LTE无线网络上行64QAM技术运用研究.docx

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LTE无线网络上行64QAM技术运用研究

LTE无线网络上行64QAM技术运用研究

滕琳雅1,尧文彬2,杨一帆1,李冬1,张科1

【摘要】【摘要】为了扩大容量,提升上行通信速率,需使用更高阶的调制解调技术.目前LTE上行通信支持的最大调制为64QAM,相较16QAM上行调制,其理论上可提升50%的速率,上行64QAM的运用与SINR、BLER以及UE反馈的CQI等都有密切的联系.主要研究64QAM调制技术以及通过试点测试结果总结各项指标提升情况,给出稳定使用上行64QAM的网络指标SINR门限值,最后提出未来网络规划建议.

【期刊名称】移动通信

【年（卷）,期】2016（040）024

【总页数】6

【关键词】【关键词】64QAMSINR上行调制

【文献来源】

1引言

LTE无线通信技术自2004年启动标准化工作到2009部署全球第一张网络,已经经历了数年的发展,LTE网络快速部署以数据业务为主导的新型业务不断涌现,激发了产业创新活力[1].在市场需求的驱动下,移动通信的技术演进步伐急需加速.涌现的新技术,比如窄带物联网（NB-IoT）和宽带物联网（eMTC）等标志着移动通信网络正迈入4.5G/5G的时代,新的业务需求意味着对上下行速率、系统容量以及资源利用率等的更高要求.64QAM作为目前可支持的最大上行调制技术,理论上将提升50%的速率,在现网中开启上行64QAM并实现稳定使用是未来网络发展趋势[2],下文对上行64QAM技术原理及运用进行分析研究.

264QAM技术原理

2.164QAM基本定义

mQAM是一种对振幅和相位联合键控的二维调制,具备较高的调制效率和较好的功率利用率.其中,m为状态数,通常取值16、32、64、128、256,状态数越低（星座点之间的空间距离越远）抗干扰能力越强,但调制效率变低,携带信息量变少;状态数越高（星座点之间的空间距离越近）抗干扰能力越弱,但调制效率变高,携带信息量变多,对信道质量的要求也越高.mQAM在调制时产生2个边带信号和1个载波分量,载波分量不携带信息,不能有效利用功率,所以在调制的输出信号中会将其抑制掉.64QAM是状态数m取值为64的8进制调制技术[3].

2.264QAM调制原理

（1）64QAM调制基本定义

目前上行可支持最大调制为64QAM,下行最大可支持256QAM.64QAM是状态数m取64,采用8进制,每符号携带6bit数据,相比上行16QAM,理论上频谱效率提升50%,是实现4.5G/5G大宽带技术之一.64QAM有两个重要技术指标:

MER（调制误差率）和有效载荷,在64QAM条件下MER>32dB,有效荷载为38Mbps[4].

（2）64QAM星座图原理

64QAM每个星座点的调制由幅度和相位共同决定,采用8进制.对于一个特定系统,所需符号数为2n,n是每个符号的比特数.在64QAM中,n=6,每个星座点由6bit组成,范围是000000-111111共64个符号,所有信息都在每一个星座点中的6bit中.

64QAM星座图中每个星座点与幅度、相位一一对应,星座图中每个点的坐标可表示为（aI[i],aQ[i]）,I信号和Q信号来自一个信号源,幅度和频率相同,相互正交.一个码元的表达式为:

由上式可以看出一个码元由两个相互正交的载波构成,每个码元6bit,映射到星座图上的一点就形成了图1的64QAM星座图上的64个星座点[5].

（3）64QAM调制过程

信号源经信道编码的二进制的MPEG比特流进入QAM调制器,信号分成2路,即I信号与Q信号,每种信号3bit,共23=8种状态,两两组合成64种组合对应星座图中的64个星座点.

具体步骤如下:

◆输入多路复用Ts,串行变并行,1路串码变成2路并行码流,速率减半,码流为二进制.

◆扰码频谱扩散（为了避免数据帧结构中长连"1"或"0"的出现,以便在接收端恢复时钟信号,保证1、0均匀分布,星座图中各点的能量密度一致）.

◆信道编码.

◆字节映射成符号,即完成电平变换或称为进制变换（2电平变为8电平、2进制变为8进制,64QAM是将输入数据转换成6bit数据组成的一个映射）.

◆滤波信号成型/基带成型.

◆多电平正交幅度调制64QAM产生中频信号.振荡器产生同相载波,移相90°产生正交的载波,完成抑制载波,载波中不携带任何信号.

◆并串变换,将两路并行码流变为一路串行码流,速率增加一倍,码流从二进制变为八进制的符号.

◆上变频形成RF信号输出.

QAM的调制框图如图2所示,输入数据经过串并变换后分为两路,分别经过2电平到L电平的变换,形成和,然后和相互正交的载波相乘,最后把两路信号相加就得到已调输出信号.

输入信号a[i]经串并变换:

经过信道后的接收端信号为:

其中Gch[i]为信道频率响应,W[i]为方差为σ2的白噪声,变换后得到:

W´[i]仍为白噪声,不过方差变为σ´2=σ2/Gch（i）,这样便得到理想情况下的接收信号数学表达式.实际过程中还要经过同步,信道估计等处理,下面的解调过程就是针对在理想状态下的接收信号进行处理.

（4）64QAM解调过程

信号在传输过程中免不了受到环境中的噪声干扰导致信号畸变,对于畸变不大的信号可以直接作出判断,为0或1;但是当畸变比较严重的时候,无法直接进行判断,这时候有两种判决方法:

1）硬判决

64QAM把每6bit映射成星座图上的一点,经过正交载波调制后通过信道,由于噪声存在,接收装置接收到的信号会偏离原来所在的映射点,硬判决检测距离最近的星座点作为硬判决点,一次性做出6bit的输出,进入下一级处理.

2）软判决

对该码元暂不做判决,输出有关码元信息,在64QAM解调过程中输出的是该码元的后验概率或似然函数.软判决对输出的6bit逐一进行处理并加以判定,从而获得性能上的增益.

定义bIK、bQK为I路和Q路的第K位的比特,I、Q为星座图上横纵轴,每路坐标由3bit确定,K=0~3.为星座图上I路和Q路第K个比特为0的星座点集合;为星座图上I路和Q路第K个比特为1的星座点集合.

软判决不直接输出判决结果,而是输出该码元的对数先验概率似然比,即:

又因为r（i）=y（i）*Gch（i）,

（1）式可以简化为:

用来判决bIK的概率对数似然比为:

因为lgΣjzj≈maxjzj,简化（7）可得:

将（6）式代入,可得到最终简化的判决式为:

同样对于bQK上式也成立,即:

判决准则为,对于bQK同样成立[6].

3影响LTE速率主要因素

3.1LTE网络性能指标--SINR

LTE网络中,SINR决定网络性能,网络结构决定了SINR.影响LTE速率的因素包括SINR、CQI、MCS、PMI、RI、天线配置、UE等级等,其中SINR为最大的影响因素.

3GPP协议中没有涉及SINR,怎样测量SINR以及如何根据SINR得到相应的CQI和MCS,主要是由厂家的算法决定.UE基于每个资源块（RB）测量相应下行链路的SINR,然后转换为CQI数据上报给eNodeB,UE上报CQI时同时考虑了UE自身能力,因此UE并不上报实际的SINR数值,而是报告它能解码的最高MCS,确保传输块的错误率BLER不超过10%.也就是说,UE上报的不单纯是实际无线信道情况,对于相同的信道状况能力强的UE能上报更高等级的CQI,申请更高的MCS.eNodeB根据CQI为每个资源块选择合适的MCS,MCS的选择由厂家算法决定,属于核心算法[7].

CQI为SINR的离散取值,通过解码参考信号（RS）所有用户UE都要向eNodeB上报CQI.图3为上行编码方式选择流程:

表1是3GPP规定的CQI数值和对应的调制策略及速率.

3.2UE对SINR测量值算法

上文提到UE对SINR的测量每个厂家有各自的算法,其中一种测量公式为:

其中Pk[Φ]k,k是UEk的功率,Pi（i≠k）[Φ]k,i是UE的功率总和.

在MIMO中,空间相关性对无线信道的容量有很大影响,在发射机不清楚无线信道的情况下,信道容量的计算公式为:

其中NR是接收天线数量,NT是发射天线的数量,γ是信号噪声干扰比SINR,INR是NR*NR的单位矩阵,H是NR和NT之间的信道传输函数矩阵,（.）H是Hermitian共轭转置操作[8].

由以上分析可知,最终信道选择何种调制解调方式很大因素上受到SINR的影响,好的SINR环境将保证更快的传输速率.

4调度上行64QAM

eNodeB根据上行64QAM特性开关、终端是否支持上行64QAM以及eNodeB是否支持上行64QAM来进行MCS调整和资源分配等上行调度流程,如图4所示,表2为终端支持上行、下行调制情况.

基站侧开启上行64QAM功能后根据终端上报信息判断是否支持上行64QAM功能,目前支持上行64QAM的终端为CAT5、CAT8、CAT13.如果终端支持此功能基站侧按照支持方式进行MCS调度,最后由选定的MCS分配资源.

64QAM相对16QAM理论上有50%多的频谱效率提升,UL峰值吞吐量可以提升50%左右,所以开启UL64QAM可以明显提升单用户峰值吞吐量及小区UL容量.

5上行64QAM性能验证

为了更好地分析上行64QAM对上行峰值吞吐率的提升值,评估上行64QAM在系统容量和资源利用率方面的增益以及在何种SINR条件下使用上行64QAM能获得稳定增益进行了试点测试,研究适合启用上行64QAM的SINR门限值.

在测试基站开启上行64QAM的功能,将测试终端放置在好点位置,进行满buffer上行UDP业务,稳定后保持5分钟以上.记录业务的峰值吞吐量,完成后重复测试中点和差点的吞吐量.当好点、中点、差点全部测试完成后关闭上行64QAM功能,重复测试上述三类点的吞吐量.

平均吞吐量测试结果如图5所示.

理论上好点打开64QAM开关,单用户峰值吞吐量相比使用16QAM会获得50%的增益,但实际增益要根据传输块大小来计算.通过测试,在网用户有8~21个,实际调度PB有波动,每秒RB数在16000左右,好点实际吞吐量增益为35.59%,中点增益为24.90%,差点由于上行SINR低,进入不了64QAM.

中点SINR与64QAM占比测试结果如图6所示:

从中点SINR与64QAM占比测试来看,上行SINR>20dB时,64QAM比例基本能稳定在100%;上行SINR在15dB左右,64QAM比例会出现波动;上行SINR<12dB时,64QAM比例下降较多.

通过试点测试结果可分析出,相比于16QAM,对于好点用户、中点用户,上行64QAM开关打开后,相较于开关关闭的情况,上行吞吐量分别获得35.59%及25.90%的增益,差点情况下64QAM不能使用,但是对网络质量也没有负面影响.当上行SINR≥12dB时,上行64QAM占比提升比较明显.

6上行64QAM部署建议

本文从第二节到第五节对上行64QAM从基础原理到实际调度测试结果进行了分析,与64QAM密切相关的主要参数有:

SINR、CQI以及BLER,现网中主要可通过优化现网结构提升SINR达到有效稳定使用上行64QAM的目的[9].

为提升SINR需要对网络进行合理规划,降低重叠覆盖度.考虑到目前网络结构复杂,重叠覆盖引起的同频干扰及弱覆盖现象较多,对启用上行64QAM存在一定影响.通过试点的测试结果,针对热点区域,即对开启上行64QAM有较大需求的场景需保证好点及中点用户的SINR为15dB以上,用户能获得比较好的64QAM体验.未来网络规划优先在热点区域开启上行64QAM功能,在注重覆盖广度的同时需要满足覆盖深度的需求,提升综合覆盖率,逐渐从实现热点区域连续覆盖到全网连续覆盖,降低MR弱覆盖情况,最后在全网开启上行64QAM功能,使用户不仅能接入网络[10],更能享受到良好的网络质量.

7结束语

目前LTE无线通信技术正在经历4G到4.5G/5G的关键过渡时期,上行64QAM作为提升上行峰值吞吐率、系统容量和资源利用率的上行通信技术,它是实现4.5G/5G大宽带的核心之一.本文针对上行64QAM调制方案的原理与实际运用研究,分析总结现网测试结果,提出一种上行64QAM的部署建议,当网络中SINR达到15dB时建议开启上行64QAM功能,可以获得有效增益,为未来网络规划设计提供参考意见.

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[10]张琳.TD-LTE从技术走向商用[J].通信世界,2010（8）:

30-38.★

滕琳雅:

工程师,硕士毕业于香港大学,现任职于中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司,主要从事无线网络规划设计领域技术研究及移动运营商咨询工作.

尧文彬:

高级工程师,硕士毕业于中国邮电大学,现任职于中国移动通信集团设计院有限公司,主要从事无线网络规划设计管理、新技术研究及移动运营商管理咨询工作.

杨一帆:

高级工程师,硕士毕业于华南理工大学,现任职于中国移动通信集团设计院有限公司广东分公司,主要从事广东地区无线网络设计管理及移动运营商咨询工作.

doi：

10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.010

引用格式：

滕琳雅,尧文彬,杨一帆,等.LTE无线网络上行64QAM技术运用研究[J].移动通信,2016,40（24）:

46-51.

责任编辑:

刘妙liumiao@

【文献来源】