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LTE无线网络上行64QAM技术运用研究

2017-03-04滕琳雅尧文彬杨一帆李冬张科

移动通信 2016年24期
关键词:星座图码元星座

滕琳雅+尧文彬+杨一帆+李冬+张科

【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。

【关键词】64QAM SINR 上行调制

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.010 中图分类号:TN929.5 文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2016)24-0046-06

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8進制调制技术[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MER>32 dB,有效荷载为38 Mbps[4]。

(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 bit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(aI[i], aQ[i]),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:

y(t)=Amcosωct+Bmsinωct (1)

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a[i]经串并变换:

a[i]=aI[i]+jaQ[i] (2)

经过信道后的接收端信号为:

r[i]=Gch[i]*a[i]+W[i] (3)

其中Gch[i]为信道频率响应,W[i]为方差为σ2的白噪声,变换后得到:

W?[i]仍为白噪声,不过方差变为σ?2=σ2/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=0~3。SIK(0)、SQK(0)为星座图上I路和Q路第K个比特为0的星座点集合;SIK(1)、SQK(1)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lgΣjzj≈maxjzj,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——SINR

LTE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能上报更高等級的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Pk[Φ]k,k是UEk的功率,Pi(i≠k)[Φ]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:

C=lg[det(INR+HHH )] (12)

其中NR是接收天线数量,NT是发射天线的数量,γ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64QAM

eNodeB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8~21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SINR>20 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;上行SINR<12 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SINR≥12 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4.5G/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. 3GPP LTE Downlink System Performance[A]. Global Telecommunications Conference[C]. 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,黃元. 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]. 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.

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