LTE-Hi系统室内场景下256QAM性能研究

刘珊，陶成，刘留

(北京交通大学宽带无线移动通信研究所，北京 100044)

LTE-Hi系统室内场景下256QAM性能研究

刘珊，陶成，刘留

(北京交通大学宽带无线移动通信研究所，北京 100044)

为解决室内及热点地区流量激增的问题，3GPP标准组织在Release12(R12)中提出了LTE-Hi，由于其覆盖场景的特殊性可以考虑引入256QAM调制提升系统性能。根据标准给出的256QAM编码表，推导了一种基于判决边界的软解调算法。通过仿真LTE-Hi场景下终端SINR的分布说明256QAM的可行性，并根据针对256QAM调制而改变的CQI/MCS/TBS信令配置链路仿真，得到不同EVM下256QAM相较于64QAM的吞吐量。最后，比较了LTE-Hi在不同室内场景中引入256QAM之后系统的性能。

LTE-Hi;256QAM;EVM;性能增益

1 引言

随着无线通信技术的迅速发展，智能终端的种类以及业务需求越来越多样化。根据预测，未来无线通信会呈现两大趋势:一方面，从业务场景看，无线数据流量的需求主要发生在室内和热点地区［1］;另一方面，从频率看，未来无线通信数据需求的潜在频率主要集中在3 GHz以上的高频段，而高频段损耗大、覆盖能力差，如只采用传统的宏基站加分站点解决LTE的覆盖和热点数据流量问题难度大，且效果不好。

为了解决全球无线数据业务流量飞速增长的问题，国际标准组织3GPP在2012年9月启动的R12标准化工作中提出了LTE的演进技术LTE-Hi(LTE hotspot/indoor)［2］，此项技术是通过在热点以及室内部署低功率小基站，小基站的工作频率为3.5 GHz甚至更高，并应用合适的增强技术(比如高阶调制、小小区开关、动态TDD等)来使得LTE-Hi系统具备更高速率、更低成本、更高的频 谱 效 率［3］。

在 LTE物理层标准 TS36.211［4］中，定义了业务信道可以支持的调制方式，包括QPSK、16QAM和64QAM。LTE-Hi是针对室内以及热点地区的小范围覆盖，覆盖场景与传统LTE宏基站差异很大，无线信号传输经历的信道条件也大不相同。在LTE-Hi中，基站距离用户较近，多径时延相对宏基站覆盖较小，信道的频率选择性较弱。同时，用户在室内及热点的移动速度很低，多普勒效应不明显，信道的时间选择性衰落也较弱［6］。另外，LTE-Hi场景传播经历的路径损耗相对缓慢，虽然存在相邻小区干扰，但在周围干扰基站分布密度不是太大的情况下，用户距离基站较近，接收到信号的SINR(signal to interference plus noise ratio，信干噪比)分布比更理想，基于以上提到的较好的信道条件，可以引入更高阶调制256QAM来提升编码效率以及系统容量。在最新LTE物理层标准中，已经将256QAM作为最大可支持的调制方式写入。

理论上，256QAM的引入能够显著提升频谱效率，但是高阶调制星座点密集，对误差的灵敏度增加，除了对信噪比的要求增高，同时对发射机EVM(error vector magnitude，误差矢量幅度)的要求也增高。同时，由于LTE现有的关于编码调制的信令都最大支持到64QAM，引入256QAM后，需要对现有的信令进行修改。

本文首先根据标准中给出的256QAM的星座图确定了其编码方式，并推导相应的解码模块。根据LTE下行数据发送流程［4，5］，搭建了 LTE-Hi物理层下行链路仿真平台，仿真了在高斯信道中256QAM调制不同编码效率时误块率跟信噪比的关系，并把误块率为0.1作为阈值，计算相应的频谱效率，得到256QAM的增益范围，同时根据系统模型仿真了LTE-Hi室内场景用户的SINR分布，说明了256QAM在LTE-Hi场景中的可行性。最后，根据标准中与256QAM对应的新的CQI/MCS/TBS信令表的设计，在链路中评估了256QAM在发送和接收端有无EVM时相较于64QAM的吞吐量，并在LTE-Hi两种不同的室内场景中，根据SINR选择对应的调制方式以及传输块大小，评估引入256QAM对系统吞吐量的影响。

2 系统模型

本 文 按 照 3GPP 标 准［7，8］中 定 义 的 LTE-Hi室 内 热 点场景建立了系统模型，室内场景的部署如图1所示，分为室内稀疏模型与密集模型，稀疏模型是在建筑物走廊部署两个LTE-Hi基站，两个基站相隔60 m，走廊两边各有8个房间，每个房间长宽都为15 m，走廊总长为120 m，宽45 m。密集模型则是在走廊布置4个LTE-Hi基站，每个基站相隔30 m，LTE-Hi基站采用的载波频率为3.5 GHz，与宏基站异频。宏蜂窝场景如图2所示，为现有的正六边形蜂窝小区，小区半径为500 m，小区个数为 7，基站采用定向天线，每个宏蜂窝分为3个扇区。LTE-Hi以及传统蜂窝系统模型的用户都以随机撒点的方式分布在房间以及扇区内。

图1 LTE-Hi室内场景

图2 宏蜂窝场景

在LTE系统中，用户终端体积小，发送功率往往受限，所以上行链路数据处理并未考虑引入256QAM调制，本文的仿真以及讨论都是基于LTE下行链路。图3是根据LTE物 理 层 标 准 TS36.211［4］以 及 TS36.212［5］搭 建 的 基 站 到 终 端的下行业务数据处理流程，由上层传递的数据流在发送端经过一系列处理形成OFDM符号并由发射天线发出，在经过信道衰落后，接收端按步骤将信号解调并进行校验，确定此数据流是否正确传输。

LTE-Hi链路处理流程中的QAM调制模块将最大支持的64QAM扩展到256QAM，数据块的大小以及QAM调制的阶数都是基站根据用户反馈的信道质量进行调度。协议TS36.213［9］中，终端会将信道质量映射成4 bit的 CQI(channel quality indicator，信道质量指示)信令并通过上行信道传给基站，基站CQI再对应5 bit的MCS(modulation and coding scheme，调制编码方案)选择合适的调制编码方式，本文仿真链路处理涉及选择调制阶数以及传输块大小时则根据信噪比映射的信令来配置传输块大小和调制阶数。

3 256QAM调制

256QAM为8阶QAM调制，每8位二进制数规定了256种状态中的一种。标准TS36.213［9］给出的 256QAM 编码表，也就确定了256QAM的星座图，采用格雷码编码，编码后信号s可以表示为:

其中，bi代表8 bit数据中的第i个比特，最后信号乘以标量将能量归一化。I函数和Q函数分别定义如下:

LTE的信道编码有两种，分别为Turbo编码和咬尾卷积码，除物理广播信道外，其他信道都采用Turbo编码方式，由于Turbo码在进行迭代译码时，为了提高信道解码增益，需要软输入信息，所以在解调端对QAM编码进行解调时，不能进行硬判决［11］。LLR(log likelihood ratio，对数似然比)用来计算QAM信号软判决度量值。假设发射信号经过高斯信道或多径衰落信道被均衡，接收信号可以表示为r=a+n/H=rI+rQ，n为均值为 0、方差为δ2的复高斯随机噪声。以256QAM为例，同相分量的LLR值可以表示为:

其中，LLRi表示接收信号同相分量中第i个比特的软比特值，可以由式(4)看出LLR为正值时，取1的后验概率大于取0的后验概率，LLR值越大，取1的后验概率就越大。式(4)经过化简可等价为:

其中，C1表示bi=1的sI集合，C0表示bi=0的sI集合。上述方法运算复杂并且包含指数运算，本文基于参考文献［12］提出了16QAM边界法的软解调算法，推导了256QAM的边界法解调，在保证性能的同时大大减少了解调复杂度。

图3 LTE-Hi物理层下行链路处理流程

图4 256QAM调制信号同相分量的判决边界

图4为256QAM的星座点及信号同相分量的判决边界，可以看出C0、C1都有一个边界，将此边界作为判决边界。接收信号越远离判决边界，判决准确性就越高。同相分量第一位比特b1的判决边界为I=0，因为I=0的右边b1全部为0，而左边b1全部为 1，所以 rI的值距离判决边界I=0的右边越远，b1为1的可能性越大。b3的判决边界 I=8d 和 I=-8d，当｜rI｜＞8d 判为 1，越大于 8d，为 1 的 似然度越高，b5的判决边界为±4d 和±12d，在 4d＜｜rI｜＜12d 时判为 0，b7的判决边界为±2d、±6d、±10d、±14d，在 2d＜｜rI｜＜6d 或 10d＜｜rI｜＜14d 时判为 0，其他情况判为 1。根据上述描述，同相分量每位的LLR值如式(6)所示，同样方法可以得到正交分量的LLR值，信号的软比特信息就被完全解调出来。

4 256QAM可行性分析

误块率是传输数据块经过CRC校验后的错误概率，它可以反映系统的服务质量，尤其对于链路级系统而言，是一个非常重要的性能指标。一般情况下，通信系统以10%的误块率作为判断传输成功率的最大容忍界限［13］，下面将分析不同码率下256QAM在误块率为10%时所需要达到的信噪比。

假设待传输数据块占据一个LTE子帧中的PDSCH，可用资源块个数为5，除去PDCCH(物理下行控制信道)占据的3个OFDM符号以及两天线端口的小区专用参考信号，可用于信息传输的资源粒子数RE=600，若采用256QAM调制，可传输的比特数为4 800 bit，码率CR=TBS/4 800，表1是根据可传输比特数在标准中选取的传输块大小，每个传输块对应一个码率，按照LTE下行链路的数据处理流程，在AWGN信道下经过多次仿真得到图5的结果。

图5 256QAM调制方式下不同码率的误块率跟信噪比关系

从图5可以看出，随着码率的增加，要达到10%的容忍界限所需要的信噪比条件越高，码率大于0.701 7时，达到容忍界限的信噪比开始超过20 dB。在图5中可以得到误块率为10%时每个码率的信噪比，代表应用此码率传输所需的最小信噪比，这个信噪比作为图6中数据点的横坐标，再通过码率换算出256QAM所对应的频谱效率作为图6的纵坐标。频谱效率SE=QmCR，其中Qm为调制阶数，CR为编码效率。按照此方法对QPSK、16QAM、64QAM的多种码率进行仿真，在误块率为10%时得到它们的信噪比跟频谱效率的对应关系，可以画出不同调制方式信噪比与频谱效率的关系，如图6所示。

图6 不同调制方式误块率为0.1时信噪比与频谱效率关系

从图6可以看出，4种调制方式的曲线斜率依次增大，并且每一个更高阶的调制方式都比前一较低阶调制方式有频谱效率上的突破和增长，但同时对信噪比的要求也相应地变高。就256QAM调制而言，相比于64QAM调制，它能够带来频谱效率上大约33%的提高。同时，256QAM调制也需要增加8 dB左右信噪比，才能带来这种增益。从仿真得出的曲线来看，当信噪比大于20 dB时，256QAM调制的频谱效率高于64QAM调制，所以在本文之后的讨论中，将20 dB作为使用256QAM调制的阈值，若在LTE-Hi的应用场景中，信道条件比较优良，满足信噪比为20 dB这个阈值的用户比较多，则可以采用256QAM调制方式。

利用系统模型中给出的LTE-Hi的室内场景以及LTE宏蜂窝场景的模型，随机撒点模拟用户分布，室内模型均匀分布在房间内，宏蜂窝模型均匀分布在扇区内，宏基站发射功率为46 dBm，载波频率为2 GHz，LTE-Hi小基站发送功率为30 dBm，载波频率为3.5 GHz。室内场景建模采用标准［14］中针对 LTE-Hi的 InH(indoor and hotspot)信道模型，宏蜂窝则采用Uma(urban macro)信道模型，经过仿真得到图7用户信干噪比的分布情况。

可以看出，在室内基站稀疏部署场景下，大概有40%的用户能够达到信噪比20 dB以上，可以使用256QAM获得增益，而室内密集模型由于干扰比室内稀疏模型严重，本仿真又并未采取干扰协调的相关技术，用户信噪比超过阈值20 dB的只有20%，但性能还是优于宏蜂窝场景下用户的信干噪比分布，若考虑在实际系统中加入干扰协调的机制，用户可达到的信干噪比条件会更好，由此可以说明，在LTE-Hi场景中可以引入256QAM作为信道条件较好时的调制方式来提高系统性能。

表1 不同TBS以及对应的编码效率

图7 不同场景下用户SINR的分布

5 256QAM性能分析

5.1 256QAM的调制信令

在LTE-Hi系统下行链路中支持256QAM调制，需要对现有的调制编码信令进行修改，为了保证兼容性，保持信令的比特数不变，CQI仍然为4 bit，其他仍为 5 bit，但 CQI表中最大频谱效率需要扩展，支持到64QAM的CQI表格中效率最高为5.554 7，256QAM的引入使得效率最大增加到5.554 78/6=7.406 3［15］，根据图 6 所示结果，256QAM 的频谱 效率在SNR=27 dB左右趋近饱和。参照CQI的制定准则，256QAM的CQI指示的效率应该在5.554 7～7.406 3中取一个比较平均的效率间隔，在R12标准最新版本的TS36.213协议中，用最后4个CQI来支持256QAM调制，见表2，最小的频谱效率为64QAM的最大频谱效率5.554 7，256QAM最大频谱效率为7.406 3，对应最大的CQI指示15。

表2 256QAM的CQI指示

相应的，MCS指示表格以及TBS指示表格也加入了256QAM调制部分，MCS从序号20，TBS从序号25开始变为对应256QAM调制的部分，4个CQI指示以及每两个指示之间插入一种指示对应表3中20～27的调制编码方案，相应的TBS指示为25～33，表4为资源块数量小于5时，为适用256QAM调制改变的TBS数，本文在评估256QAM在链路以及系统中的性能时需要根据用户的信噪比参照256QAM的信令指示配置调制编码方案以及传输块大小。

表3 256QAM对应的MCS以及TBS指示

表4 不同RB数对应的传输块大小

5.2 仿真结果

在真实系统中，由于发射机射频器件存在一定的误差，导致发射的信号星座点存在偏移。理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差定义为EVM。EVM是衡量发射机信号稳定度的关键指标［15］。如果发射机本身误差矢量幅度过大，再加上传播空间信道的干扰和噪声，则很可能导致接收机解调失败，因此在LTE标准规范中明确定义了对发射机 EVM指标的要求，QPSK为 17.5%，16QAM为12.5%，64QAM为8%。由于调制阶数越高，码率越高，待传输星座点的抗干扰能力越低，256QAM作为高阶调制，对发射机灵敏度要求很高，标准中初步定以EVM≤ 4%作为256QAM对发射器件灵敏的要求。

首先利用搭建的下行链路处理模型，根据信噪比选择不同的码率以及传输块大小，比较256QAM与64QAM可达到的吞吐量。链路中具体的仿真参数见表5，载波频率为LTE-Hi小基站专用的3.5 GHz，带宽为10 MHz，承载数据的资源块为5个。为了评估EVM对不同调制方式的影响，同时仿真了在发射端和接收端添加一定比例的EVM时不同信噪比的吞吐量，最终得到图8。

表5 仿真参数

根据提案［16］给出的 CQI与信噪比对应准则以及针对256QAM的信令表，当反馈的用户信噪比大概为20 dB时，下行链路的数据信息使用256QAM调制，而开始使用64QAM调制的信噪比为11 dB，所以图8(a)和8(b)信噪比的起始点不同，根据吞吐量曲线可以看出，相较于64QAM调制，256QAM对EVM更敏感，256QAM调制在链路中加入EVM后吞吐量的变化要远大于64QAM加入EVM后吞吐量的变化，这是因为256QAM的星座点十分密集，少许干扰就会造成解调错误。根据图8中的曲线计算得到表6，在信噪比为25 dB，发送端、接收端都没有加EVM时，使用256QAM调制得到的吞吐量增益为13.4%，信噪比为35 dB时，吞吐量增益增加到28.6%。发送端EVM=4%，信噪比为25 dB时吞吐量增益为3.4%，信噪比为35 dB时增益为17.2%。发送端、接收端都加4%的EVM时，信噪比在25 dB时吞吐量不存在增益，信噪比为35 dB时吞吐量增益为14.2%。吞吐量随着信噪比增加而增加，但增加幅度越来越小，是由于受到TBS以及码率的制约，比如64QAM调制在30 dB之后吞吐量几乎不再增加，是因为信噪比达到足够大时，已经选用了最大的TBS作为码字的长度来传输，并且误码率几乎为0，吞吐量也就不再增加。

表6 256QAM的吞吐量增益

评估了链路中256QAM及64QAM在不同的信噪比下吞吐量的情况之后，下面对LTE-Hi系统的吞吐量进行评估，通过系统仿真得到室内场景用户的SINR，根据信令表选择不同的SINR对应的调制方式以及传输块大小，最终得到整个系统中吞吐量的情况，室内稀疏场景以及密集场景在未引入256QAM以及引入256QAM之后的吞吐量变化如图9所示。

图8 不同调制方式吞吐量对比

图9 LTE-Hi室内场景下引入256QAM吞吐量增益

可以看出，在室内稀疏场景中，引入256QAM之后系统吞吐量由原来的19.1 Mbit/s变为 23.2 Mbit/s，增益为20.9%，而在室内密集场景中，引入256QAM调制后系统吞吐量由原来的17.1 Mbit/s变为18.4 Mbit/s，增益为8.3%，这是因为在室内密集场景中，用户受到的干扰要比稀疏场景大，稀疏场景中有40%的用户达到信噪比阈值，可以使用256QAM调制，而密集场景只有20%的用户可以使用256QAM调制，总体来说，引入256QAM可以给LTE-Hi系统带来较为显著的吞吐量的增益，在实际应用时，若加入相应的干扰协调方案，256QAM带来的增益会更加明显。

6 结束语

LTE-Hi作为一种解决室内以及热点地区流量激增问题的LTE演进技术，在R12标准中一提出就受到很大关注，而256QAM高阶调制作为一种提高频谱效率的增强型技术，也受到广泛研究。本文根据协议中提出的256QAM星座图，推导了复杂度低的基于判决边界的软解调算法，并将此用在下行链路数据传输的QAM解调模块，通过对现有宏蜂窝以及LTE-Hi室内小蜂窝建模得到的用户SINR分布，分析了256QAM的可行性。在链路中仿真对比256QAM以及64QAM的吞吐量与SNR的关系，并在发送端和接收端加入了一定比例的EVM，得出256QAM在高信噪比时吞吐量比64QAM高近30%，但EVM对256QAM的影响较大。最后，根据LTE-Hi室内两个场景中用户的信道情况，选择不同的调制编码方式，得到了系统中引入256QAM带来的增益，仿真结果表明，在室内稀疏场景下引入256QAM会给LTE-Hi系统带来较显著的性能提升。

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Performance of 256QAM in LTE-Hi indoor scenario

LIU Shan，TAO Cheng，LIU Liu
Institute of Broadband Wireless Mobile Communications，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China

In order to solve the traffic explosion of indoor and hotspots，LTE-Hi was put forward by 3GPP organization in Release12.Due to the coverage particularity of indoor and hotspots scenarios，the organization introduced 256QAM to improve system performance.According to the 256QAM constellation given in the standard，a soft demodulation algorithm based on border distance decision was deduced.Through a simulation of the UE SINR distribution in the LTE-Hi scenario，the feasibility of the 256QAM was proved and according to the CQI/MCS/TBS signaling table changed for 256QAM，link level simulation showed the 256QAM and 64QAM throughput in comparison under different EVM index.Finally，the system performance with and without the introduction of 256QAM under different scenarios was evaluated.

LTE-Hi，256QAM，EVM，performance gain

The Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2015JBM011)

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016004

2015-07-06;

2015-12-29

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (No.2015JBM011)

刘珊(1991-)，女，北京交通大学硕士生，主要研究方向为LTE-Hi物理层关键技术。

陶成(1963-)，男，北京交通大学教授、博士生导师，主要研究方向为时变信道物理层信号处理、高铁无线通信系统关键技术等。

刘留(1981-)，男，北京交通大学副教授，主要研究方向为宽带无线信道测量与建模。