LTE-A增强技术研究与试验分析

黄庆涛，梁健生

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

1 引言

在目前4G向5G网络演进阶段，大量的视频应用、手机游戏和网络购物促进了智能手机用户海量的流量使用，无限流量套餐的推出也推动了流量爆发式增长，智能手机必须具备超强的网络能力。同时，运营商4G网络面临容量、覆盖等问题，即便运营商未来部署了5G网络，但由于频段的限制，短时间内也会让5G网络难以形成连续性的全覆盖。因此，在某些高热点区域如校园、商业区等存在高话务量需求，由于网络容量不足，影响了用户体验，用户要保持流量的使用通畅，就需要高效的4G网络来支撑。为了解决LTE的高容量高热点问题，研究LTE-A增强技术势在必行。

本文主要研究LTE-A增强技术，首先从原理上分别研究4T4R和高阶调制技术，理论分析这两种技术的增益来源，然后通过外场试验的方法测试不同场景下的增益情况，最后给出LTE-A增强技术部署的指导建议。如图1所示，试验区域为广东省深圳市南山科技园区，属于典型的写字楼区域，8个站连续覆盖，站间距为500 m～700 m，分为单站测试和连片区域测试，其中单站测试关注覆盖性能和峰值速率，连片区域测试则关注整网性能。

2 4T4R技术原理及试验分析

图1 4T4R和高阶调制技术试验区域

现网大部分基站目前配置的RRU是2T2R或者2T4R，即基站拥有2个发射天线和2/4个接收天线，4T4R技术主要是提高基站的下行配置，把发射天线数量提高到4个；与4T4R技术直接对应的就是4×4 MIMO，是基站和手机之间的一种工作模式，要实现4×4 MIMO，终端必须支持四接收天线，基站必须具备四发射天线的能力。AWGN信道下多天线信道容量表达式如公式(1)所示：

其中C为系统信道容量，W为系统带宽，S是信号发射功率，σ2是噪声功率，min(m,n)表示信道模型的秩，也是发射天线m和接收天线n中的较小值，决定了信道容量的上限。

相比传统2×2 MIMO，4×4 MIMO采用4天线技术，通过提高基站侧的发射天线数量跟接收端的接收天线数量带来分集增益、阵列增益和复用增益。分集增益指MIMO系统对抗信道衰落对性能的影响，利用各天线上信号深衰落的不相关性，减少合并后信号的衰落幅度而获得性能增益；阵列增益指MIMO系统利用各天线上信号的相关性和噪声的非相关性，提高合并后信号的平均SINR而获得的性能增益；复用增益指通过增加空间信道的维数获得的吞吐量增益。4×4 MIMO最高可以提供4个并行的数据流，理论峰值吞吐率是单流的4倍、双流的2倍。

其实早在3GPP Release 10规范中，就提出了8×8 MIMO多天线技术，最大可支持8个并行数据流，使用TM9传输模式，受限于网络与终端设备原因，若在4×4 MIMO上配置TM9，CSI-RS跟URS会占用更多资源元素，增益反而没有TM3/TM4高，因此4×4MIMO合适的传输模式是TM3/TM4。图2是现网基站由2T升级成4T，终端由2R演进到4R可能出现的MIMO场景，即2×2 MIMO、4×2 MIMO和4×4 MIMO。基站侧4T4R可通过RRU双拼的方法实现，也可以采用一体化RRU；终端侧采用高通8996/8998芯片都具备4R功能，商用终端有华为的P10跟三星S8。随着4R终端渗透率提高，4T4R技术带来的作用也会更明显。外场试验配置如表1所示。

图2 2×2 MIMO、4×2 MIMO和4×4 MIMO场景

表1 4T4R技术外场试验配置

图3（a）是对单个基站进行拉远覆盖测试，从趋势线可以看出，4T4R技术不仅在近中点可以提高用户吞吐率，还可以提高小区边缘的覆盖能力：以RSRP=-115 dBm为参考值，2×2 MIMO的吞吐率约为10 Mbit·s-1，4×2 MIMO约16 Mbit·s-1，增益约为60%，4×4 MIMO约22 Mbit·s-1，增益约为120%。图3（b）是对单个基站进行多用户吞吐率测试，基站侧采用2T/4T天线发射，而UE采用2R天线接收。根据现网MR数据，2R终端以1：7：2的比例分布在近中远点，从测试结果分析，基站侧采用4T天线，MCS的阶数抬升，Rank2的比例也增加，整体小区的吞吐率增益可提高26.7%，其中远点的增益最高。由此可见，在4R终端普及率不够高的情况下，4T技术对现网多用户2R终端也有相当增益。

图3（c）是室外连片区域的路测，从测试结果分析，相比2×2 MIMO，4×2 MIMO Rank2的比例有所提升，平均吞吐率由42.79 Mbit·s-1提高至46.41 Mbit·s-1，增益为8.5%，而4×4 MIMO则出现了更高阶的Rank3和Rank4，有更高的并行数据流数，Rank2/3/4比例高达98%，平均吞吐率为65.89 Mbit·s-1，增益为54%，可见空间复用增益远大于分集增益。图3（d）是峰值吞吐率测试，由于4天线端口存在额外的RS导频开销，使得4×2 MIMO峰值吞吐率反而有点下降，相对于2×2 MIMO略降低约2%；4×4 MIMO峰值吞吐率为210 Mbit·s-1，增益达到98%，测试结果与理论分析相近。

图3 4T4R技术测试结果

表2是基站侧开启4T技术对现网真实用户的话统KPI影响，统计时间为2T/4T各一周。从表格可以看到，话统KPI相对稳定；基站侧开启4T技术，提高了MCS和CQI的值，Rank2的占比达到71.88%，增益为9.99%，说明发射天线的增加改善了测试区域真实用户的信道环境；“CQI小于7比例”的减小，说明弱覆盖区域的改善；另外，下行用户体验速率增益为16.10%，进一步验证4T技术提升了用户体验。

表2 基站4T对现网真实用户话统KPI影响

综上，4T4R技术对4R终端可实现4×4 MIMO，对2R终端可实现4×2 MIMO，不仅可以提高近中点用户体验速率，也可以提升小区边缘的覆盖能力，这对于提升弱覆盖区域的用户体验是有帮助的。

3 高阶调制原理及试验分析

QAM是一种矢量调制，将输入数据先映射到一个复平面上，形成复数调制符号，然后将符号的I、Q分量（对应复平面的实部和虚部）采用幅度调制，分别对应调制在时域正交的两个载波（sinwt和coswt）上。QAM发射的信号集可以用星座图表示，星座图上每一个星座点对应发射信号集中的那一点，星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。高阶调制技术通过采用更高阶的调制解调，在维持相同的符号吞吐率不变的前提下，提高了比特率，其中下行调制方式采用256QAM，编码效率由6 bit提高至8 bit；上行调制方式采用64QAM，编码效率由4 bit提高至6 bit，如图4所示。

图4 高阶调制技术

采用256QAM高阶调制带来的吞吐率增益，与TBSize密切相关。在3GPP 36.213协议中，MCS大于或等于20，即可进入256QAM算法；然而进入256QAM算法不一定有正增益，以15 M带宽75个RB为例，MCS要达到24及以上，对应的TBsize才稳定大于旧表MCS=28的TBSize（55 056），才能够获得稳定增益，对比分析如表3所示。另外，高阶调制在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，使得星座点之间的距离变小，进而导致误码率上升，因此高阶调制的增益与信号质量、信道条件密切相关。

表3 256QAM调制：MCS与吞吐率增益的关系

高阶调制技术外场测试配置如表4所示：

图5（a）是DL 256QAM室外连片区域的路测结果，从测试数据看，开启256QAM功能，在近点（SINR>25dB）平均吞吐率增益可以达到14%，而对整体吞吐率的增益不并明显（约2.0%），这是因为256QAM算法只在信道环境好的情况下才会起作用，而实际路测数据中近点的样本比例并不高。图5（b）是UL 64QAM室外连片区域的路测结果，近中点都有增益，其中近点增益最明显，达到30%以上，而远点因为RSRP较低，没有进入64QAM算法，所以没增益。

图5（c）是对具备高阶调制功能的室分楼宇路测，室内的信道环境一般比室外好，下行是2.1G载波双通道，开启DL 256QAM功能，整体吞吐率平均增益明显提高，可达12%以上；上行是2.1G载波单通道，开启UL 64QAM功能，整体吞吐率平均增益在19%以上。图5（d）是峰值吞吐率测试，如理论分析，高阶调制提高了编码效率，在好点处都能获得较大吞吐率增益，DL 256QAM增益达到34%，而UL 64QAM增益达到39%，与理论相近。

高阶调制与信道环境密切相关，信道条件的好坏决定了能否进入高阶调制算法，进而决定增益。在信号质量较高的场景下，高阶调制能带来较可观的吞吐率增益，特别是信号较好的有室分楼宇，高阶调制可以解决办公楼的高容量问题。

4 结束语

LTE-A增强技术是对当前LTE网络的强化，是提高LTE系统覆盖、网络容量和用户体验速率的关键技术，有利于解决移动通信网络高热点、高容量的用户业务需求。本文从理论及技术角度出发，结合现场试验数据得出结论：4T4R技术主要提高覆盖性能及边缘吞吐率，而高阶调制技术主要提高近点吞吐率；从路测性能看两种技术都可以提高小区整体容量性能。在4G向5G演进阶段，可以根据实际容量需求，结合两种技术的性能特点来决定具体的应用。

图5 高阶调制技术测试结果

参考文献：

[1]3GPP TS 36.211 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Physical Channels and Modulation[S]. 2012.

[2]3GPP TS 36.213 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Physical Layer Procedures[S]. 2012.

[3]3GPP TS 36.321 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Medium Access Control (MAC) Protocol Specification[S]. 2012.

[4]3GPP TS 36.322 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Radio Link Control(RLC) Protocol Specification[S]. 2012.

[5]3GPP TS 36.323 va10(10-12). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol(PDCP) Specification[S]. 2012.

[6]陈宇,王月珍. LTE多天线接收增强技术组网分析[J]. 移动通信, 2015,39(2)： 40-44.

[7]Harri Holma, Antti Toskala. LTE-Advanced：面向IMTAdvanced的3GPP解决方案[M]. 北京： 机械工业出版社,2014.

[8]D Jonathan, B Biljana. MU-MIMO in LTE systems[J].Euraship Journal on Wireless Communications and Networking[J]. 2011(1)： 496763.

[9]林辉,焦慧颖,刘思杨,等, LTE-Advanced：关键技术详解[M]. 北京： 人民邮电出版社, 2012.

[10]黄锐,田燕,夏小霞. LTE-A CoMP下行多用户调度算法研究[J]. 无线电通信技术, 2015,41(1)： 28-30.

[11]夏永康,梁晓雯. 天线下倾角对LTE蜂窝网络能效的影响[J]. 无线电工程, 2013,43(10)： 40-42. ★