[4G5G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

1.4NR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

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。

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

2.5efficiency，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

3.2 内环控制

3.3 CQI测量与报告

3.4 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

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

1.4NR的物理层数据处理过程概述

（1）信道编码与交织：处于计算机通信领域，这是计算机的底盘和擅长的地方。

（2）调制解调：二进制序列到复指数子载波序列的映射过程，这是从计算机领域到数字信号处理DSP领域的跨越! 从计算机通信领域向数字无线通信领域的跨越！从此处开始进入数字信号处理领域！

（3）多天线技术的层映射

（4）扩频预编码（仅仅用于上行，可选）：这是数字无线通信领域，在相同的频率资源，由“单一”空间向"码分"空间的跨越。

（5）多天线MIMO技术的预编码：这是数字无线通信领域中，在相同的频率资源，由“单一”空间向"分层"空间的跨越。

（6）无线资源映射RE mapping：这是数字无线通信领域，这是由串行的时间域向并行的频率域的跨越。

（7）数字波束赋形：这是数字无线通信领域中，相同的频率资源，由“全向”空间向“波束局部”空间的跨越。

（8）OFDM变换（时域到频域的转换）：这是各个独立的频域子载波信号到时域信号的转换，这是无线通信领域中，从频域信号到时域信号的跨越！

（9）RF射频调制：这是在无线通信领域中，由数字无线通信领域向模拟无线通信领域的跨越！！！

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》

[4G&5G专题-42]：物理层-无线信道的特征：RSRP、SNR、BLER、MCS、CSI、CQI、SI、PMI_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

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。

2.5efficiency，Code Rate，调制阶数关系

（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应答的上报，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.

3.2 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.

3.3 CQI测量与报告

下行链路自适应基于UE上报的CQI(信道质量指示)来进行。

UE对无线信道质量如SINR进行测量，并上报信道相关的CQI信息，用以为分组调度和链路适配等无线资源管理算法提供信道质量信息，链路适配算法则基于CQI来选择最有效的调制和编码机制(MCS)。

CQI是在预定义的观察周期下满足特定BLER需求时所推荐的频谱效率。

UE上报CQI的目的是为了让系统侧根据无线状况选择合适的下行传输参数。

特定BLER目标值要求下，UE测量每个PRB上接收功率以及干扰来获取SINR，并根据频谱效率需求，将SINR映射到相应的CQI，随后将CQI上报给gNB。

gNB根据UE上报的CQI来选择当前信道状况下的最合适的MCS，以满足特定比特错误率和分组误帧率下的频谱效率，确保数据速率最大化。比如，如果无线条件较好，则在物理层上使用较高的MCS和码率，以增加系统吞吐量；反之，如果无线环境较差，则需要使用较低的MCS和码率，以增加传送可靠性。

gNB根据CQI与MCS的对应关系以及相关的传输块大小(即TBS)，为PDSCH选择合适的调制方式和传输块大小的组合，进行上/下行传送工作。这种调制方式和传输块大小的组合应当使得有效信道码率与CQI索引所指示的码率最为接近。如果有多个组合都产生相同的有效码率，且都与CQI索引指示值相接近，则只选择传输块最小的那种组合。

CQI反馈可以是周期性的，也可以是非周期性的，具体采用哪种方式由gNB进行控制。非周期性CQI反馈只在需要的时候才进行发送，它比周期性反馈中所包含的频域信道状态信息更为精确，从而便于调度器获取频率分集。

3.4 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（如低于10%），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，不需要终端上报的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（Outer Loop Link Adaptation）

这就是自适应编码调制AMC的外环控制！！！

其他参考：

LTE上行链路反馈MCS（计算MCS、调制阶数、编码速率、频谱效率关系表格）_彩陶瓜的博客-CSDN博客_lte上行mcs与什么有关