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作者：張毅

1  引言

  隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，智能終端的種類以及業(yè)務(wù)需求越來越多樣化。根據(jù)預(yù)測，未來無線通信會呈現(xiàn)兩大趨勢：一方面，從業(yè)務(wù)場景看，無線數(shù)據(jù)流量的需求主要發(fā)生在室內(nèi)和熱點地區(qū)；另一方面，從頻率看，未來無線通信數(shù)據(jù)需求的潛在頻率主要集中在3 GHz以上的高頻段，而高頻段損耗大、覆蓋能力差，如只采用傳統(tǒng)的宏基站加分站點解決LTE的覆蓋和熱點數(shù)據(jù)流量問題難度大，且效果不好。

  為了解決全球無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量飛速增長的問題，國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP在2012年9月啟動的R12標(biāo)準(zhǔn)化工作中提出了LTE的演進技術(shù)LTE-Hi (LTE hotspot/indoor)，此項技術(shù)是通過在熱點以及室內(nèi)部署低功率小基站，小基站的工作頻率為3.5 GHz甚至更高，并應(yīng)用合適的增強技術(shù)（比如高階調(diào)制、小小區(qū)開關(guān)、動態(tài)TDD等）來使得LTE-Hi系統(tǒng)具備更高速率、更低成本、更高的頻譜效率。

  在LTE物理層標(biāo)準(zhǔn)TS36.211中，定義了業(yè)務(wù)信道可以支持的調(diào)制方式，包括QPSK、16QAM和64QAM。LTE-Hi是針對室內(nèi)以及熱點地區(qū)的小范圍覆蓋，覆蓋場景與傳統(tǒng)LTE宏基站差異很大，無線信號傳輸經(jīng)歷的信道條件也大不相同。在LTE-Hi中，基站距離用戶較近，多徑時

延相對宏基站覆蓋較小，信道的頻率選擇性較弱。同時，用戶在室內(nèi)及熱點的移動速度很低，多普勒效應(yīng)不明顯，信道的時間選擇性衰落也較弱。另外，LTE-Hi場景傳播經(jīng)歷的路徑損耗相對緩慢，雖然存在相鄰小區(qū)干擾，但在周圍干擾基站分布密度不是太大的情況下，用戶距離基站較近，接收到信號的SINR（signal to interference plus noiserato，信干噪比）分布比更理想，基于以上提到的較好的信道條件，可以引入更高階調(diào)制256QAM來提升編碼效率以及系統(tǒng)容量。在最新LTE物理層標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將256QAM作為最大可支持的調(diào)制方式寫入。

  理論上，256QAM的引入能夠顯著提升頻譜效率，但是高階調(diào)制星座點密集，對誤差的靈敏度增加，除了對信噪比的要求增高，同時對發(fā)射機EVM (error vector magnitude，誤差矢量幅度)的要求也增高。同時，由于LTE現(xiàn)有的關(guān)于編碼調(diào)制的信令都最大支持到64QAM，引入256QAM后，需要對現(xiàn)有的信令進行修改。

  本文首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的256QAM的星座圖確定了其編碼方式，并推導(dǎo)相應(yīng)的解碼模塊。根據(jù)LTE下行數(shù)據(jù)發(fā)送流程，搭建了LTE-Hi物理層下行鏈路仿真平臺，仿真了在高斯信道中256QAM調(diào)制不同編碼效率時誤塊率跟信噪比的關(guān)系，并把誤塊率為0.1作為閾值，計算相應(yīng)的頻譜效率，得到256QAM的增益范圍，同時根據(jù)系統(tǒng)模型仿真了LTE-Hi室內(nèi)場景用戶的SINR分布，說明了256QAM在LTE-Hi場景中的可行性。最后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中與256QAM對應(yīng)的新的CQI/MCS/TBS信令表的設(shè)計，在鏈路中評估了256QAM在發(fā)送和接收端有無EVM時相較于64QAM的吞吐量，并在LTE-Hi兩種不同的室內(nèi)場景中，根據(jù)SINR選擇對應(yīng)的調(diào)制方式以及傳輸塊大小，評估引入256QAM對系統(tǒng)吞吐量的影響。

2  系統(tǒng)模型

  本文按照3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義的LTE-Hi室內(nèi)熱點場景建立了系統(tǒng)模型，室內(nèi)場景的部署如圖1所示，分為室內(nèi)稀疏模型與密集模型，稀疏模型是在建筑物走廊部署兩個LTE-Hi基站，兩個基站相隔60 m，走廊兩邊各有8個房間，每個房間長寬都為15 m，走廊總長為120 m，寬45 m。密集模型則是在走廊布置4個LTE-Hi基站，每個基站相隔30 m，LTE-Hi基站采用的載波頻率為3.5 CHz，與宏基站異頻。宏蜂窩場景如圖2所示，為現(xiàn)有的正六邊形蜂窩小區(qū)，小區(qū)半徑為500 m，小區(qū)個數(shù)為7，基站采用定向天線，每個宏蜂窩分為3個扇區(qū)。LTE-Hi以及傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)模型的用戶都以隨機撒點的方式分布在房間以及扇區(qū)內(nèi)。

在LTE系統(tǒng)中，用戶終端體積小，發(fā)送功率往往受限，所以上行鏈路數(shù)據(jù)處理并未考慮引入256QAM調(diào)制，本文的仿真以及討論都是基于LTE下行鏈路。圖3是根據(jù)LTE物理層標(biāo)準(zhǔn)TS36.211以及TS36.212搭建的基站到終端的下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理流程，由上層傳遞的數(shù)據(jù)流在發(fā)送端經(jīng)過一系列處理形成OFDM符號并由發(fā)射天線發(fā)出，在經(jīng)過信道衰落后，接收端按步驟將信號解調(diào)并進行校驗，確定此數(shù)據(jù)流是否正確傳輸。

  LTE-Hi鏈路處理流程中的QAM調(diào)制模塊將最大支持的64QAM擴展到256QAM，數(shù)據(jù)塊的大小以及QAM調(diào)制的階數(shù)都是基站根據(jù)用戶反饋的信道質(zhì)量進行調(diào)度。協(xié)議TS36.213[9]中，終端會將信道質(zhì)量映射成4 bit的CQI(channel quality indicator，信道質(zhì)量指示)信令并通過上行信道傳給基站，基站CQI再對應(yīng)5 bit的MCS (modulationand coding scheme，調(diào)制編碼方案)選擇合適的調(diào)制編碼方式，本文仿真鏈路處理涉及選擇調(diào)制階數(shù)以及傳輸塊大小時則根據(jù)信噪比映射的信令來配置傳輸塊大小和調(diào)制階數(shù)。

3  256QAM調(diào)制

256QAM為8階QAM調(diào)制，每8位二進制數(shù)規(guī)定了256種狀態(tài)中的一種。標(biāo)準(zhǔn)TS36.213給出的256QAM編碼表，也就確定了256QAM的星座圖，采用格雷碼編碼，編碼后信號s可以表示為：

  其中，Cl表示bi=1的sl集合，Co表示bi=0的SI集合。上述方法運算復(fù)雜并且包含指數(shù)運算。

  圖4為256QAM的星座點及信號同相分量的判決邊界，可以看出Co、Cl都有一個邊界，將此邊界作為判決邊界。接收信號越遠離判決邊界，判決準(zhǔn)確性就越高。同相分量第一位比特bi的判決邊界為I=0，因為I=0的右邊bi全部為O，而左邊b1全部為1，所以rI的值距離判決邊界I=0的右邊越遠，b1為1的可能性越大。b3的判決邊界I=8d和I=-8d，當(dāng)∣rl∣>8d判為1，越大于8d，為l的似然度越高，b5的判決邊界為+4d和+12d，在4d<∣rl∣<12d時

判為0，b7的判決邊界為±2d、±6d、±lOd、±14d，在2d<∣rI∣<6d或lOd<∣rl∣<14d時判為0，其他情況判為1。根據(jù)上述描述，同相分量每位的LLR值如式(6)所示，同樣方法可以得到正交分量的LLR值，信號的軟比特信息就被完全解調(diào)出來。

4  256QAM可行性分析

  誤塊率是傳輸數(shù)據(jù)塊經(jīng)過CRC校驗后的錯誤概率，它可以反映系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，尤其對于鏈路級系統(tǒng)而言，是一個非常重要的性能指標(biāo)。一般情況下，通信系統(tǒng)以10%的誤塊率作為判斷傳輸成功率的最大容忍界限，下面將分析不同碼率下256QAM在誤塊率為10%時所需要達到的信噪比。

  假設(shè)待傳輸數(shù)據(jù)塊占據(jù)一個LTE子幀中的PDSCH，可用資源塊個數(shù)為5,除去PDCCH（物理下行控制信道）占據(jù)的3個OFDM符號以及兩天線端口的小區(qū)專用參考信號，可用于信息傳輸?shù)馁Y源粒子數(shù)RE=600，若采用256QAM調(diào)制，可傳輸?shù)谋忍財?shù)為4 800 bit，碼率CR= TBS/4 800，表1是根據(jù)可傳輸比特數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)中選取的傳輸塊大小，每個傳輸塊對應(yīng)一個碼率，按照LTE下行鏈路的數(shù)據(jù)處理流程，在AWCN信道下經(jīng)過多次仿真得到圖5的結(jié)果。

  從圖5可以看出，隨著碼率的增加，要達到10010的容忍界限所需要的信噪比條件越高，碼率大于0.701 7時，達到容忍界限的信噪比開始超過20 dB。在圖5中可以得到誤塊率為10%時每個碼率的信噪比，代表應(yīng)用此碼率傳輸所需的最小信噪比，這個信噪比作為圖6中數(shù)據(jù)點的橫坐標(biāo)，再通過碼率換算出256QAM所對應(yīng)的頻譜效率作為圖6的縱坐標(biāo)。頻譜效率SE=QmxCR，其中Qm為調(diào)制階數(shù)，CR為編碼效率。按照此方法對QPSK、16QAM、64QAM的多種碼率進行仿真，在誤塊率為10%時得到它們的信噪比跟頻譜效率的對應(yīng)關(guān)系，可以畫出不同調(diào)制方式信噪比與頻譜效率的關(guān)系，如圖6所示。

  從圖6可以看出，4種調(diào)制方式的曲線斜率依次增大，并且每一個更高階的調(diào)制方式都比前一較低階調(diào)制方式有頻譜效率上的突破和增長，但同時對信噪比的要求也相應(yīng)地變高。就256QAM調(diào)制而言，相比于64QAM調(diào)制，它能夠帶來頻譜效率上大約33%的提高。同時，256QAM調(diào)制也需要增加8 dB左右信噪比，才能帶來這種增益。從仿真得出的曲線來看，當(dāng)信噪比大于20 dB時，256QAM調(diào)制的頻譜效率高于64QAM調(diào)制，所以在本文之后的討論中，將20 dB作為使用256QAM調(diào)制的閾值，若在LTE．Hi的應(yīng)用場景中，信道條件比較優(yōu)良，滿足信噪比為20 dB這個閾值的用戶比較多，則可以采用256QAM調(diào)制方式。

  利用系統(tǒng)模型中給出的LTE-Hi的室內(nèi)場景以及LTE宏蜂窩場景的模型，隨機撤點模擬用戶分布，室內(nèi)模型均勻分布在房間內(nèi)，宏蜂窩模型均勻分布在扇區(qū)內(nèi)，宏基站發(fā)射功率為46 dBm，載波頻率為2 GHz，LTE-Hi小基站發(fā)送功率為30 dBm，載波頻率為3.5 GHz。室內(nèi)場景建模采用標(biāo)準(zhǔn)中針對LTE-Hi的InH (indoor and hotspot)信道模型，宏蜂窩則采用Uma( urban  macro)信道模型，經(jīng)過仿真得到圖7用戶信干噪比的分布情況。

  可以看出，在室內(nèi)基站稀疏部署場景下，大概有40%的用戶能夠達到信噪比20 dB以上，可以使用256QAM獲得增益，而室內(nèi)密集模型由于干擾比室內(nèi)稀疏模型嚴(yán)重，本仿真又并未采取干擾協(xié)調(diào)的相關(guān)技術(shù)，用戶信噪比超過閾值20 dB的只有20%，但性能還是優(yōu)于宏蜂窩場景下用戶的信干噪比分布，若考慮在實際系統(tǒng)中加入干擾協(xié)調(diào)的機制，用戶可達到的信干噪比條件會更好，由此可以說明，在LTE-Hi場景中可以引入256QAM作為信道條件較好時的調(diào)制方式來提高系統(tǒng)性能。

5  256QAM性能分析

5：1 256QAM的調(diào)制信令

  在LTE-Hi系統(tǒng)下行鏈路中支持256QAM調(diào)制，需要對現(xiàn)有的調(diào)制編碼信令進行修改，為了保證兼容性，保持信令的比特數(shù)不變，CQI仍然為4 bit，其他仍為5 bit，但CQI表中最大頻譜效率需要擴展，支持到64QAM的CQI表格中效率最高為5.554 7，256QAM的引入使得效率最大增加到5554 7x8/6：7.406 3，根據(jù)圖6所示結(jié)果，256QAM的頻譜效率在SNR=27 dB左右趨近飽和。參照CQI的制定準(zhǔn)則，256QAM的CQI指示的效率應(yīng)該在5.554 7—7.406 3中取一個比較平均的效率間隔，在R12標(biāo)準(zhǔn)最新版本的TS36.213協(xié)議中，用最后4個CQI來支持256QAM調(diào)制，見表2，最小的頻譜效率為64QAM的最大頻譜效率5.554 7,256QAM最大頻譜效率為7.406 3，對應(yīng)最大的CQI指示15。

  相應(yīng)的,MCS指示表格以及TBS指示表格也加入了256QAM調(diào)制部分，MCS從序號20，TBS從序號25開始變?yōu)閷��?yīng)256QAM調(diào)制的部分，4個CQI指示以及每兩個指示之間插入一種指示對應(yīng)表3中20~27的調(diào)制編碼方案，相應(yīng)的TBS指示為25~33，表4為資源塊數(shù)量小于5時，為適用256QAM調(diào)制改變的TBS數(shù)，本文在評估256QAM在鏈路以及系統(tǒng)中的性能時需要根據(jù)用戶的信噪比參照256QAM的信令指示配置調(diào)制編碼方案以及傳輸塊大小。

5.2仿真結(jié)果

  在真實系統(tǒng)中，由于發(fā)射機射頻器件存在一定的誤差，導(dǎo)致發(fā)射的信號星座點存在偏移。理想無誤差基準(zhǔn)信號與實際發(fā)射信號的向量差定義為EVM。EVM是衡量發(fā)射機信號穩(wěn)定度的關(guān)鍵指標(biāo)。如果發(fā)射機本身誤差矢量幅度過大，再加上傳播空間信道的干擾和噪聲，則很可能導(dǎo)致接收機解調(diào)失敗，因此在LTE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確定義了對發(fā)射機EVM指標(biāo)的要求，QPSK為17.5%，16QAM為12.5%，64QAM為8%。由于調(diào)制階數(shù)越高，碼率越高，待傳輸星座點的抗干擾能力越低，256QAM作為高階調(diào)制，對發(fā)射機靈敏度要求很高，標(biāo)準(zhǔn)中初步定以EVM≤4%作為256QAM對發(fā)射器件靈敏的要求。

  首先利用搭建的下行鏈路處理模型，根據(jù)信噪比選擇不同的碼率以及傳輸塊大小，比較256QAM與64QAM可達到的吞吐量。鏈路中具體的仿真參數(shù)見表5，載波頻率為LTE-Hi小基站專用的3.5 GHz，帶寬為10 MHz，承載數(shù)據(jù)的資源塊為5個。為了評估EVM對不同調(diào)制方式的影響．同時仿真了在發(fā)射端和接收端添加一定比例的EVM時不同信噪比的吞吐量，最終得到圖8。

  根據(jù)提案給出的CQI與信噪比對應(yīng)準(zhǔn)則以及針對256QAM的信令表，當(dāng)反饋的用戶信噪比大概為20 dB時，下行鏈路的數(shù)據(jù)信息使用256QAM調(diào)制，而開始使用64QAM調(diào)制的信噪比為11 dB，所以圖8(a)和8(b)信噪比的起始點不同，根據(jù)吞吐量曲線可以看出，相較于64QAM調(diào)制，256QAM對EVM更敏感，256QAM調(diào)制在鏈路中加入EVM后吞吐量的變化要遠大于64QAM加入EVM后吞吐量的變化，這是因為256QAM的星座點十分密集，少許干擾就會造成解調(diào)錯誤。根據(jù)圖8中的曲線計算得到表6，在信噪比為25 dB．發(fā)送端、接收端都沒有加EVM時，使用256QAM調(diào)制得到的吞吐量增益為13.4%，信噪比為35 dB時，吞吐量增益增加到28.6%。發(fā)送端EVM=4%，信噪比為25 dB時吞吐量增益為3.4010．信噪比為35 dB時增益為17.2%。發(fā)送端、接收端都加4%的EVM時，信噪比在25 dB時吞吐量不存在增益，信噪比為35 dB時吞吐量增益為14.2%。吞吐量隨著信噪比增加而增加，但

增加幅度越來越小，是由于受到TBS以及碼率的制約．比如64QAM調(diào)制在30 dB之后吞吐量幾乎不再增加，是因為信噪比達到足夠大時，已經(jīng)選用了最大的TBS作為碼字的長度來傳輸，并且誤碼率幾乎為0，吞吐量也就不再增加。

  評估了鏈路中256QAM及64QAM在不同的信噪比下吞吐量的情況之后，下面對LTE-Hi系統(tǒng)的吞吐量進行評估，通過系統(tǒng)仿真得到室內(nèi)場景用戶的SINR，根據(jù)信令表選擇不同的SINR對應(yīng)的調(diào)制方式以及傳輸塊大小，最終得到整個系統(tǒng)中吞吐量的情況，室內(nèi)稀疏場景以及密集場景在未引入256QAM以及引入256QAM之后的吞吐量變化如圖9所示。

可以看出，在室內(nèi)稀疏場景中，引入256QAM之后系統(tǒng)吞吐量由原來的19.1 Mbit/s變?yōu)?3.2 Mbit/s，增益為20.9%，而在室內(nèi)密集場景中，引入256QAM調(diào)制后系統(tǒng)吞吐量由原來的17.1 Mbit/s變?yōu)?8.4 Mbit/s，增益為8.3%，這是因為在室內(nèi)密集場景中，用戶受到的干擾要比稀疏場景大，稀疏場景中有40%的用戶達到信噪比閾值，可以使用256QAM調(diào)制，而密集場景只有20010的用戶可以使用256QAM調(diào)制，總體來說，引入256QAM可以給LTE-Hi系統(tǒng)帶來較為顯著的吞吐量的增益，在實際應(yīng)用時，若加入相應(yīng)的干擾協(xié)調(diào)方案，256QAM帶來的增益會更加明顯。

6結(jié)束語

LTE-Hi作為一種解決室內(nèi)以及熱點地區(qū)流量激增問題的LTE演進技術(shù)，在R12標(biāo)準(zhǔn)中一提出就受到很大關(guān)注，而256QAM高階調(diào)制作為一種提高頻譜效率的增強型技術(shù)，也受到廣泛研究。本文根據(jù)協(xié)議中提出的256QAM星座圖，推導(dǎo)了復(fù)雜度低的基于判決邊界的軟解調(diào)算法，并將此用在下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝AM解調(diào)模塊，通過對現(xiàn)有宏蜂窩以及LTE-Hi室內(nèi)小蜂窩建模得到的用戶SINR分布，分析了256QAM的可行性。在鏈路中仿真對比256QAM以及64QAM的吞吐量與SNR的關(guān)系，并在發(fā)送端和接收端加入了一定比例的EVM，得出256QAM在高信噪比時吞吐量比64QAM高近30%，但EVM對256QAM的影響較大。最后，根據(jù)LTE-Hi室內(nèi)兩個場景中用戶的信道情況，選擇不同的調(diào)制編碼方式，得到了系統(tǒng)中引入256QAM帶來的增益，仿真結(jié)果表明，在室內(nèi)稀疏場景下引入256QAM會給LTE-Hi系統(tǒng)帶來較顯著的性能提升。

7摘  要：為解決室內(nèi)及熱點地區(qū)流量激增的問題，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織在Release12( R12)中提出了LTE-Hi，由于其覆蓋場景的特殊性可以考慮引入256QAM調(diào)制提升系統(tǒng)性能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出的256QAM編碼表，推導(dǎo)了一種基于判決邊界的軟解調(diào)算法。通過仿真LTE-Hi場景下終端SINR的分布說明256QAM的可行性，并根據(jù)針對256QAM調(diào)制而改變的CQI/MCS/TBS信令配置鏈路仿真，得到不同EVM下256QAM相較于64QAM的吞吐量。最后，比較了LTE-Hi在不同室內(nèi)場景中引入256QAM之后系統(tǒng)的性能。