LTE—Hi高階星座調制性能研究

湯劍彬　王亞峰

【摘要】在室內/熱點區域場景下，由于終端與基站之間信道質量良好，因此可以考慮引入高階星座調制以提高頻譜效率。基于一種MCS/TBS/CQI配置，對多種Small Cell場景進行引入256QAM的系統級仿真，并通過仿真結果來對比在不同場景中，引入256QAM和采用原有調制方式對用戶吞吐量、頻譜效率等多項指標的影響。仿真結果初步表明，在Small Cell scenario 3稀疏場景下，引入256QAM后將對系統產生較大增益。

【關鍵詞】LTE-Hi 256QAM 系統級仿真性能增益

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-16-

[Abstract]Due to good channel quality between terminal and base station， higher order constellationmodulation can be used to improvespectrum efficiency in hotspot/indoor scenarios. Based on MCS/TBS/CQI table design， several scenarios of Small Cell are introduced into 256QAM system-level simulation. By the simulation， 256QAM is compared with the original modulation modes in user throughput and spectrum efficiency in different scenarios. Simulation results reveal that in scenario 3 sparse， 256QAM has higher gain for system.

[Key words]LTE-Hi256QAM system-level simulation performance gain

1引言

隨著移動通信技術的不斷發展，3GPP制定的LTE已經成為目前全世界主流的寬帶無線移動通信標準，LTE的標準化工作也在不斷加快。近年來，智能終端的迅猛增長對LTE系統提出了更高的要求。自Release 12起，LTE標準面臨的主要任務是應對未來全球爆炸式增長的無線數據業務，而采用Small Cell部署技術則成為應對這一挑戰的主要方式。

根據權威機構預測，在未來10年，無線數據業務將有近1000倍的增長。在如此龐大的數據業務中，約有80%的業務都來自于室內及熱點區域。由此可見，無線數據業務的分布具有典型的不均衡性。因此，針對室內及熱點區域進行Small Cell部署以達到優化系統性能、緩解熱點區域的網絡壓力的目的，已成為LTE標準演進的一個重要議題。在2012年10月的3GPP會議上通過了關于Small Cell增強技術研究的項目，也即LTE-Hi（LTE Hotspot/indoor）。在這個項目中，高階星座調制作為一個重要研究點，因其具有能夠提升熱點區域頻譜效率、改善用戶通信質量的重要特性而備受關注。

在目前現有的LTE系統中，下行物理共享信道（PDSCH，Physical Downlink Shared Channel）所能支持的調制階數為QPSK（調制階數2）、16QAM（調制階數4）和64QAM（調制階數6）。在室內及熱點區域場景下，由于采用微站小范圍覆蓋，終端與基站距離很近，故信道質量較好。在部分Small Cell部署場景下，較好的信道條件為下行傳輸引入高階星座調制方案（如256QAM）提供了可能性。因此，可以考慮支持256QAM（調制階數8），以提高頻譜效率、改善用戶通信質量。

本文首先介紹256QAM研究場景以及MCS/TBS/CQI表配置；然后針對幾種典型場景進行系統級仿真分析；最后根據仿真結果評估256QAM在幾種場景下與現有調制方式相比的增益效果。

2256QAM研究場景

在LTE-Hi議題中，研究的重點主要集中在熱點區域和室內場景，通過在這些區域部署Small Cell以達到小范圍覆蓋的目的，這與傳統的室外部署宏站場景有較大不同。與傳統部署場景相比，室內場景部署情況相對簡單；同時，由反射產生的多徑時延和由用戶移動產生的多普勒效應都不明顯，信道的頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落都較弱，信道條件非常良好。因此，相對于傳統室外場景，室內及熱點區域場景的信道條件有較大改善，這對引入高階星座調制256QAM創造了良好的條件。

為了評估引入256QAM將對整個系統帶來的性能增益大小，需要搭建256QAM基本仿真場景，并在此基礎上進行系統級仿真評估。根據3GPP TR 36.872，Small Cell部署場景共分為4種，其中Scenario 1、2a、2b均為室外場景，而Scenario 3為室內部署場景，因此仿真將采用Scenario 3場景作為256QAM系統級仿真分析的基本研究場景。

在Scenario 3場景中，將建模一棟樓房，模擬室內/熱點區域。由于在一般Small Cell場景中，宏基站與微站為異頻部署，它們之間不存在干擾；同時，Scenario 3場景模擬的為室內場景，室外宏站對室內用戶影響較小，因此仿真將只建模Small Cell，而不建模室外Macro Cell（宏站）。

3MCS/TBS/CQI配置

由于現有LTE系統并不支持256QAM，如果要引入256QAM技術，則需要對目前的MCS（調制編碼策略）、CQI（信道質量標志）、TBS（傳輸塊大小）等信令信息進行修改。

3.1MCS/TBS配置endprint

在現有LTE系統中，MCS配置采用“5-bit調制編碼方案”，可支持0—31共32種MCS等級。在目前的MCS配置中，包括QPSK、16QAM和64QAM，如果要引入256QAM，則需對現有配置進行修改。由于目前3GPP仍傾向于5-bit MCS等級配置，因此需要將現有的部分MCS等級分配給256QAM，同時TBS序號也將隨之修改。在3GPP R1-140593中給出了兩種MCS等級配置方案，此處采用第一種方案。

與傳統MCS等級表相比，引入256QAM后，將原有作為保留（reserved）的29、30、31三個MCS序號分配給256QAM（調制階數8），再給它們分配新的TBS序號（27、28、29）。對應的TBS表格如表1所示：

這樣的MCS/TBS配置方式一方面不會增加信令開銷（仍然為5bit），且不會對原有系統造成過多改動；另一方面，該方案將原有reserved的MCS閑置部分分配給256QAM，不影響固有的MCS等級配置，因此也不會影響固有調制方式的傳輸性能。

3.2CQI配置

由于CQI表格的內容依賴于MCS等級配置表格，故在MCS表格確定后，即可構建CQI表格。和MCS配置思想一致，保持現有CQI比特數為4，因此可以減少部分QPSK的CQI配置，轉而分配給256QAM。

有關MCS/TBS/CQI的配置方式主要依賴于鏈路級仿真結果，這些配置都將作為系統級仿真的基礎。由于本文著重進行系統級仿真評估，故在此不再對其構建原理進行具體論述。

4仿真分析

4.1仿真場景

根據上文分析，仿真將基于Small Cell Scenario 3考慮以下場景：

（1）Scenario 3（sparse，1floor）：2個Small Cell分布于一層樓，每個Small Cell下接入10個UE；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）：4個Small Cell分布于一層樓，每個Small Cell下接入10個UE。

在每種仿真場景下，本文都對最高64QAM和最高256QAM兩種調制方式進行了仿真評估。同時，對于業務模型，本文考慮了Full buffer以及Non-full buffer（FTP模型1）兩種基本模型。

4.2Fullbuffer業務仿真結果

對于Fullbuffer業務，本文從用戶吞吐量和小區頻譜效率兩個角度來進行評估。

從圖1和圖2中可以看出，在Scenario 3（sparse，1 floor）場景下引入256QAM效果非常明顯，超過50%的用戶吞吐量都有較大提高；而在其他場景下，引入256QAM效果不是非常明顯。

從圖3的仿真結果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相對于64QAM小區平均頻譜效率約有16%的增益，邊緣性能相當；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相對于64QAM小區平均頻譜效率約有2%的增益，邊緣性能相當。

4.3FTP仿真結果

對于FTP業務，本文主要通過分析包吞吐量CDF曲線的5%、50%、95%數據（FTP業務仿真評估方式）來評估引入256QAM后的增益效果。

從圖4的仿真結果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相對于64QAM的5%、95%比例有超過30%的增益，50%比例情況下有超過15%的增益；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相對于64QAM的5%、50%、95%比例均基本沒有增益。

5總結

在室內及熱點區域，采用高階星座調制對提高頻譜利用率和用戶通信質量具有重要的意義，因此引入256QAM技術勢在必行。通過前文論述以及仿真結果分析，可以發現無論是Fullbuffer業務模型還是Non-fullbuffer（FTP）業務模型，在Scenario 3稀疏場景中引入256QAM對系統頻譜效率、用戶吞吐量和包吞吐量都有較大增益；而在Scenario 3密集場景下，256QAM增益并不明顯，這是由于密集場景下Small Cell之間距離較小，對用戶的干擾較大，信道質量不如稀疏場景好，所以引入256QAM對性能的改善有限。

因此，綜合上述幾種場景的仿真結果，筆者認為在室內/熱點區域Small Cell稀疏分布場景下有必要引入256QAM，這能夠大大改善頻譜效率和用戶數據吞吐量。

參考文獻：

[1]何麗峰，劉建軍，沈曉冬. 256QAM在LTE-Advanced標準中的應用[J].現代電信科技， 2012（12）： 47-52.

[2]3GPPTR 36.872. Small CellEnhancement for E-UTRA and E-UTRAN[S].2013.

[3]3GPPTR 36.932. Scenarios and Requirements for Small CellEnhancements[S].2013.

[4]3GPPTR 36.814. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects[S].2010.

[5]3GPPTS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Layer Procedures[S]. 2013.

[6]3GPP R1-140593. CQI/MCS/TBS Table Design for Higher Order Modulation[S].2014.

[7]3GPP R1-132546. Link Level Simulation Results for Higher Order Modulation[S].2013.

[8]王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

作者簡介

湯劍彬：北京郵電大學碩士，主要從事4G無線通信方面的研究。

王亞峰：北京郵電大學副教授，博士生導師，主要從事移動通信方面的研究。endprint

在現有LTE系統中，MCS配置采用“5-bit調制編碼方案”，可支持0—31共32種MCS等級。在目前的MCS配置中，包括QPSK、16QAM和64QAM，如果要引入256QAM，則需對現有配置進行修改。由于目前3GPP仍傾向于5-bit MCS等級配置，因此需要將現有的部分MCS等級分配給256QAM，同時TBS序號也將隨之修改。在3GPP R1-140593中給出了兩種MCS等級配置方案，此處采用第一種方案。

與傳統MCS等級表相比，引入256QAM后，將原有作為保留（reserved）的29、30、31三個MCS序號分配給256QAM（調制階數8），再給它們分配新的TBS序號（27、28、29）。對應的TBS表格如表1所示：

這樣的MCS/TBS配置方式一方面不會增加信令開銷（仍然為5bit），且不會對原有系統造成過多改動；另一方面，該方案將原有reserved的MCS閑置部分分配給256QAM，不影響固有的MCS等級配置，因此也不會影響固有調制方式的傳輸性能。

3.2CQI配置

由于CQI表格的內容依賴于MCS等級配置表格，故在MCS表格確定后，即可構建CQI表格。和MCS配置思想一致，保持現有CQI比特數為4，因此可以減少部分QPSK的CQI配置，轉而分配給256QAM。

有關MCS/TBS/CQI的配置方式主要依賴于鏈路級仿真結果，這些配置都將作為系統級仿真的基礎。由于本文著重進行系統級仿真評估，故在此不再對其構建原理進行具體論述。

4仿真分析

4.1仿真場景

根據上文分析，仿真將基于Small Cell Scenario 3考慮以下場景：

（1）Scenario 3（sparse，1floor）：2個Small Cell分布于一層樓，每個Small Cell下接入10個UE；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）：4個Small Cell分布于一層樓，每個Small Cell下接入10個UE。

在每種仿真場景下，本文都對最高64QAM和最高256QAM兩種調制方式進行了仿真評估。同時，對于業務模型，本文考慮了Full buffer以及Non-full buffer（FTP模型1）兩種基本模型。

4.2Fullbuffer業務仿真結果

對于Fullbuffer業務，本文從用戶吞吐量和小區頻譜效率兩個角度來進行評估。

從圖1和圖2中可以看出，在Scenario 3（sparse，1 floor）場景下引入256QAM效果非常明顯，超過50%的用戶吞吐量都有較大提高；而在其他場景下，引入256QAM效果不是非常明顯。

從圖3的仿真結果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相對于64QAM小區平均頻譜效率約有16%的增益，邊緣性能相當；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相對于64QAM小區平均頻譜效率約有2%的增益，邊緣性能相當。

4.3FTP仿真結果

對于FTP業務，本文主要通過分析包吞吐量CDF曲線的5%、50%、95%數據（FTP業務仿真評估方式）來評估引入256QAM后的增益效果。

從圖4的仿真結果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相對于64QAM的5%、95%比例有超過30%的增益，50%比例情況下有超過15%的增益；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相對于64QAM的5%、50%、95%比例均基本沒有增益。

5總結

在室內及熱點區域，采用高階星座調制對提高頻譜利用率和用戶通信質量具有重要的意義，因此引入256QAM技術勢在必行。通過前文論述以及仿真結果分析，可以發現無論是Fullbuffer業務模型還是Non-fullbuffer（FTP）業務模型，在Scenario 3稀疏場景中引入256QAM對系統頻譜效率、用戶吞吐量和包吞吐量都有較大增益；而在Scenario 3密集場景下，256QAM增益并不明顯，這是由于密集場景下Small Cell之間距離較小，對用戶的干擾較大，信道質量不如稀疏場景好，所以引入256QAM對性能的改善有限。

因此，綜合上述幾種場景的仿真結果，筆者認為在室內/熱點區域Small Cell稀疏分布場景下有必要引入256QAM，這能夠大大改善頻譜效率和用戶數據吞吐量。

參考文獻：

[1]何麗峰，劉建軍，沈曉冬. 256QAM在LTE-Advanced標準中的應用[J].現代電信科技， 2012（12）： 47-52.

[2]3GPPTR 36.872. Small CellEnhancement for E-UTRA and E-UTRAN[S].2013.

[3]3GPPTR 36.932. Scenarios and Requirements for Small CellEnhancements[S].2013.

[4]3GPPTR 36.814. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects[S].2010.

[5]3GPPTS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Layer Procedures[S]. 2013.

[6]3GPP R1-140593. CQI/MCS/TBS Table Design for Higher Order Modulation[S].2014.

[7]3GPP R1-132546. Link Level Simulation Results for Higher Order Modulation[S].2013.

[8]王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

作者簡介

湯劍彬：北京郵電大學碩士，主要從事4G無線通信方面的研究。

王亞峰：北京郵電大學副教授，博士生導師，主要從事移動通信方面的研究。endprint

在現有LTE系統中，MCS配置采用“5-bit調制編碼方案”，可支持0—31共32種MCS等級。在目前的MCS配置中，包括QPSK、16QAM和64QAM，如果要引入256QAM，則需對現有配置進行修改。由于目前3GPP仍傾向于5-bit MCS等級配置，因此需要將現有的部分MCS等級分配給256QAM，同時TBS序號也將隨之修改。在3GPP R1-140593中給出了兩種MCS等級配置方案，此處采用第一種方案。

與傳統MCS等級表相比，引入256QAM后，將原有作為保留（reserved）的29、30、31三個MCS序號分配給256QAM（調制階數8），再給它們分配新的TBS序號（27、28、29）。對應的TBS表格如表1所示：

這樣的MCS/TBS配置方式一方面不會增加信令開銷（仍然為5bit），且不會對原有系統造成過多改動；另一方面，該方案將原有reserved的MCS閑置部分分配給256QAM，不影響固有的MCS等級配置，因此也不會影響固有調制方式的傳輸性能。

3.2CQI配置

由于CQI表格的內容依賴于MCS等級配置表格，故在MCS表格確定后，即可構建CQI表格。和MCS配置思想一致，保持現有CQI比特數為4，因此可以減少部分QPSK的CQI配置，轉而分配給256QAM。

有關MCS/TBS/CQI的配置方式主要依賴于鏈路級仿真結果，這些配置都將作為系統級仿真的基礎。由于本文著重進行系統級仿真評估，故在此不再對其構建原理進行具體論述。

4仿真分析

4.1仿真場景

根據上文分析，仿真將基于Small Cell Scenario 3考慮以下場景：

（1）Scenario 3（sparse，1floor）：2個Small Cell分布于一層樓，每個Small Cell下接入10個UE；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）：4個Small Cell分布于一層樓，每個Small Cell下接入10個UE。

在每種仿真場景下，本文都對最高64QAM和最高256QAM兩種調制方式進行了仿真評估。同時，對于業務模型，本文考慮了Full buffer以及Non-full buffer（FTP模型1）兩種基本模型。

4.2Fullbuffer業務仿真結果

對于Fullbuffer業務，本文從用戶吞吐量和小區頻譜效率兩個角度來進行評估。

從圖1和圖2中可以看出，在Scenario 3（sparse，1 floor）場景下引入256QAM效果非常明顯，超過50%的用戶吞吐量都有較大提高；而在其他場景下，引入256QAM效果不是非常明顯。

從圖3的仿真結果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相對于64QAM小區平均頻譜效率約有16%的增益，邊緣性能相當；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相對于64QAM小區平均頻譜效率約有2%的增益，邊緣性能相當。

4.3FTP仿真結果

對于FTP業務，本文主要通過分析包吞吐量CDF曲線的5%、50%、95%數據（FTP業務仿真評估方式）來評估引入256QAM后的增益效果。

從圖4的仿真結果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相對于64QAM的5%、95%比例有超過30%的增益，50%比例情況下有超過15%的增益；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相對于64QAM的5%、50%、95%比例均基本沒有增益。

5總結

在室內及熱點區域，采用高階星座調制對提高頻譜利用率和用戶通信質量具有重要的意義，因此引入256QAM技術勢在必行。通過前文論述以及仿真結果分析，可以發現無論是Fullbuffer業務模型還是Non-fullbuffer（FTP）業務模型，在Scenario 3稀疏場景中引入256QAM對系統頻譜效率、用戶吞吐量和包吞吐量都有較大增益；而在Scenario 3密集場景下，256QAM增益并不明顯，這是由于密集場景下Small Cell之間距離較小，對用戶的干擾較大，信道質量不如稀疏場景好，所以引入256QAM對性能的改善有限。

因此，綜合上述幾種場景的仿真結果，筆者認為在室內/熱點區域Small Cell稀疏分布場景下有必要引入256QAM，這能夠大大改善頻譜效率和用戶數據吞吐量。

參考文獻：

[1]何麗峰，劉建軍，沈曉冬. 256QAM在LTE-Advanced標準中的應用[J].現代電信科技， 2012（12）： 47-52.

[2]3GPPTR 36.872. Small CellEnhancement for E-UTRA and E-UTRAN[S].2013.

[3]3GPPTR 36.932. Scenarios and Requirements for Small CellEnhancements[S].2013.

[4]3GPPTR 36.814. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects[S].2010.

[5]3GPPTS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Layer Procedures[S]. 2013.

[6]3GPP R1-140593. CQI/MCS/TBS Table Design for Higher Order Modulation[S].2014.

[7]3GPP R1-132546. Link Level Simulation Results for Higher Order Modulation[S].2013.

[8]王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.

作者簡介

湯劍彬：北京郵電大學碩士，主要從事4G無線通信方面的研究。

王亞峰：北京郵電大學副教授，博士生導師，主要從事移動通信方面的研究。endprint