期用户的信干噪比区间序号；然后根据组播组中每个用户的信干噪比区间序号预测值以系统吞吐量最大为目标为该组播组选择调制编码方式。基站为组播组选择调制编码方式的过程如图3所示，其中Markov区间序号预测过程如图4所示。
有关文献指出，用一阶Markov模型对信道建模可以获得足够精确的结果，因此我们考虑一阶Markov过程。移动台的信干噪比区间序号有N个取值，从一个取值转移到另一个取值的过程是随机的，并且具有状态转移概率，因此可以建立一条有N个状态{1，2，…，N}的Markov链。假设统计资料有连续20个TTI信干噪比区间序号的值，取值分别为s1，s2，…，s20∈{1，2，…，N}，定义
为第i状态经r步转移到第j状态的概率，则 其中
表示在状态转移序列s1，s2，…，s20中出现第i状态经r步转移到第j状态的次数，Ni表示在该状态转移序列中第i状态出现的次数，进而该Markov链的r步状态转移矩阵为 本发明使用6步Markov预测，则经Markov链预测的移动用户下一个TTI信干噪比区间序号为 其中ω1，ω2，…，ω6是记忆系数，与Markov链的状态转移概率密切相关。一般地，后来数据比先前数据对预测值的贡献大，因此本发明用预测序列的相关性确定记忆系数。确定记忆系数ω1，ω2，…，ω6的步骤如下 (1)计算序列s1，s2，…，s20的均值s和标准差σ，其中均值方差 (2)计算各阶自相关系数λr，其中 (3)对各阶自相关系数λr规范化，得到记忆系数 基站根据组播组中所有移动台反馈的信干噪比区间序号为该组播组选择MCS。设某个组播组有K个用户，这K个用户在某个TTI的信干噪比区间序号预测值分别为
基站统计这K个信干噪比区间序号的取值，设这K个信干噪比区间序号取值为1，2，…，N的个数分别为m1，m2，…，mN，则显然有下式成立 此时，若选择MCSn作为该组播组下行传输的MCS，则该组播组下行频谱利用率为 将该组播组下行频谱利用率R(1)，R(2)，…，R(N)进行比较，选择最大者对应的调制编码方式作为下一个调度周期该组播组的调制编码方式，也即
权利要求
1.适应于移动组播系统的自适应调制编码方法，在该方法中，基站将业务数据分组后进行自适应调制编码，经过功率控制器后发送数据；用户将接收到的信息进行译码解调，一方面将译码解调结果分组输出，另一方面进行信道估计，并将信道估计获得的反馈信息通过反馈信道反馈到基站，基站根据反馈信息进行信道预测，然后根据信道预测结果在每个调度周期更新调制编码方式。其特征在于，用户进行信道估计后，提取信干噪比区间序号，并将提取的区间序号反馈给基站，区间序号的预测方法是根据移动用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号建立Markov模型预测下一调度周期用户的信干噪比区间序号，组播组调制编码方式的确定方法是根据组播组频谱利用率最大化原则为每个组播组选择调制编码方式。对于每个组播组，该方法的实现步骤为
第一步用户根据信道估计所获得的信干噪比值，与每种调制编码方式的最低信干噪比值进行比较，从而得出该用户的信干噪比区间序号，然后通过专用反馈链路将该区间序号反馈给基站；
第二步基站以组播组中每个用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号为预测序列，建立Markov预测模型预测下一调度周期用户的信干噪比区间序号；
第三步基站根据组播组中每个用户的信干噪比区间序号预测值以系统吞吐量最大为目标为该组播组选择调制编码方式。
2.如权利要求1所述的适应于移动组播系统的自适应调制编码方法，其特征在于，第二步骤中的下一调度周期用户的信干噪比区间序号的预测是通过加权Markov预测方法进行的，其具体步骤包括
①将每个用户的预测序列s1，s2，…，s20，即该用户前20个调度周期反馈的区间序号值看作一个以{1，2，…，N}为其状态的一阶Markov链，N为系统所支持的调制编码方式的种数，统计从第i状态经r步转移到第j状态的次数，用该次数统计值与预测序列中第i状态出现的总次数的比值作为第i状态经r步转移到第i状态的转移概率
；以转移概率
为元素组成r步状态转移矩阵其中i，j∈{1，2，…，N}，r＝1，2，…，6；
②求①中Markov链的r步记忆系数ωr；
③根据用户的状态转移矩阵，以区间序号预测值作为下一个调度周期该用户信干噪比区间序号的预测值。
3.如权利要求1所述的适应于移动组播系统的自适应调制编码方法，其特征在于，其实现步骤中的第三步组播组调制编码方式的选择方法包括以下步骤
①基站根据组播组中每个用户信干噪比区间序号的预测值，得到对应的频谱利用率；
②计算每个组播组采用第n种调制编码方式时的频谱利用率Rn为每个用户选择第n种调制编码方式时的频谱利用率，
为组播组所有用户中区间序号预测值为i′的用户数，i′∈{1，2，…，N}；
③基站选择R(1)，R(2)，…，R(N)中最大者对应的调制编码方式作为下一个调度周期该组播组的调制编码方式。
4.如权利要求2所述的适应于移动组播系统的自适应调制编码方法，其特征在于，计算Markov链的r步记忆系数ωr的方法是
1)计算预测序列s1，s2，…，s20的均值，方差
2)计算r步自相关系数
3)将r步自相关系数规范化，得到记忆系数
全文摘要
适用于移动组播系统的自适应调制编码方法涉及一种在移动组播系统中为每个组播组选择调制编码方式的方法。在系统的每个调度周期，基站将业务数据分组后进行自适应调制编码，经过功率控制器后发送数据；用户将接收到的信息进行译码解调，一方面将译码解调结果分组输出，另一方面从信道估计结果中提取的信干噪比区间序号反馈给基站，基站以每个用户前20个调度周期反馈的信干噪比区间序号建立一阶Markov链预测下一个调度周期每个用户的信干噪比区间序号，然后根据系统频谱利用率最大化原则为每个组播组选择调制编码方式。本发明的Markov区间序号预测方法可以大大节省反馈开销，能够获得较高的系统频谱利用率。
文档编号H04W28/18GK101415208SQ20081023619
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者唐苏文, 钱文玲, 明 陈 申请人:东南大学