LTE-Hi系統室內場景下256QAM性能研究

劉珊，陶成，劉留

(北京交通大學寬帶無線移動通信研究所，北京 100044)

LTE-Hi系統室內場景下256QAM性能研究

劉珊，陶成，劉留

(北京交通大學寬帶無線移動通信研究所，北京 100044)

為解決室內及熱點地區流量激增的問題，3GPP標準組織在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調制提升系統性能。根據標準給出的256QAM編碼表，推導了一種基于判決邊界的軟解調算法。通過仿真LTE-Hi場景下終端SINR的分布說明256QAM的可行性，并根據針對256QAM調制而改變的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在不同室內場景中引入256QAM之后系統的性能。

LTE-Hi;256QAM;EVM;性能增益

1 引言

隨著無線通信技術的迅速發展，智能終端的種類以及業務需求越來越多樣化。根據預測，未來無線通信會呈現兩大趨勢:一方面，從業務場景看，無線數據流量的需求主要發生在室內和熱點地區［1］;另一方面，從頻率看，未來無線通信數據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，如只采用傳統的宏基站加分站點解決LTE的覆蓋和熱點數據流量問題難度大，且效果不好。

為了解決全球無線數據業務流量飛速增長的問題，國際標準組織3GPP在2012年9月啟動的R12標準化工作中提出了LTE的演進技術LTE-Hi(LTE hotspot/indoor)［2］，此項技術是通過在熱點以及室內部署低功率小基站，小基站的工作頻率為3.5 GHz甚至更高，并應用合適的增強技術(比如高階調制、小小區開關、動態TDD等)來使得LTE-Hi系統具備更高速率、更低成本、更高的頻 譜 效 率［3］。

在 LTE物理層標準 TS36.211［4］中，定義了業務信道可以支持的調制方式，包括QPSK、16QAM和64QAM。LTE-Hi是針對室內以及熱點地區的小范圍覆蓋，覆蓋場景與傳統LTE宏基站差異很大，無線信號傳輸經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，用戶在室內及熱點的移動速度很低，多普勒效應不明顯，信道的時間選擇性衰落也較弱［6］。另外，LTE-Hi場景傳播經歷的路徑損耗相對緩慢，雖然存在相鄰小區干擾，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 noise ratio，信干噪比)分布比更理想，基于以上提到的較好的信道條件，可以引入更高階調制256QAM來提升編碼效率以及系統容量。在最新LTE物理層標準中，已經將256QAM作為最大可支持的調制方式寫入。

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，同時對發射機EVM(error vector magnitude，誤差矢量幅度)的要求也增高。同時，由于LTE現有的關于編碼調制的信令都最大支持到64QAM，引入256QAM后，需要對現有的信令進行修改。

本文首先根據標準中給出的256QAM的星座圖確定了其編碼方式，并推導相應的解碼模塊。根據LTE下行數據發送流程［4，5］，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調制不同編碼效率時誤塊率跟信噪比的關系，并把誤塊率為0.1作為閾值，計算相應的頻譜效率，得到256QAM的增益范圍，同時根據系統模型仿真了LTE-Hi室內場景用戶的SINR分布，說明了256QAM在LTE-Hi場景中的可行性。最后，根據標準中與256QAM對應的新的CQI/MCS/TBS信令表的設計，在鏈路中評估了256QAM在發送和接收端有無EVM時相較于64QAM的吞吐量，并在LTE-Hi兩種不同的室內場景中，根據SINR選擇對應的調制方式以及傳輸塊大小，評估引入256QAM對系統吞吐量的影響。

2 系統模型

本 文 按 照 3GPP 標 準［7，8］中 定 義 的 LTE-Hi室 內 熱 點場景建立了系統模型，室內場景的部署如圖1所示，分為室內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 GHz，與宏基站異頻。宏蜂窩場景如圖2所示，為現有的正六邊形蜂窩小區，小區半徑為500 m，小區個數為 7，基站采用定向天線，每個宏蜂窩分為3個扇區。LTE-Hi以及傳統蜂窩系統模型的用戶都以隨機撒點的方式分布在房間以及扇區內。

圖1 LTE-Hi室內場景

圖2 宏蜂窩場景

在LTE系統中，用戶終端體積小，發送功率往往受限，所以上行鏈路數據處理并未考慮引入256QAM調制，本文的仿真以及討論都是基于LTE下行鏈路。圖3是根據LTE物 理 層 標 準 TS36.211［4］以 及 TS36.212［5］搭 建 的 基 站 到 終 端的下行業務數據處理流程，由上層傳遞的數據流在發送端經過一系列處理形成OFDM符號并由發射天線發出，在經過信道衰落后，接收端按步驟將信號解調并進行校驗，確定此數據流是否正確傳輸。

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

3 256QAM調制

256QAM為8階QAM調制，每8位二進制數規定了256種狀態中的一種。標準TS36.213［9］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，bi代表8 bit數據中的第i個比特，最后信號乘以標量將能量歸一化。I函數和Q函數分別定義如下:

LTE的信道編碼有兩種，分別為Turbo編碼和咬尾卷積碼，除物理廣播信道外，其他信道都采用Turbo編碼方式，由于Turbo碼在進行迭代譯碼時，為了提高信道解碼增益，需要軟輸入信息，所以在解調端對QAM編碼進行解調時，不能進行硬判決［11］。LLR(log likelihood ratio，對數似然比)用來計算QAM信號軟判決度量值。假設發射信號經過高斯信道或多徑衰落信道被均衡，接收信號可以表示為r=a+n/H=rI+rQ，n為均值為 0、方差為δ2的復高斯隨機噪聲。以256QAM為例，同相分量的LLR值可以表示為:

其中，LLRi表示接收信號同相分量中第i個比特的軟比特值，可以由式(4)看出LLR為正值時，取1的后驗概率大于取0的后驗概率，LLR值越大，取1的后驗概率就越大。式(4)經過化簡可等價為:

其中，C1表示bi=1的sI集合，C0表示bi=0的sI集合。上述方法運算復雜并且包含指數運算，本文基于參考文獻［12］提出了16QAM邊界法的軟解調算法，推導了256QAM的邊界法解調，在保證性能的同時大大減少了解調復雜度。

圖3 LTE-Hi物理層下行鏈路處理流程

圖4 256QAM調制信號同相分量的判決邊界

圖4為256QAM的星座點及信號同相分量的判決邊界，可以看出C0、C1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，判決準確性就越高。同相分量第一位比特b1的判決邊界為I=0，因為I=0的右邊b1全部為0，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｜rI｜＞8d 判為 1，越大于 8d，為 1 的 似然度越高，b5的判決邊界為±4d 和±12d，在 4d＜｜rI｜＜12d 時判為 0，b7的判決邊界為±2d、±6d、±10d、±14d，在 2d＜｜rI｜＜6d 或 10d＜｜rI｜＜14d 時判為 0，其他情況判為 1。根據上述描述，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出來。

4 256QAM可行性分析

誤塊率是傳輸數據塊經過CRC校驗后的錯誤概率，它可以反映系統的服務質量，尤其對于鏈路級系統而言，是一個非常重要的性能指標。一般情況下，通信系統以10%的誤塊率作為判斷傳輸成功率的最大容忍界限［13］，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。

假設待傳輸數據塊占據一個LTE子幀中的PDSCH，可用資源塊個數為5，除去PDCCH(物理下行控制信道)占據的3個OFDM符號以及兩天線端口的小區專用參考信號，可用于信息傳輸的資源粒子數RE=600，若采用256QAM調制，可傳輸的比特數為4 800 bit，碼率CR=TBS/4 800，表1是根據可傳輸比特數在標準中選取的傳輸塊大小，每個傳輸塊對應一個碼率，按照LTE下行鏈路的數據處理流程，在AWGN信道下經過多次仿真得到圖5的結果。

圖5 256QAM調制方式下不同碼率的誤塊率跟信噪比關系

從圖5可以看出，隨著碼率的增加，要達到10%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中數據點的橫坐標，再通過碼率換算出256QAM所對應的頻譜效率作為圖6的縱坐標。頻譜效率SE=QmCR，其中Qm為調制階數，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關系，可以畫出不同調制方式信噪比與頻譜效率的關系，如圖6所示。

圖6 不同調制方式誤塊率為0.1時信噪比與頻譜效率關系

從圖6可以看出，4種調制方式的曲線斜率依次增大，并且每一個更高階的調制方式都比前一較低階調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地變高。就256QAM調制而言，相比于64QAM調制，它能夠帶來頻譜效率上大約33%的提高。同時，256QAM調制也需要增加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，當信噪比大于20 dB時，256QAM調制的頻譜效率高于64QAM調制，所以在本文之后的討論中，將20 dB作為使用256QAM調制的閾值，若在LTE-Hi的應用場景中，信道條件比較優良，滿足信噪比為20 dB這個閾值的用戶比較多，則可以采用256QAM調制方式。

利用系統模型中給出的LTE-Hi的室內場景以及LTE宏蜂窩場景的模型，隨機撒點模擬用戶分布，室內模型均勻分布在房間內，宏蜂窩模型均勻分布在扇區內，宏基站發射功率為46 dBm，載波頻率為2 GHz，LTE-Hi小基站發送功率為30 dBm，載波頻率為3.5 GHz。室內場景建模采用標準［14］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，而室內密集模型由于干擾比室內稀疏模型嚴重，本仿真又并未采取干擾協調的相關技術，用戶信噪比超過閾值20 dB的只有20%，但性能還是優于宏蜂窩場景下用戶的信干噪比分布，若考慮在實際系統中加入干擾協調的機制，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制方式來提高系統性能。

表1 不同TBS以及對應的編碼效率

圖7 不同場景下用戶SINR的分布

5 256QAM性能分析

5.1 256QAM的調制信令

在LTE-Hi系統下行鏈路中支持256QAM調制，需要對現有的調制編碼信令進行修改，為了保證兼容性，保持信令的比特數不變，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5.554 78/6=7.406 3［15］，根據圖 6 所示結果，256QAM 的頻譜 效率在SNR=27 dB左右趨近飽和。參照CQI的制定準則，256QAM的CQI指示的效率應該在5.554 7～7.406 3中取一個比較平均的效率間隔，在R12標準最新版本的TS36.213協議中，用最后4個CQI來支持256QAM調制，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，對應最大的CQI指示15。

表2 256QAM的CQI指示

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

表3 256QAM對應的MCS以及TBS指示

表4 不同RB數對應的傳輸塊大小

5.2 仿真結果

在真實系統中，由于發射機射頻器件存在一定的誤差，導致發射的信號星座點存在偏移。理想無誤差基準信號與實際發射信號的向量差定義為EVM。EVM是衡量發射機信號穩定度的關鍵指標［15］。如果發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，則很可能導致接收機解調失敗，因此在LTE標準規范中明確定義了對發射機 EVM指標的要求，QPSK為 17.5%，16QAM為12.5%，64QAM為8%。由于調制階數越高，碼率越高，待傳輸星座點的抗干擾能力越低，256QAM作為高階調制，對發射機靈敏度要求很高，標準中初步定以EVM≤ 4%作為256QAM對發射器件靈敏的要求。

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，承載數據的資源塊為5個。為了評估EVM對不同調制方式的影響，同時仿真了在發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。

表5 仿真參數

根據提案［16］給出的 CQI與信噪比對應準則以及針對256QAM的信令表，當反饋的用戶信噪比大概為20 dB時，下行鏈路的數據信息使用256QAM調制，而開始使用64QAM調制的信噪比為11 dB，所以圖8(a)和8(b)信噪比的起始點不同，根據吞吐量曲線可以看出，相較于64QAM調制，256QAM對EVM更敏感，256QAM調制在鏈路中加入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錯誤。根據圖8中的曲線計算得到表6，在信噪比為25 dB，發送端、接收端都沒有加EVM時，使用256QAM調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%。發送端EVM=4%，信噪比為25 dB時吞吐量增益為3.4%，信噪比為35 dB時增益為17.2%。發送端、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。

表6 256QAM的吞吐量增益

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系統的吞吐量進行評估，通過系統仿真得到室內場景用戶的SINR，根據信令表選擇不同的SINR對應的調制方式以及傳輸塊大小，最終得到整個系統中吞吐量的情況，室內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。

圖8 不同調制方式吞吐量對比

圖9 LTE-Hi室內場景下引入256QAM吞吐量增益

可以看出，在室內稀疏場景中，引入256QAM之后系統吞吐量由原來的19.1 Mbit/s變為 23.2 Mbit/s，增益為20.9%，而在室內密集場景中，引入256QAM調制后系統吞吐量由原來的17.1 Mbit/s變為18.4 Mbit/s，增益為8.3%，這是因為在室內密集場景中，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調制，而密集場景只有20%的用戶可以使用256QAM調制，總體來說，引入256QAM可以給LTE-Hi系統帶來較為顯著的吞吐量的增益，在實際應用時，若加入相應的干擾協調方案，256QAM帶來的增益會更加明顯。

6 結束語

LTE-Hi作為一種解決室內以及熱點地區流量激增問題的LTE演進技術，在R12標準中一提出就受到很大關注，而256QAM高階調制作為一種提高頻譜效率的增強型技術，也受到廣泛研究。本文根據協議中提出的256QAM星座圖，推導了復雜度低的基于判決邊界的軟解調算法，并將此用在下行鏈路數據傳輸的QAM解調模塊，通過對現有宏蜂窩以及LTE-Hi室內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的關系，并在發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LTE-Hi室內兩個場景中用戶的信道情況，選擇不同的調制編碼方式，得到了系統中引入256QAM帶來的增益，仿真結果表明，在室內稀疏場景下引入256QAM會給LTE-Hi系統帶來較顯著的性能提升。

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Performance of 256QAM in LTE-Hi indoor scenario

LIU Shan，TAO Cheng，LIU Liu
Institute of Broadband Wireless Mobile Communications，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China

In order to solve the traffic explosion of indoor and hotspots，LTE-Hi was put forward by 3GPP organization in Release12.Due to the coverage particularity of indoor and hotspots scenarios，the organization introduced 256QAM to improve system performance.According to the 256QAM constellation given in the standard，a soft demodulation algorithm based on border distance decision was deduced.Through a simulation of the UE SINR distribution in the LTE-Hi scenario，the feasibility of the 256QAM was proved and according to the CQI/MCS/TBS signaling table changed for 256QAM，link level simulation showed the 256QAM and 64QAM throughput in comparison under different EVM index.Finally，the system performance with and without the introduction of 256QAM under different scenarios was evaluated.

LTE-Hi，256QAM，EVM，performance gain

The Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2015JBM011)

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016004

2015-07-06;

2015-12-29

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目 (No.2015JBM011)

劉珊(1991-)，女，北京交通大學碩士生，主要研究方向為LTE-Hi物理層關鍵技術。

陶成(1963-)，男，北京交通大學教授、博士生導師，主要研究方向為時變信道物理層信號處理、高鐵無線通信系統關鍵技術等。

劉留(1981-)，男，北京交通大學副教授，主要研究方向為寬帶無線信道測量與建模。