LTE—Hi高阶星座调制性能研究

汤剑彬　王亚峰

【摘要】在室内/热点区域场景下，由于终端与基站之间信道质量良好，因此可以考虑引入高阶星座调制以提高频谱效率。基于一种MCS/TBS/CQI配置，对多种Small Cell场景进行引入256QAM的系统级仿真，并通过仿真结果来对比在不同场景中，引入256QAM和采用原有调制方式对用户吞吐量、频谱效率等多项指标的影响。仿真结果初步表明，在Small Cell scenario 3稀疏场景下，引入256QAM后将对系统产生较大增益。

【关键词】LTE-Hi 256QAM 系统级仿真性能增益

中图分类号：TN929.5文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-16-

[Abstract]Due to good channel quality between terminal and base station， higher order constellationmodulation can be used to improvespectrum efficiency in hotspot/indoor scenarios. Based on MCS/TBS/CQI table design， several scenarios of Small Cell are introduced into 256QAM system-level simulation. By the simulation， 256QAM is compared with the original modulation modes in user throughput and spectrum efficiency in different scenarios. Simulation results reveal that in scenario 3 sparse， 256QAM has higher gain for system.

[Key words]LTE-Hi256QAM system-level simulation performance gain

1引言

随着移动通信技术的不断发展，3GPP制定的LTE已经成为目前全世界主流的宽带无线移动通信标准，LTE的标准化工作也在不断加快。近年来，智能终端的迅猛增长对LTE系统提出了更高的要求。自Release 12起，LTE标准面临的主要任务是应对未来全球爆炸式增长的无线数据业务，而采用Small Cell部署技术则成为应对这一挑战的主要方式。

根据权威机构预测，在未来10年，无线数据业务将有近1000倍的增长。在如此庞大的数据业务中，约有80%的业务都来自于室内及热点区域。由此可见，无线数据业务的分布具有典型的不均衡性。因此，针对室内及热点区域进行Small Cell部署以达到优化系统性能、缓解热点区域的网络压力的目的，已成为LTE标准演进的一个重要议题。在2012年10月的3GPP会议上通过了关于Small Cell增强技术研究的项目，也即LTE-Hi（LTE Hotspot/indoor）。在这个项目中，高阶星座调制作为一个重要研究点，因其具有能够提升热点区域频谱效率、改善用户通信质量的重要特性而备受关注。

在目前现有的LTE系统中，下行物理共享信道（PDSCH，Physical Downlink Shared Channel）所能支持的调制阶数为QPSK（调制阶数2）、16QAM（调制阶数4）和64QAM（调制阶数6）。在室内及热点区域场景下，由于采用微站小范围覆盖，终端与基站距离很近，故信道质量较好。在部分Small Cell部署场景下，较好的信道条件为下行传输引入高阶星座调制方案（如256QAM）提供了可能性。因此，可以考虑支持256QAM（调制阶数8），以提高频谱效率、改善用户通信质量。

本文首先介绍256QAM研究场景以及MCS/TBS/CQI表配置；然后针对几种典型场景进行系统级仿真分析；最后根据仿真结果评估256QAM在几种场景下与现有调制方式相比的增益效果。

2256QAM研究场景

在LTE-Hi议题中，研究的重点主要集中在热点区域和室内场景，通过在这些区域部署Small Cell以达到小范围覆盖的目的，这与传统的室外部署宏站场景有较大不同。与传统部署场景相比，室内场景部署情况相对简单；同时，由反射产生的多径时延和由用户移动产生的多普勒效应都不明显，信道的频率选择性衰落和时间选择性衰落都较弱，信道条件非常良好。因此，相对于传统室外场景，室内及热点区域场景的信道条件有较大改善，这对引入高阶星座调制256QAM创造了良好的条件。

为了评估引入256QAM将对整个系统带来的性能增益大小，需要搭建256QAM基本仿真场景，并在此基础上进行系统级仿真评估。根据3GPP TR 36.872，Small Cell部署场景共分为4种，其中Scenario 1、2a、2b均为室外场景，而Scenario 3为室内部署场景，因此仿真将采用Scenario 3场景作为256QAM系统级仿真分析的基本研究场景。

在Scenario 3场景中，将建模一栋楼房，模拟室内/热点区域。由于在一般Small Cell场景中，宏基站与微站为异频部署，它们之间不存在干扰；同时，Scenario 3场景模拟的为室内场景，室外宏站对室内用户影响较小，因此仿真将只建模Small Cell，而不建模室外Macro Cell（宏站）。

3MCS/TBS/CQI配置

由于现有LTE系统并不支持256QAM，如果要引入256QAM技术，则需要对目前的MCS（调制编码策略）、CQI（信道质量标志）、TBS（传输块大小）等信令信息进行修改。

3.1MCS/TBS配置endprint

在现有LTE系统中，MCS配置采用“5-bit调制编码方案”，可支持0—31共32种MCS等级。在目前的MCS配置中，包括QPSK、16QAM和64QAM，如果要引入256QAM，则需对现有配置进行修改。由于目前3GPP仍倾向于5-bit MCS等级配置，因此需要将现有的部分MCS等级分配给256QAM，同时TBS序号也将随之修改。在3GPP R1-140593中给出了两种MCS等级配置方案，此处采用第一种方案。

与传统MCS等级表相比，引入256QAM后，将原有作为保留（reserved）的29、30、31三个MCS序号分配给256QAM（调制阶数8），再给它们分配新的TBS序号（27、28、29）。对应的TBS表格如表1所示：

这样的MCS/TBS配置方式一方面不会增加信令开销（仍然为5bit），且不会对原有系统造成过多改动；另一方面，该方案将原有reserved的MCS闲置部分分配给256QAM，不影响固有的MCS等级配置，因此也不会影响固有调制方式的传输性能。

3.2CQI配置

由于CQI表格的内容依赖于MCS等级配置表格，故在MCS表格确定后，即可构建CQI表格。和MCS配置思想一致，保持现有CQI比特数为4，因此可以减少部分QPSK的CQI配置，转而分配给256QAM。

有关MCS/TBS/CQI的配置方式主要依赖于链路级仿真结果，这些配置都将作为系统级仿真的基础。由于本文着重进行系统级仿真评估，故在此不再对其构建原理进行具体论述。

4仿真分析

4.1仿真场景

根据上文分析，仿真将基于Small Cell Scenario 3考虑以下场景：

（1）Scenario 3（sparse，1floor）：2个Small Cell分布于一层楼，每个Small Cell下接入10个UE；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）：4个Small Cell分布于一层楼，每个Small Cell下接入10个UE。

在每种仿真场景下，本文都对最高64QAM和最高256QAM两种调制方式进行了仿真评估。同时，对于业务模型，本文考虑了Full buffer以及Non-full buffer（FTP模型1）两种基本模型。

4.2Fullbuffer业务仿真结果

对于Fullbuffer业务，本文从用户吞吐量和小区频谱效率两个角度来进行评估。

从图1和图2中可以看出，在Scenario 3（sparse，1 floor）场景下引入256QAM效果非常明显，超过50%的用户吞吐量都有较大提高；而在其他场景下，引入256QAM效果不是非常明显。

从图3的仿真结果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相对于64QAM小区平均频谱效率约有16%的增益，边缘性能相当；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相对于64QAM小区平均频谱效率约有2%的增益，边缘性能相当。

4.3FTP仿真结果

对于FTP业务，本文主要通过分析包吞吐量CDF曲线的5%、50%、95%数据（FTP业务仿真评估方式）来评估引入256QAM后的增益效果。

从图4的仿真结果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相对于64QAM的5%、95%比例有超过30%的增益，50%比例情况下有超过15%的增益；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相对于64QAM的5%、50%、95%比例均基本没有增益。

5总结

在室内及热点区域，采用高阶星座调制对提高频谱利用率和用户通信质量具有重要的意义，因此引入256QAM技术势在必行。通过前文论述以及仿真结果分析，可以发现无论是Fullbuffer业务模型还是Non-fullbuffer（FTP）业务模型，在Scenario 3稀疏场景中引入256QAM对系统频谱效率、用户吞吐量和包吞吐量都有较大增益；而在Scenario 3密集场景下，256QAM增益并不明显，这是由于密集场景下Small Cell之间距离较小，对用户的干扰较大，信道质量不如稀疏场景好，所以引入256QAM对性能的改善有限。

因此，综合上述几种场景的仿真结果，笔者认为在室内/热点区域Small Cell稀疏分布场景下有必要引入256QAM，这能够大大改善频谱效率和用户数据吞吐量。

参考文献：

[1]何丽峰，刘建军，沈晓冬. 256QAM在LTE-Advanced标准中的应用[J].现代电信科技， 2012（12）： 47-52.

[2]3GPPTR 36.872. Small CellEnhancement for E-UTRA and E-UTRAN[S].2013.

[3]3GPPTR 36.932. Scenarios and Requirements for Small CellEnhancements[S].2013.

[4]3GPPTR 36.814. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects[S].2010.

[5]3GPPTS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Layer Procedures[S]. 2013.

[6]3GPP R1-140593. CQI/MCS/TBS Table Design for Higher Order Modulation[S].2014.

[7]3GPP R1-132546. Link Level Simulation Results for Higher Order Modulation[S].2013.

[8]王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

作者简介

汤剑彬：北京邮电大学硕士，主要从事4G无线通信方面的研究。

王亚峰：北京邮电大学副教授，博士生导师，主要从事移动通信方面的研究。endprint

在现有LTE系统中，MCS配置采用“5-bit调制编码方案”，可支持0—31共32种MCS等级。在目前的MCS配置中，包括QPSK、16QAM和64QAM，如果要引入256QAM，则需对现有配置进行修改。由于目前3GPP仍倾向于5-bit MCS等级配置，因此需要将现有的部分MCS等级分配给256QAM，同时TBS序号也将随之修改。在3GPP R1-140593中给出了两种MCS等级配置方案，此处采用第一种方案。

与传统MCS等级表相比，引入256QAM后，将原有作为保留（reserved）的29、30、31三个MCS序号分配给256QAM（调制阶数8），再给它们分配新的TBS序号（27、28、29）。对应的TBS表格如表1所示：

这样的MCS/TBS配置方式一方面不会增加信令开销（仍然为5bit），且不会对原有系统造成过多改动；另一方面，该方案将原有reserved的MCS闲置部分分配给256QAM，不影响固有的MCS等级配置，因此也不会影响固有调制方式的传输性能。

3.2CQI配置

由于CQI表格的内容依赖于MCS等级配置表格，故在MCS表格确定后，即可构建CQI表格。和MCS配置思想一致，保持现有CQI比特数为4，因此可以减少部分QPSK的CQI配置，转而分配给256QAM。

有关MCS/TBS/CQI的配置方式主要依赖于链路级仿真结果，这些配置都将作为系统级仿真的基础。由于本文着重进行系统级仿真评估，故在此不再对其构建原理进行具体论述。

4仿真分析

4.1仿真场景

根据上文分析，仿真将基于Small Cell Scenario 3考虑以下场景：

（1）Scenario 3（sparse，1floor）：2个Small Cell分布于一层楼，每个Small Cell下接入10个UE；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）：4个Small Cell分布于一层楼，每个Small Cell下接入10个UE。

在每种仿真场景下，本文都对最高64QAM和最高256QAM两种调制方式进行了仿真评估。同时，对于业务模型，本文考虑了Full buffer以及Non-full buffer（FTP模型1）两种基本模型。

4.2Fullbuffer业务仿真结果

对于Fullbuffer业务，本文从用户吞吐量和小区频谱效率两个角度来进行评估。

从图1和图2中可以看出，在Scenario 3（sparse，1 floor）场景下引入256QAM效果非常明显，超过50%的用户吞吐量都有较大提高；而在其他场景下，引入256QAM效果不是非常明显。

从图3的仿真结果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相对于64QAM小区平均频谱效率约有16%的增益，边缘性能相当；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相对于64QAM小区平均频谱效率约有2%的增益，边缘性能相当。

4.3FTP仿真结果

对于FTP业务，本文主要通过分析包吞吐量CDF曲线的5%、50%、95%数据（FTP业务仿真评估方式）来评估引入256QAM后的增益效果。

从图4的仿真结果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相对于64QAM的5%、95%比例有超过30%的增益，50%比例情况下有超过15%的增益；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相对于64QAM的5%、50%、95%比例均基本没有增益。

5总结

在室内及热点区域，采用高阶星座调制对提高频谱利用率和用户通信质量具有重要的意义，因此引入256QAM技术势在必行。通过前文论述以及仿真结果分析，可以发现无论是Fullbuffer业务模型还是Non-fullbuffer（FTP）业务模型，在Scenario 3稀疏场景中引入256QAM对系统频谱效率、用户吞吐量和包吞吐量都有较大增益；而在Scenario 3密集场景下，256QAM增益并不明显，这是由于密集场景下Small Cell之间距离较小，对用户的干扰较大，信道质量不如稀疏场景好，所以引入256QAM对性能的改善有限。

因此，综合上述几种场景的仿真结果，笔者认为在室内/热点区域Small Cell稀疏分布场景下有必要引入256QAM，这能够大大改善频谱效率和用户数据吞吐量。

参考文献：

[1]何丽峰，刘建军，沈晓冬. 256QAM在LTE-Advanced标准中的应用[J].现代电信科技， 2012（12）： 47-52.

[2]3GPPTR 36.872. Small CellEnhancement for E-UTRA and E-UTRAN[S].2013.

[3]3GPPTR 36.932. Scenarios and Requirements for Small CellEnhancements[S].2013.

[4]3GPPTR 36.814. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects[S].2010.

[5]3GPPTS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Layer Procedures[S]. 2013.

[6]3GPP R1-140593. CQI/MCS/TBS Table Design for Higher Order Modulation[S].2014.

[7]3GPP R1-132546. Link Level Simulation Results for Higher Order Modulation[S].2013.

[8]王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

作者简介

汤剑彬：北京邮电大学硕士，主要从事4G无线通信方面的研究。

王亚峰：北京邮电大学副教授，博士生导师，主要从事移动通信方面的研究。endprint

在现有LTE系统中，MCS配置采用“5-bit调制编码方案”，可支持0—31共32种MCS等级。在目前的MCS配置中，包括QPSK、16QAM和64QAM，如果要引入256QAM，则需对现有配置进行修改。由于目前3GPP仍倾向于5-bit MCS等级配置，因此需要将现有的部分MCS等级分配给256QAM，同时TBS序号也将随之修改。在3GPP R1-140593中给出了两种MCS等级配置方案，此处采用第一种方案。

与传统MCS等级表相比，引入256QAM后，将原有作为保留（reserved）的29、30、31三个MCS序号分配给256QAM（调制阶数8），再给它们分配新的TBS序号（27、28、29）。对应的TBS表格如表1所示：

这样的MCS/TBS配置方式一方面不会增加信令开销（仍然为5bit），且不会对原有系统造成过多改动；另一方面，该方案将原有reserved的MCS闲置部分分配给256QAM，不影响固有的MCS等级配置，因此也不会影响固有调制方式的传输性能。

3.2CQI配置

由于CQI表格的内容依赖于MCS等级配置表格，故在MCS表格确定后，即可构建CQI表格。和MCS配置思想一致，保持现有CQI比特数为4，因此可以减少部分QPSK的CQI配置，转而分配给256QAM。

有关MCS/TBS/CQI的配置方式主要依赖于链路级仿真结果，这些配置都将作为系统级仿真的基础。由于本文着重进行系统级仿真评估，故在此不再对其构建原理进行具体论述。

4仿真分析

4.1仿真场景

根据上文分析，仿真将基于Small Cell Scenario 3考虑以下场景：

（1）Scenario 3（sparse，1floor）：2个Small Cell分布于一层楼，每个Small Cell下接入10个UE；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）：4个Small Cell分布于一层楼，每个Small Cell下接入10个UE。

在每种仿真场景下，本文都对最高64QAM和最高256QAM两种调制方式进行了仿真评估。同时，对于业务模型，本文考虑了Full buffer以及Non-full buffer（FTP模型1）两种基本模型。

4.2Fullbuffer业务仿真结果

对于Fullbuffer业务，本文从用户吞吐量和小区频谱效率两个角度来进行评估。

从图1和图2中可以看出，在Scenario 3（sparse，1 floor）场景下引入256QAM效果非常明显，超过50%的用户吞吐量都有较大提高；而在其他场景下，引入256QAM效果不是非常明显。

从图3的仿真结果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相对于64QAM小区平均频谱效率约有16%的增益，边缘性能相当；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相对于64QAM小区平均频谱效率约有2%的增益，边缘性能相当。

4.3FTP仿真结果

对于FTP业务，本文主要通过分析包吞吐量CDF曲线的5%、50%、95%数据（FTP业务仿真评估方式）来评估引入256QAM后的增益效果。

从图4的仿真结果可知：

（1）Scenario 3（sparse，1 floor）下，256QAM相对于64QAM的5%、95%比例有超过30%的增益，50%比例情况下有超过15%的增益；

（2）Scenario 3（dense，1 floor）下，256QAM相对于64QAM的5%、50%、95%比例均基本没有增益。

5总结

在室内及热点区域，采用高阶星座调制对提高频谱利用率和用户通信质量具有重要的意义，因此引入256QAM技术势在必行。通过前文论述以及仿真结果分析，可以发现无论是Fullbuffer业务模型还是Non-fullbuffer（FTP）业务模型，在Scenario 3稀疏场景中引入256QAM对系统频谱效率、用户吞吐量和包吞吐量都有较大增益；而在Scenario 3密集场景下，256QAM增益并不明显，这是由于密集场景下Small Cell之间距离较小，对用户的干扰较大，信道质量不如稀疏场景好，所以引入256QAM对性能的改善有限。

因此，综合上述几种场景的仿真结果，笔者认为在室内/热点区域Small Cell稀疏分布场景下有必要引入256QAM，这能够大大改善频谱效率和用户数据吞吐量。

参考文献：

[1]何丽峰，刘建军，沈晓冬. 256QAM在LTE-Advanced标准中的应用[J].现代电信科技， 2012（12）： 47-52.

[2]3GPPTR 36.872. Small CellEnhancement for E-UTRA and E-UTRAN[S].2013.

[3]3GPPTR 36.932. Scenarios and Requirements for Small CellEnhancements[S].2013.

[4]3GPPTR 36.814. Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects[S].2010.

[5]3GPPTS 36.213. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Layer Procedures[S]. 2013.

[6]3GPP R1-140593. CQI/MCS/TBS Table Design for Higher Order Modulation[S].2014.

[7]3GPP R1-132546. Link Level Simulation Results for Higher Order Modulation[S].2013.

[8]王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.

作者简介

汤剑彬：北京邮电大学硕士，主要从事4G无线通信方面的研究。

王亚峰：北京邮电大学副教授，博士生导师，主要从事移动通信方面的研究。endprint