LTE中的高階調制技術及其性能分析

吳錦蓮，厲萍

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510032）

LTE中的高階調制技術及其性能分析

吳錦蓮1，厲萍2

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510032）

為了提高LTE無線空口容量，對下行256QAM和上行64QAM高階調制技術及其性能進行了分析，并結合實驗室測試結果和LTE現網的無線信號覆蓋質量，評估高階調制技術在實際網絡中的性能增益。研究結果表明，高階調制在室內場景下具有較為明顯的增益。

LTE 高階調制 下行256QAM 上行64QAM

1 引言

為滿足移動數據業務快速增長需求，LTE-A對空口技術進行了增強，包括更多天線、更大帶寬、更高階的調制方式等[1]，以實現更高的小區吞吐量和用戶峰值速率體驗。其中更高階的調制方式在一定的條件下可通過設備軟件升級支持，相對來說實現難度更低。下行調制方式從64QAM提高到256QAM理論峰值增益可達33%，上行調制方式從16QAM提高到64QAM理論峰值增益可達50%。

但在實際網絡中所能達到的增益與信道條件、收發信機性能等因素有關系。本文將介紹LTE中的高階調制技術及其性能影響因素，并結合實驗室測試結果，對高階調制技術在實際網絡中的性能進行評估。

2 高階調制原理

2.1 無線容量限制

根據香農定理[2]，給定信道條件下可能獲取的信道容量與信道可用帶寬BW、接收信號功率S、影響接收信號的噪聲功率N有關。簡化表達公式為[3]：

從公式(1)可以知道，限制信道容量的兩個最重要的因素就是可獲得信號的信噪比S/N以及可用信道帶寬。在信道帶寬一定的情況下，容量主要與S/N有關。

為說明信息速率與信噪比的關系，假設通信信息速率為R，帶寬為BW，接收信號功率可以表示為：

此處Eb是指每信息比特的接收能量。

噪聲功率可以表示為：

其中No為噪聲功率譜密度，單位為W/Hz。顯然，信息速率小于極限容量，則由上述公式可以得到：

假設將無線鏈路帶寬利用率定義為γ=R/BW，則有：

則接收機所需最小Eb/No與帶寬利用率的關系如圖1所示。當帶寬利用率明顯小于1時，即信息速率顯著小于可利用帶寬時，不管γ取何值，所需的最小Eb/No都基本固定。但對于帶寬利用率大于1的情況，所需的最小Eb/No將隨著γ迅速增長，也就是說，當實際傳輸的信息速率越高，所需要的信噪比要求越高[4]。

圖1 所需最小Eb/No與帶寬利用率的關系

2.2 高階調制

高階調制就是利用了通過提高信噪比可獲得更高帶寬利用率這一特點，在信噪比良好的環境（如用戶更靠近小區基站，或者用戶數量很少的微小區環境），通過擴展調制星座圖中的星座點密度，使得每個調制符號可以傳遞更多的信息比特。QPSK調制的星座圖包含4個星座點，每個星座點可以代表2比特的信息，擴展到16QAM調制后，星座圖里包含16個點，每個星座點可以代表4個比特的信息，繼續擴展到64QAM調制后，星座圖里包含64個點，每個星座點可以代表6個比特的信息[5]。如果進一步擴展到256QAM調制，則每個星座圖中的點可以包含8比特的信息，如圖2所示：

圖2 高階調制示意圖

對于LTE系統而言，下行調制增強是把最高調制階數從64QAM提高到256QAM，上行調制增強是把最高調制階數從16QAM提高到64QAM[6]。下行256QAM相對于64QAM，包含的比特數從6增加到8，也就是最大帶寬利用率提升了33%；上行64QAM相對于16QAM，包含的比特數從4增加到6，也就是最大帶寬利用率提升了50%。

2.3 性能仿真

高階調制使得更高的帶寬利用率成為可能，但從2.1節分析可知，更高帶寬利用率是受一些因素限制的，如要求有更高的信噪比。

3GPP在引入高階調制特性時，相關公司對下行256QAM和上行64QAM在LTE系統中的性能進行了仿真。

鏈路仿真結果表明，在rank（秩）=1時，增益門限約為RS-SINR＞18 dB～24 dB；rank=2，增益門限約為RS-SINR＞20 dB～30 dB。256QAM增益還與發射機EVM（矢量幅度誤差）性能有關，當TX EVM=3%時，下行256QAM相對于最高調制為64QAM時，最大頻譜效率增益為0%～22%。而多小區組網的系統級仿真結果表明，對于室外宏微異頻異構組網場景，小區平均吞吐量增益約為0%～5%，對于室內宏微異頻異構組網場景，小區平均吞吐量增益約為5%～13%[7]。如EVM指標惡化至4%以上，則256QAM的增益會變得不明顯，有仿真結果表明，當EVM=8%時，即使RSSINR大于30 dB，下行256QAM也基本無增益[8]。

上行64QAM增益還與基站接收天線數量、上行負荷等因素有關。根據仿真結果[9]，上行雙天線接收（1T2R）時，64QAM相對于16QAM的鏈路級峰值增益約為40%；上行四天線接收（1T4R）時，峰值增益約為50%。而系統級仿真結果表明，上行1T2R時，64QAM相對于16QAM最大系統增益約為20%～30%；上行1T4R時，最大系統增益約為30%～40%，增益隨著上行負荷的增加而減少，如圖3所示[10]：

圖3 上行64QAM系統仿真增益

所以，從理論上來說，高階調制只有在低業務量的小區，或者用戶更靠近基站的情況下，才有可能實現。如宏微組網場景下的小基站，每個小基站里面的用戶數量比較少，網絡負荷和干擾水平較低的情況下有可能啟用高階調制；或者用戶位于基站的近點，可獲得較高的信噪比，也可能獲得高階調制增益。

3 性能測試及增益評估

3.1 實驗室測試結果

在實驗室環境下，采用支持下行256QAM功能的LTE-A基站設備和測試終端，基站和終端之間經過信道模擬器連接，測試不同信道條件下的256QAM性能。特定設備的測試結果為：在靜態信道條件下，RS-SINR＞25 dB時，全部采用256QAM，增益為0%～29%；17 dB＜RS-SINR＜25 dB時，調制方式在256QAM和64QAM之間轉換；RS-SINR＜17 dB時，全部轉為64QAM及以下調制方式。雖然256QAM理論峰值增益為33%，但在全部采用256QAM調制方式的區間內，其增益隨SINR惡化而降低，實際增益范圍約為0%～29%。在256QAM和64QAM轉換區間內，啟用256QAM不一定具有正增益。如圖4所示，在EPA 5 Hz信道條件下，256QAM的增益會更小，如圖5所示。

圖4 下行256QAM吞吐量與RS-SINR的關系（靜態信道）

圖5 下行256QAM吞吐量與RS-SINR的關系（EPA 5 Hz信道）

上行64QAM測試結果也呈現類似的趨勢，由于測試環境無法導出上行鏈路的信噪比數據，這里用上行吞吐量和下行RSRP的關系代替。特定設備的測試結果為：在靜態信道條件下，RSRP＞-98 dBm時，全部采用64QAM調制，增益為0%～36%；RSRP＜-99 dBm時，全部轉為16QAM或以下調制方式。如圖6所示，在EPA 5 Hz信道條件下，上行64QAM的增益會小一些，如圖7所示。

圖6 上行64QAM吞吐量與RSRP的關系（靜態信道）

圖7 上行64QAM吞吐量與RSRP的關系（EPA 5 Hz信道）

3.2 現網增益評估

結合實驗室測試結果和LTE現網覆蓋測試數據，可以對高階調制在實際網絡中的增益進行預評估。下行256QAM增益評估的方法為：假設在RS-SINR為S(S1, S2, S3, …, Sn)的位置，實驗室測試256QAM打開前對應的速率為A(A1, A2, A3, …, An)，打開后對應的速率為B(B1, B2, B3, …, Bn)。現網覆蓋測試RS-SINR為(S1, S2, S3, …, Sn)的采樣點占比分別為X(X1, X2, X3, …,Xn)，則下行256QAM的平均增益為：

上行64QAM增益的預評估方法類似，只是RSSINR改為RSRP(R1, R2, R3, …, Rn)，同樣根據不同RSRP位置對應的上行64QAM打開前后的速率以及該位置采樣點比例，計算上行64QAM的平均增益，同公式(6)。

以區域類型為大城市的某LTE網絡測試結果為例，假設網絡中所有終端均支持下行256QAM和上行64QAM，信道條件統一用EPA 5 Hz。用以上方法預估下行256QAM在室外區域可能獲得的平均增益約為2%，室內覆蓋區域可能獲得的平均增益約為10%，如表1所示；上行64QAM在室外區域可能獲得的平均增益約為12%～15%，室內區域獲得的增益約為13%，如表2所示。考慮到采樣點數量較多，可以認為該結果對于評估高階調制在較大規模的城區可能獲得的系統增益具有一定的參考意義。

表1 某區域下行256QAM增益預估

表2 某區域上行64QAM增益預估

但也要注意到，具體到不同的基站/建筑物，LTE覆蓋質量可能差異很大，在某些覆蓋特別好或信道條件更為穩定的區域可能獲得比上述案例更高的增益，在某些覆蓋差的區域可能增益并不理想。對于室內覆蓋區域，此處主要評估雙通道（支持2×2MIMO）的場景，對于部分只支持單通道的室內覆蓋系統，其上行64QAM的增益估計應該更為保守。另外，本文假設了網絡中所有終端均支持下行256QAM和上行64QAM，實際還需要考慮終端滲透率的影響。

4 結束語

本文對LTE網絡中的調制增強技術，包括下行256QAM調制技術、上行64QAM調制技術的技術特點及影響性能的相關因素進行了分析，并結合實驗室測試結果和LTE現網信號覆蓋質量，對高階調制技術在不同場景中的性能進行了預評估。相關分析表明，下行256QAM技術在室內覆蓋環境下具備一定的增益，但在較為密集的室外宏站環境下增益不明顯。上行64QAM在室外宏站環境下，以及室內覆蓋環境下均具有較為明顯的增益。運營商可根據業務、網絡和終端的發展情況，并結合實際部署場景，選擇是否需要啟用高階調制技術。

[1] 3GPP TR 36.913 V11.0.0. Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced)(Release 11)[S].2016.

[2] C E Shannon. A mathematical theory of communication[M]. Bell System Tech, 1948.

[3] John G Proakis. Digital Communications[Z]. 2001

[4] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. 2011.

[5] Stephen G Wilson. 數字調制與編碼[M]. 北京： 電子工業出版社, 1998.

[6] 3GPP TS 36.211 V12.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation(Release 12)[S]. 2011.

[7] 3GPP TR 36.872 V12.1.0. Technical Specif i cation Group Radio Access Network;Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN - Physical layer aspects(Release 12)[S]. 2015.

[8] 3GPP R1-132492. Higher order modulation for small cells, Qualcomm Inc[R]. 2015.

[9] 3GPP R1-070648. Addition of 64 QAM for UL, Qualcomm Europe[R]. 2015.

[10] 3GPP R1-070469. SU-MIMO and 64-QAM in E-UTRA Uplink, Ericsson[R]. 2015. ★

High-order Modulations in LTE and their Performance Analysis

WU Jinlian1, LI Ping2
(1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China;2. Guangdong Branch of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510032, China)

In order to improve the capacity of the air interface for LTE, downlink 256QAM and uplink 64QAM high-order modulation techniques and their performance were analyzed. The performance gain of high-order modulation techniques in actual networks was evaluated according to the tested results in laboratory and wireless signal coverage quality in existing LTE networks. Research results demonstrate that high-order modulation has a signi fi cant gain in indoor scenario.

LTE high-order modulation downlink 256QAM uplink 64QAM

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.007

TN929.53

A

1006-1010(2017)17-0034-05

吳錦蓮,厲萍. LTE中的高階調制技術及其性能分析[J]. 移動通信, 2017,41(17)： 34-38.

2017-08-25

責任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

吳錦蓮：高級工程師，畢業于北京郵電大學，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向為移動通信系統新技術。

厲萍：高級工程師，碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電信股份有限公司廣東分公司，主要研究方向為移動通信網絡規劃建設。