[4G&5G专题-46]：物理层-自适应编码调制AMC与调制编码方案(MCS, CQI, SINR, HARQ，Code Rate, efficiency）

目录

第1章 物理层架构

1.1 物理层内部功能协议栈

1.2 5G NR下行选项A

1.3 5G NR下行选项B

1.4 NR的物理层数据处理过程概述

第2章 自适应编码调制AMC

2.1 自适应编码调制AMC概述

2.2 调制阶数

2.3 什么编码率Code Rate

2.4 什么是编码效率efficiency

2.5 efficiency，Code Rate，调制阶数关系

第3章 下行自适应编码调制AMC的原理

3.1 下行自适应编码调制AMC的“双环”框架

3.1 内环控制

3.2 外环控制

第4章 上行自适应编码调制AMC 

4.1 上行自适应编码调制AMC的“双环”框架

4.2 内环控制

4.3 外环控制

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第1章 物理层架构

对本节的注解：

本章节内容的作用在于：从宏观感受物理层自适应编码调制在整个物理层协议栈中的位置和作用，无需深究每个环节。主体内容从第2章节开始。

1.1 物理层内部功能协议栈

1.2 5G NR下行选项A

1.3 5G NR下行选项B

 

1.4 NR的物理层数据处理过程概述

（1）信道编码与交织

（2）调制解调

（3）层映射

（4）扩频预编码（仅仅用于上行，可选）

（5）多天线技术的预编码

（6）资源映射

（7）OFDM变换

 

第2章 自适应编码调制AMC

2.1 自适应编码调制AMC概述

AMC（Adaptive Modulation and Coding，自适应调制编码）是无线信道上采用的一种自适应的编码、调制技术，通过调整无线链路传输的调制方式与编码速率，来确保链路的传输质量。

自适应信道编码技术：信道编码就是通过插入大量的冗余比特来达到对传输数据的检错和纠错，冗余比特越多，检错和纠错的能力越强，自适应信道编码就是根据信道的状态，选择不同的编码技术，选择添加不同长度的冗余技术。

自适应调制技术：调制是把二进制比特映射成特定的子载波的幅度和相位的过程，调制的阶数越高，单个子载波传递的比特数就越多，在带宽一定的情况下，传输的总的比特就越多。自适应调制技术就是根据信道的状态，选择不同的调制技术。

无线信道的质量是动态时变的，如何根据动态时变的无线信道的质量，动态的选择物理信道的编码方式和调制方式，这就是自适应调制编码的关键。

当信道条件较差时，选择较小的调制方式与编码速率。

当信道条件较好时，选择较大的调制方式，从而最大化了传输速率。

当编码技术和调试方式调制后，信道的质量也会得到相应的改善。

在AMC的调整过程中，系统总是希望传输的数据速率与信道变化的趋势一致，从而最大化地利用无线信道的传输能力。

类比：我们小的时候，几个小孩帮大人搬货，体格壮的孩子，家长让搬的东西大一点、重一点；体格弱一点的孩子，家长就给分配轻一点、小一点的东西。能者多劳，弱者就多保护一下。无线信道传送数据也是如此，能者多劳，信道质量好了就多运一些数据；信道质量不好，就少运一些。

LTE和NR系统中，在进行AMC的控制过程中，对上行和下行有着不同的实现方法。

注意：无论是上行，还是下行，编码、调制方式的选择，都是由基站根据信道的质量来决定的，而不是终端决定的。

 

关于无线信道相关的参数，请参考：

《[4G&5G专题-42]：物理层-无线信道的特征,RSRP、SNR、BLER、MCS、CSI、CQI、SI、PMI》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113979448

 

2.2 调制阶数

调制阶数用于计算码型每个符号（码元）所能代表的比特数，例如BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM, 128QAM, 256QAM, 512QAM, 1024QAM等.

BPSK: 1bit         

QPSK: 2bits         

8QAM：3bits

16QAM：4bits

32QAM：5bits

64QAM：6bits

128QAM：7bits

256QAM：8bits

512QAM：9bits

1024QAM：10bits

 

2.3 什么编码率Code Rate

CodeRate = (TBSize +CRC)/( Bits number after RateMatching)， 编码后的比特中包含有效信息的比率。如

1/3编码，表示3个编码后的比特中，包含1个有效比特；

1/4编码，表示4个编码后的比特中，包含1个有效比特；

编码率越低，包含的冗余信息越多，纠错的能力越强，抗干扰的能力越强，传输的有效数据越小。

 

2.4 什么是编码效率efficiency

efficiency = (CodeRate) * 调制阶数。

表示单个子载波能够承载的有效比特（不包括冗余信息）的位数。

 

2.5 efficiency，Code Rate，调制阶数关系

MCS index	modulation	调制阶数	CodeRate×1024	CodeRate	efficiency= CodeRate*调制阶数
0	QPSK	2	99.329806	0.097001764	0.194003527
1	QPSK	2	126.4197531	0.12345679	0.24691358
2	QPSK	2	153.5097002	0.149911817	0.299823633
3	QPSK	2	198.659612	0.194003527	0.388007055
4	QPSK	2	243.8095238	0.238095238	0.476190476
5	QPSK	2	297.989418	0.291005291	0.582010582
6	QPSK	2	352.1693122	0.343915344	0.687830688
7	QPSK	2	424.4091711	0.414462081	0.828924162
8	QPSK	2	478.5890653	0.467372134	0.934744268
9	QPSK	2	532.7689594	0.520282187	1.040564374
10	16QAM	4	266.3844797	0.260141093	1.040564374
11	16QAM	4	297.989418	0.291005291	1.164021164
12	16QAM	4	343.1393298	0.335097002	1.340388007
13	16QAM	4	388.2892416	0.379188713	1.51675485
14	16QAM	4	442.4691358	0.432098765	1.728395062
15	16QAM	4	496.64903	0.485008818	1.940035273
16	16QAM	4	514.7089947	0.502645503	2.010582011
17	64QAM	6	343.1393298	0.335097002	2.010582011
18	64QAM	6	367.2192828	0.358612581	2.151675485
19	64QAM	6	415.3791887	0.405643739	2.433862434
20	64QAM	6	451.4991182	0.440917108	2.645502646
21	64QAM	6	487.6190476	0.476190476	2.857142857
22	64QAM	6	523.7389771	0.511463845	3.068783069
23	64QAM	6	565.8788948	0.552616108	3.315696649
24	64QAM	6	609.5238095	0.595238095	3.571428571
25	64QAM	6	657.6837155	0.642269253	3.85361552
26	64QAM	6	681.7636684	0.665784832	3.994708995
27	64QAM	6	705.8436214	0.689300412	4.135802469
28	64QAM	6	826.2433862	0.806878307	4.841269841

（1）CodeRate * 1024表示：在当前信道中传输1024比特时，有效信息的比特个数，不包括冗余信息。

（2）调制阶数越低，选用的code Rate越低，抗干扰越强，但传送的比特越少，

（3）调制阶数越高，选用的code Rate越高，抗干扰越弱，对信道质量的要求越高，但传送的比特越多。

 

第3章 下行自适应编码调制AMC的原理

3.1 下行自适应编码调制AMC的“双环”框架

前面说过，无论是上行，还是下行，编码、调制方式的选择，都是由基站根据信道的质量来决定的，而不是终端决定的。

在下行方向，编码调制方式的的选择采用两个控制环来实现。

一个是内环：基站根据终端对解调参考信号DMRS的测量值CQI的上报，来推测信道的质量。

一个是外环：基站根据终端接收到的下行数据的ACK/NACK的应答，来推测信道的质量 。

注解:

CQI-Channel Quality Indication，信道质量指示，CQI由UE测量所得，因此，CQI一般指的是下行信道质量。

混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。

BLER（block error rate），即误块率，是出错的块在所有发送的块中所占的百分比.

 

3.1 内环控制

内环控制控制取决于终端上报的CQI值。

CQI（channel quality indiation）是信道质量的等级值，由终端上报给基站，终端是根据信道的测量解调参考信号DMRS得到的，这也是DMRS称为解调参考信号的根本原因！！

基站根据收到的CQI等级索引值，进行查表，找到对应的调试方式和编码率以及编码效率，动态的选择调制编码方案，前者用于调制与解调，后两者用于物理层信道编码。

在上图中，有两个不同的编码表：一个是终端支持的最高阶的调试方式64-QAM，另一个是终端支持的最高阶的调试方式256-QAM。

从表格可以也可以看出，CQI是信道质量的等级值，而不是绝对值，相同的CQI，在不同的表格中，对应的调制阶数可能是不一样的。如CQI=15是，前者是64QAM调试，后者是256QAM调制。

实际上，基站有多张表格，每个表格代表了终端支持的最高阶的调试方式的一种，如64QAM, 128QAM, 256QAM, 512QAM, 1024QAM.

 

3.2 外环控制

外环控制是基站根据下行数据的HARQ的肯定或否定应答、以及目标的数据块的误码率BLER的要求，动态的主动的提升CQI或降低CQI的等级值，最大化地利用无线信道的传输能力。

如果收到的HARQ应答是ACK, 表明按照当前的信道编码和调试方式，数据能够被正确的接收，且块误码率BLER也是符合要求的，此时就可以尝试性的提升CQI的等级值。

如果收到的HARQ应答是NACK, 按照当前的信道编码和调试方式，数据不能够被正确的接收，或者块误码率BLER不符合要求的，误码率太大，此时就可以尝试性的降低CQI的等级值。

这就是自适应编码调制AMC的外环控制！！！

 

第4章 上行自适应编码调制AMC 

4.1 上行自适应编码调制AMC的“双环”框架

前面说过，无论是上行，还是下行，编码、调制方式的选择，都是由基站根据信道的质量来决定的，而不是终端决定的。

在上行方向，编码调制方式的的选择也采用两个控制环来实现，大体框架与下行基本一致，具体实现时有一些差异。

一个是内环：与下行不同，基站可以直接测量信道的质量，而不需要依赖终端上报的下行CQI, 在这里基站根据测量得到的信噪比SNR，来推测信道的质量 。

一个是外环：基站根据终端接收到的下行数据的ACK/NACK的应答，来推测信道的质量 。

注：

SINR/SNR：信号与干扰加噪声比 （Signal to Interference plus Noise Ratio）是指接收到的有用信号的强度与接收到的干扰信号（噪声和干扰）的强度的比值；可以简单的理解为“信噪比”。

混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。

BLER（block error rate），即误块率，是出错的块在所有发送的块中所占的百分比。

 

4.2 内环控制

内环控制控制取决于基站自身对信道的信噪比SNR的测量，因为上下没有终端上报的CQI.

基站根据SNR，经过计算，得到MCS索引，然后进行查表，找到对应的调试方式和编码率以及编码效率，动态的选择调制编码方案，前者用于调制与解调，后两者用于物理层信道编码。

调制编码方案（MCS，Modulation and Coding Scheme）。

 

4.3 外环控制

与下行基本相同。

外环控制是基站根据上行数据的HARQ的肯定或否定应答、以及目标的数据块的误码率BLER的要求，动态的、主动的、提升外环控制的输出因子OLLA Offset。通过OLLA Offset，对内环控制进行干预。

如果收到的HARQ应答是ACK, 表明按照当前的信道编码和调试方式，数据能够被正确的接收，且块误码率BLER也是符合要求的，此时就可以尝试性的提升环控制的输出因子OLLA Offset。

如果收到的HARQ应答是NACK, 按照当前的信道编码和调试方式，数据不能够被正确的接收，或者块误码率BLER不符合要求的，误码率太大，此时就可以尝试性的降低环控制的输出因子OLLA Offset。

这就是自适应编码调制AMC的外环控制！！！

 

 

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其他参考：

https://blog.csdn.net/ldj1208/article/details/49592173