LTE无线网络上行64QAM技术运用研究

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：

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[10] 张琳. TD-LTE从技术走向商用[J]. 通信世界， 2010（8）： 30-38.