TD-LTE 256QAM高阶调制关键技术探索

张庆，郭华*

（中国移动通信集团江苏有限公司，江苏 南京 210029）

1 引言

传统的3G网络已不能满足室内、慢速移动、热点等有大量数据业务的业务需求，TD-LTE网络对无线数据传输速率提出了更高的要求。针对高频室内慢速移动的热点这一特定的应用场景，现有的IEEE 802 11ac（Wi-Fi）标准在理论上使用160 M带宽，8×8 MIMO的8个空间流可以实现最高6.93 Gbit·s-1的传输速率。而基于现有的IMT-Advance标准的物理层无法达到如此高的数据速率来满足这一特定又是很普遍的应用场景。

同时，室内、慢速移动、热点的场景意味着该场景具有信噪比较高、信道比较稳定和信道散射丰富等特性，也即可以通过高阶调制和高阶多天线来提升用户的峰值吞吐率和系统的频谱效率。但是在3GPP标准规范中，对这两个技术带来的性能约束、非线性的复杂度增加、高效低开销的单用户多流自适应技术等，都将限制高阶调制和高阶多天线技术在系统中的应用比例，降低了对单用户峰值以及系统频谱效率提升的效果。因此，需基于该场景信道的特点，考虑需求与现有IMT-Advance标准的兼容性，对增强物理层性能的关键技术做深入的研究。

在运营商分配到无线频段非常有限的情况下，采用高阶无线调制技术是提升频谱资源利用率的最有效手段。在LTE系统中，物理共享信道（PDSCH）支持三种调制方式：QPSK、16QAM和64QAM，其对应的最高调制频谱效率为6比特/符号。为了满足高速热点接入速率的要求，系统需要能支持更高阶的调制方式，比如256QAM（频谱利用率可达LTE 16QAM的2倍，64QAM的4/3倍）。

2 TD-LTE高阶调制关键技术256QAM介绍

针对TD-LTE高频高速热点接入系统的高频谱利用率、高可靠性、低速移动场景、实时通信的特点，引入256QAM等高阶调制技术来提升容量时，迫切需要研发能在带宽和功率有限的信道中解决上述问题、进行有效高阶（256QAM）调制的编码调制技术，真正发挥256QAM等高阶调制的优势。为了将来能解决上述问题，本文从针对高阶调制的增强编码调制关键技术技术点开展研究，开发出具用自主知识产权的新高阶调制技术方案。

2.1 256QAM的星座图和映射关系

256QAM的格雷映射的星座图如图1所示，每输入8个bit按调制阶数映射到星座点图上，并输出相应的星座点复数值。

256QAM软解调算法描述如下：

图1 256QAM星座点图表

2.2 引入256QAM的链路适配设计

QPSK/16QAM/64QAM/256QAM的SNR与谱效率性能曲线如图2所示。由图可以看出：256QAM在19 dB以上就能获得比64QAM高的吞吐率，而当信噪比达到27 dBm左右时通过256QAM的高阶调制，可以达到峰值速率。这个工作区间是在无线通信系统，尤其是热点小区的场景中比较常见的终端的工作范围，因此可以判断256QAM能够给热点小区带来明显的性能增益。

2.3 256QAM的帧结构设计

LTE的上行和下行分别采用了基于OFDM和DFTS-OFDM的帧结构，对于RF器件，DFT-S-OFDM在一定发射功率范围内可以保持恒定1.8%的EVM（16QAM），而OFDM为3.5%左右（64QAM）；OFDM在发射功率为22.3 dB时能达到4% EVM，而DFT-S-OFDM则为17 dBm。DFT-S-OFDM的PAPR要远小于OFDM，并且提供了5.3 dB的功放效率增益。

DFT-S-OFDM能够提供更低的EVM，更适合用于256QM。但随着器件能力的不断提升，不排除未来OFDM也能满足256QAM的EVM需求，并且使用OFDM可以大大地简化的帧结构设计。因此，OFDM和DFT-S-OFDM都是下行帧结构选项。

图2 256QAM工作区间

2.4 256QAM的BICM迭代解调接收技术

围绕高阶调制，深入研究其对应的先进发射和增强接收技术，是提高无线传输系统频谱利用率最直接的方法。现有标准规范中的调制阶束限制在64QAM，而在信噪比高的室内信道下，是否可以采用256QAM，使得频谱效率提高到原来的4/3倍成为问题，同时，为了标准256QAM的可靠传输，需要深入研究对应的先进的编码调制发射技术以及增强接收技术，实现高速率、高可靠性和低复杂度的传输。与此同时，信道编码技术通过增加信息冗余度来保障传输的可靠性，但相应地降低了信息传输速率。基于并行且相互独立的比特交织器的比特交织编码调制（BICM）系统虽然不是理论上的最优编码调制方案，但由于其信道编码和调制方式可以进行独立的设计，在LTE以及LTE-Advance系统中得到了广泛的推广和应用。在低阶调制下，BICM的高斯信道容量基本上逼近编码调制系统容量。但是当调制方式推进到高阶调制时，Carie在经典的BICM论文“Bit-Interleaved Coded Modulation”中指出，BICM的高斯信道容量在高阶调制下比编码调制系统的信道容量会有比较大的损失，比如在256QAM，信道容量为3比特/传输下，BICM容量的损失超过3 dB；当信道容量提高到7比特/传输时，BICM容量的损失仍然有0.5 dB。

BICM系统在高斯信道下性能劣于编码调制系统容量的原因在于，比特交织固有的随机调制导致了译码空间自由欧式距离的减小。目前解决上述问题比较做有效方法是通过在BICM系统中叠加迭代解映射（BICMID）方式进行算法优化。理论研究表明，采用迭代解映射后的BICM系统，在高斯信道下都能获得额外迭代增益，逼近编码调制系统容量。该处理方法带来的问题是译码复杂度的提高，另外还需软信息（LLR）值交织器和解交织器协助。与此同时，之前关于BICMID的研究基本上和BICM一样，集中在8PSK、16QAM和64QAM，对于更高阶的调制方式的研究基本上是空白。值得注意的是，在高阶星座图调制的另外一个特点是星座图中不同位置比特的可靠性能是不一样，如何结合BICM-ID充分调动其不等保护能力，进一步提高系统的频谱利用率是该课题的关键点。

与此同时，在LTE和IMT-Advancede系统中，几种分集技术，比如时间分集、频率分集和空间分集已经得到了广泛的应用。虽然它们可提供较好的性能，但是需要冗余的功率或者带宽来实现。而信号空间分集（SSD）技术则不同于上述，其原理是对传统的调制星座旋转一定的角度，使得任何2个星座点在I、Q两路上的分量差异最大，从而保证了在传输系统在衰落信道下不牺牲多余的功率和带宽获取较大的性能增益。因此利用信号空间分集技术于高阶调制的传输系统是否可以获得相近或更好的性能，也是值得探讨的问题。

与BICM相对的是多级编码（MLC）技术，传统的MLCs算法核心是通过使用不同级上的不同码来实现不同信息位的保护，以保证信息的安装加密。其存在两个关键技术，其一，分量码的选择。在信道容量规则下，分量码码率的选择至关重要。其二，星座图映射规则。不同的映射方案对系统的整体性能影响很大。理论研究表明，基于多级译码（MSD）的MLC系统，只要各级分量码码率被正确选取，编码调制系统信道容量是可达的。当采用高阶调制技术时，由于高级调制技术的引入，增加了各级分量码信道容量的计算变的难度，系统的整体结构设计将变得不灵活，同时MSD的译码过程变的异常复杂而不实际，这限制了MLC在实际传输系统中的应用。由于MLC良好的性能，因此将着重研究在高阶调制下，MLC与BICM-ID系统的融合，以求性能与复杂度、时延之间的折中。

3 TD-LTE高阶调制关键技术创新性分析：传输方案优化

在传输方案中，考虑到未来TD-LTE系统中可以采用多个编码器的特点，可以通过将MLC和BICM-ID融合在一起，进一步挖掘高阶调制下的系统频谱利用率。因此，将联合优化设计利用MLC、不等保护和星座映射标识优化的BICM-ID传输方案：一个256QAM调制符号分为两个大小为4比特的比特组映射而成，其中，一个4比特组合来自信道编码器1，另外一个来自信道编码器2，同一个比特组合内的比特之间通过一个比特交织器去掉相关性。因此，通过信道容量原则，可以联合优化两个信道编码器的码率以及映射标识，即比特在256QAM符号上的位置。而同一比特组合之间通过不等保护提高系统的性能。在接收端，同一比特组合之间通过迭代译码来提高系统性能，不同组合之间也通过迭代译码在256QAM解调上更新LLR来提高系统性能。综上所述，BICM-ID系统性能跟星座映射标识有紧密的联系，而MLC分量码码率也依赖于星座映射标识，同时不等保护也离不开星座映射标识。因此如何进行星座映射标识的联合优化，以较少的系统开销获得的较高的系统频谱利用率是本方案的核心。传输方案流程图如图3所示。

由于无限长的理想交织器在实际系统中是无法实现的，因此即使在经过比特交织器后的同一调制符号内的比特之间，仍然会保留着编码和调制过程的相关信息，利用该相关性对提高译码性能有促进作用。在经典的BICM接收机中，比如LTE系统接收机，在译码处理过程中将同一个调制符号中的比特分离，需将它们变成相互独立的、并行子信道信息进行并行处理，忽略了同一调制符号中比特间信息的相互关联性，因此造成了调制与解调之间的不匹配，导致性能的提升存在瓶颈，尤其该部分的性能损失会随着调制阶数的增加而增大。而近年来，为解决上述问题，利用因子图，无线研究者提出了基于符号的最优译码算法。基于符号的最优译码算法在译码信息迭代过程中的符号节点图，通过对解调和译码的联合优化来提高性能。虽然BICM系统的最优译码算法在理论上能逼近容量的译码性能，但是最优译码算法复杂度却跟调制阶数成指数增长关系，严重制约着该最优译码算法在实际系统中的推广。

针对当前技术标准，在高阶调制BICM系统中，通过提升高频谱利用率、对低复杂度译码算法进行改进，实现最优标识映射的搜寻和设计，以提升系统整体的联合优化。具体的优化（BICM-ID+MLC的256QAM传输方案）如图4所示。

此部分将形成如图5所示（以4PAM调制为例）的基于符号的BICM联合解调译码算法。本课题将寻找一种联合考虑解调译码，而且计算复杂度与译码性能都具有可比性的新型基于高阶调制的BICM解调译码算法。同时，基于符号的联合解调译码每一次迭代过程中，调制信息都需要重新计算和更新，从而利用比特间的相关性，而类似BICM-ID系统，格雷码映射就不再是该BICM译码算法下的最优映射方案，需要重新推导256QAM下适合该译码算法的星座标识映射方案。

4 结论

通过以上分析，针对高阶调制技术点创新点小结如下：

（1）引入256QAM之后的最小化EVM帧结构设计；

图3 基于BICM-ID+SSD的256QAM传输方案

图4 基于BICM-ID+MLC的256QAM传输方案

图5 基于符号的BICM译码算法方案

（2）针对256QAM的最优labelling设计，此为对标准影响最小的方式；

（3）基于BICM-ID与SSD的256QAM传输技术方案和联合解调译码技术方案；

（4）相对应的256QAM的最优星座标识映射方案。

传统低频段系统已初步实现广域覆盖和高速移动中的通信，但受频谱资源和天线尺寸限制，难以实现高峰值速率和高系统容量。TD-LTE系统已遇到严重的带宽瓶颈，高频段频谱资源较为丰富，并且具有很多低端频谱所不具有的天然优点。首先，高端频谱带宽非常宽，存在资源优势，目前高端频谱业务量较少，世界范围都存在大量的未使用频谱；另外，高端频谱由于工作的系统较少，因而其电磁干扰也较小。此外，使用高端频谱，天线尺寸可以很小，这些特点都有利于构建超高容量多天线的TD-LTE通信系统，以满足未来热点接入需求。引入高频对于突破频谱资源瓶颈，扩展未来高速热点接入新技术研究有重要意义。

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