小小区增强中256QAM的研究

缪照浜，高月红，张欣

（北京邮电大学，北京 100876）

在美国芝加哥举行的3GPP技术标准化工作无线接入网第57次会议上，针对3GPP LTE Release 12技术，中国移动集团公司的代表正式提出了在LTE系统中采用Small Cell （小小区)作为增强技术的研究项目。Small Cell是一种低发射功率，可以覆盖10～200 m的范围的基站设备，工作在授权的或非授权的频谱范围内，相比之下，宏蜂窝的覆盖范围可以达到数千米。

Small Cell融合了飞小区（Femtocell）、微小区（Microcell）、皮小区（Picocell）和分布式无线技术，如RRH（Remote Radio Head，射频拉远头）。Picocell和Microcell也都可以覆盖数百米的范围，但是和Femtocell的最大区别是他们没有自适应、自管理的功能。Small Cell是由运营商管理的，而且考虑到与现有通信系统的兼容性，因此必须支持多种无线口标准，包括GSM、cdma2000、TD-SCDMA、WCDMA和WiMAX。Small Cell的基本形式是家庭蜂窝，家庭蜂窝最初设计为提供室内覆盖，现在其概念大大的扩充，可运用于无线设备密集的城区，商场或办公场所等热点区域。

随着Small Cell部署密度的增多，会导致很多问题出现，如频繁的切换失败会给系统性能带来一定影响，回程链路的非理想化会给Small Cell的应用带来很大限制。此外，还有Small Cell之间的干扰消除以及频谱效率的进一步提升等问题。因此，3GPP从LTE Release 12开始进行SCE（Small Cell Enhancement,小基站增强）技术研究工作，并将其看作是适应移动业务快速增长的重要技术手段。小基站增强采用异构网多制式分层部署方案，相较于之前皮基站的密闭公共环境型应用，SCE扩大了应用范围，提出了更多适应性强的室内外热点场景，并且提出了分簇（Cluster）管理的运营模式，将物理距离较近的若干小型基站划分为一簇，在其中设立主站，既增强了小区间基站间的自管理功能，提升了异构网自身性能，又通过共享资源降低了管理成本。

SCE主要目标是在移动健壮性、服务质量需求、能量效率、信令负荷开销、灵活部署以及用户吞吐量等方面带来提升。为了更好地改善系统性能，本文所研究的高阶调制技术，期望能在频谱效率和吞吐量方面带来不错的增益。

1 Small Cell信道特点及256QAM的必要性

文献[1]第10章对Small Cell的场景分类及各场景特点有详细的分析说明，其中场景1、场景2a以及场景2b中均部署了宏基站，场景3只部署了Small Cell基站而没有部署宏基站。因此，当其他条件相同时，场景3中的Small Cell用户因为不受宏基站发射功率及宏用户功率的干扰，该场景中Small Cell用户的信道质量应优于其它场景，即能有更高的信干噪比。图1是借助于本研究室系统级仿真平台对2a场景的用户的SINR做的CDF曲线分析。

图1 场景2a用户SINR CDF曲线图

从图1中可以看出，场景2a中有相当部分用户的信干噪比能够到达20 dB及以上。这是因为场景3中Small Cell用户存在更好的信道质量，所以其中必然存在很大一部分信干噪比超过20 dB的Small Cell用户。事实上，现有的LTE链路级上最高调制方式64QAM其所对应的用户最高SINR也只有19.2 dB，即使在更好的信道条件中其调制方式也只能采用64QAM，而不能采用更高阶的调制编码方案以提高频谱利用率、传输速率、吞吐量等关键性能指标，这对紧张的信道资源无疑是一种浪费。

从Small Cell的信道特点来看，引入256QAM调制方式，一方面是由于在Small Cell环境中确实存在着很好的信道条件，另一方面考虑到在实际的频带传输系统中，由于信道的频率资源有限，因而有效地利用信道频带，尽量提高信道频带的利用率显得十分必要：即能在有限的信道频带内，传输高效数据。采用高阶调制可以提高频谱利用率，在相同带宽下，高阶调制，信息速率更大。LTE下行就采用了64QAM使得下行速率可以达到100 Mbit/s。为了满足越来越大的数据流量需求和进一步地改善用户体验，256 QAM调制方式以其能带来更大的传输速率、提升频谱效率和吞吐量的优势，成为了本文研究的目标。

2 CQI、MCS表格重设计

2.1 现存问题

现行LTE系统中的下行链路的调制方式包括QPSK、16 QAM和64 QAM，为了有效地对无线资源进行管理，合理分配资源，3GPP研究设计了合理的CQI、MCS表格，其中包含信道质量、调制方式、频谱效率、码率等信息，LTE通信系统根据这些表格合理选择信息传输过程中的调制编码方案。但是当引入256 QAM后，由于现有的相关表格中并没有包含该调制方式，需要在目前的表格基础上进行合理的改动，设计出能同时囊括QPSK、16 QAM、64 QAM和256 QAM 4种调制方式的表格。

2.2 新的表格设计

参考3GPP RAN1 #76中的相关提案[2,3]以及Rel-8协议中相关规定得到CQI表格基本设计原则：

（1）3GPP第62次会议（RAN1 #62）中提到为了改善频谱效率而在下行传输中引入更高阶的调制方式时，如256QAM，必须保持现有的CQI和MCS表格大小，即CQI表格Index仍然为#0～#15共16项，MCS表格仍为#0～#31共32项，在此基础上进行新表格的设计。保持现有表格规格主要是考虑到与现行通信设备配置、通信规则、测试等的兼容问题，减少因改变表格而带来的额外工作量。

（2) CQI表格中的第一项Index=0是为超出表格范围准备的，当由SNR表征的信道质量不在表格所设计的范围内时，即参考资源所使用的调制方式和传输块大小组合与任何CQI索引都不一致，视为CQI Index=0，所以第一项必须保留。

（3) CQI表格中的第二项Index=1为物理下行控制信道专用，需保留。

（4) 生成CQI表格时所用的仿真信道为AWGN信道。信噪比范围为[-7～19.488 dB]，步进值约为1.892 dB，把信噪比区间分为15个，对应15个CQI等级。

（5) 考虑到维持原有表格大小不变，有两种方案：第一种是对SNR从-7 dB～25 dB重新平均分成15段，由各分界点对应的频谱效率作为新的CQI表格的15个频谱效率，这种方案虽然维持了原有表格大小却加大了SNR步进值，从而减小了分辨率而且完全改变了表格，加大了标准实现带来的实际影响；另一种方案是删除个别低阶调制方案对应的索引项，保留原表格中大部分内容，一方面能应对突然变坏的信道条件，另一方面也能减少标准实现带来的影响。所以本文采用第二种方案。

根据上文中提到的设计原则，仍需解决两个问题：256QAM新增项的设计以及删除项的合理选择。

下文给出设计方法：

（1） 添加项。参考频谱效率图2以及3GPP RAN1 #76会议中提案[4]，当信道环境信噪比达到19.2 dB及以上时，适合选用256 QAM调制方式。当64 QAM和256 QAM之间转换点SNR为19.2 dB时，原CQI表格最后一项#15对应的频谱效率5.554 7转化为256 QAM的频谱效率，相应的64QAM时的码率948转换成256 QAM的码率为711。由于现有CQI表格中支持的最大频谱效率为5.554 7，引入256 QAM后可以将频谱效率增加至5.554 7×8/6 = 7.406 3。对应的SNR可以达到25 dB。观察图2可知频谱效率与信道SNR几乎呈线性关系，所以若干256 QAM的频谱效率也可在5.554 7和7.406 3之间均匀取值，若再加入3个256 QAM项，效率可为5.554 7、6.171 9、6.789 1和7.406 3。由于线性关系，对应的SNR从19.2 dB～25 dB之间分为4部分其话步进值也约为1.892 dB。

图2 两种方案鲁棒性对比

综上，需要添加的4项为表1#12、#13、#14、#15。

表1 CQI添加项&删除项

（2） 删除项。为了保持CQI表格大小不变，需要删除4项以腾出空间给256QAM添加项。由上文中设计原则可知CQI Index等于0和1为保留项。原表1中索引值为15的转换为256 QAM，还需在低阶调制中删除3项。此时有两种删除方案：一种是直接删除索引{2、3、4}项，另一种是删除索引{2、4、6}项。本文采取第二种方案[5]，参考图2，该方案当遇到信道状况变坏的突发情况时，仍有低SNR范围内的CQI可供反馈，较好地保持了链路自适应性，而不会出现SNR的真空期，增加了鲁棒性。因此原有CQI表格中#2、#4、#6、#15四项需要删除。综合上文，得到新设计的CQI表如表2所示。

表2 新信道质量指示索引表

此表保持了原表格大小，删除原表中CQI索引值为{2、4、6、15}的4项，保留其它项，并在表末增加了调制方式为256 QAM的4项，最后重新对CQI Index从0～15顺序编号。

MCS表格设计主要思路是从新的CQI表格演变而来，即一部分直接来自CQI表格，另一部分则由前后两项取平均值而来。因为新CQI表格相对于原CQI表格中有所变动，对应到MCS表格，本文方法是仍保留{2、4、6}项而删除由{2、4、6}项插值平均得到的项（对应于原MCS表中{1、3、5、7、9、10}项）以及转换成256 QAM的27、28项。删除了一共8项，也就需要添加8项，新CQI表中4项256 QAM以及有他们平均得到的3项共7项，由于引进了256 QAM，MCS表中需要由原来的3个预留项增加为4个。如此恰好新增的8项填充删除的8项，再对所有项重新从0～31顺序编号。得到新的MCS表格如表3所示。

表3 新调制编码方案索引表

3 链路级仿真结果

图3 新信道质量指示表格误块率曲线图

为了与未增加256 QAM调制方式的原有CQI表格仿真性能对比，验证256 QAM添加的合理性，扩展256 QAM后仿真参数设置为：信道类型为AWGN信道；系统传输带宽为1.4 MHz；信道信噪比范围为SNR=-15～28 dB，步进值0.25 dB；仿真CQI为1～15；仿真时长为2 000个子帧；没有重传。

图3和图4为对新设计的CQI表格进行仿真得到的曲线图，相关参数见上文参数设置。需要注意的是，两张图中最后4条曲线对应着CQI索引值12～15，即调制方式为256 QAM。从图中看，新加入的4条曲线与原有曲线的趋势吻合度非常好，从原有曲线很好地过渡到了256 QAM曲线，说明了新CQI表格设计的合理性。另一方面，当信道质量较高时，如SNR从20 ～29 dB之间时，图3说明引入的256 QAM调制方式能够像原有低阶调制方式一样满足误块率的要求，如能够达到0.1的误块率甚至更低，达到了可靠性的需求；观察图4中256 QAM调制部分，当信道条件较好时，选用高阶的256 QAM调制方式给吞吐量带来的增益对比原有曲线是十分合理的。再观察5，256 QAM对应的频谱效率相对于前3种调制方式也有了显著地提高，与预期相符。

从上文讨论中来看，在AWGN信道环境中引入256 QAM是完全可行与必要的。首先AWGN信道信噪比可以达到上文提到的使用256 QAM的条件，即超过19.2 dB。其次，使用256 QAM后，在不损失传输可靠性的基础上，即能够达到误块率不高于0.1甚至更好的要求，能够显著提高传输的吞吐量。最后，从以上分析可以看出256 QAM带来的频谱效率提升效果明显。

图4 新信道质量指示表格吞吐量曲线图

[1]3GPP TR 36.872.Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Physical layer aspects[S].2012.

[2]3GPP R1-140753.CQI table design for downlink 256QAM[S].2014.

[3]3GPP R1-140118.Intel Corporation.CQI/MCS/TBS Tables for 256QAM and Relevant Signaling[S].2014.

[4]3GPP R1-140034.CQI/MCS table design for 256QAM[S].2014.

[5]3GPP R1-140555.On CQI/MCS/TBS table design for 256QAM[S].2014.