LTE无线网络上行64QAM技术运用研究.docx

1、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【

2、关键词】【关键词】64QAM SINR 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

3、展趋势2,下文对上行64QAM技术原理及运用进行分析研究.2 64QAM技术原理2.1 64QAM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

4、8进制调制技术3.2.2 64QAM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6 bit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MER32 dB,有效荷载为38 Mbps4.(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6 bi

5、t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6 bit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(aIi, aQi),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6 bit,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3 bit,共23=8种状态,两两组合成64种组合对应星座图中的64

6、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6 bit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

7、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ai经串并变换:经过信道后的接收端信号为:其中Gchi为信道频率响应,Wi为方差为2的白噪声,变换后得到:Wi仍为白噪声,不过方差变为2=2/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

8、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6 bit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6 bit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6 bit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3 bit确定,K=03

9、.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lgjzjmaxjzj,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3.1 LTE网络性能指标-SINRLTE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

10、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

11、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.3.2 UE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Pkk,k是UEk的功率,Pi(ik)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, 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

12、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64QAMeNodeB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

13、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UL 64QAM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

14、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821个,实际调度PB有波动,每秒RB数在16 000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SINR20 dB时,64QAM比例基本能稳定在100%;上行SINR在15 dB左右,64QAM比例会出现波动

15、;上行SINR12 dB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SINR12 dB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

16、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15 dB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.

17、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15 dB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.参考文献：1 蒋远,汤利民. TD-LTE原理与网络规划设计M. 1版. 北京: 人民邮电出版社, 2012: 288-292.2 Amir Farajidana, Wanshi Chen, Aleksandar Damnjanovic. 3

18、GPP LTE Downlink System PerformanceA. Global Telecommunications ConferenceC. Honolulu, HI.2009: 1-6.3 陈伟群. 正交幅度调制(QAM)信号的解调技术与实现J. 电视技术, 2000,1(8): 11-14.4 曾召华. LTE基础原理与关键技术M. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2010: 78-90.5 朱旭明,易清明,黄元. m-QAM调制技术及其在移动通信中的应用J. 移动通信, 2001(1): 30-34.6 赵潇宇,李强,唐友喜,等. 64QAM信号的软解调算法及其定点实现A.

19、 中国西部青年通信学术会议C. 2004.7 李峻洋,赵占强,郭省力. LTE无线网络优化关键性能指标研究J. 邮电设计技术, 2014(4): 83-86.8 孙琛,李春明,武琳栋,等. LTE网络SINR对下载速率影响的研究A. 中国移动通信集团设计院新技术论坛C. 2014.9 李新. TD-LTE无线网络覆盖特性浅析J. 电信科学, 2009,25(1): 43-47.10 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】