LTE中的高阶调制技术及其性能分析

吴锦莲，厉萍

（1.中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630；2.中国电信股份有限公司广东分公司，广东 广州 510032）

LTE中的高阶调制技术及其性能分析

吴锦莲1，厉萍2

（1.中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630；2.中国电信股份有限公司广东分公司，广东 广州 510032）

为了提高LTE无线空口容量，对下行256QAM和上行64QAM高阶调制技术及其性能进行了分析，并结合实验室测试结果和LTE现网的无线信号覆盖质量，评估高阶调制技术在实际网络中的性能增益。研究结果表明，高阶调制在室内场景下具有较为明显的增益。

LTE 高阶调制 下行256QAM 上行64QAM

1 引言

为满足移动数据业务快速增长需求，LTE-A对空口技术进行了增强，包括更多天线、更大带宽、更高阶的调制方式等[1]，以实现更高的小区吞吐量和用户峰值速率体验。其中更高阶的调制方式在一定的条件下可通过设备软件升级支持，相对来说实现难度更低。下行调制方式从64QAM提高到256QAM理论峰值增益可达33%，上行调制方式从16QAM提高到64QAM理论峰值增益可达50%。

但在实际网络中所能达到的增益与信道条件、收发信机性能等因素有关系。本文将介绍LTE中的高阶调制技术及其性能影响因素，并结合实验室测试结果，对高阶调制技术在实际网络中的性能进行评估。

2 高阶调制原理

2.1 无线容量限制

根据香农定理[2]，给定信道条件下可能获取的信道容量与信道可用带宽BW、接收信号功率S、影响接收信号的噪声功率N有关。简化表达公式为[3]：

从公式(1)可以知道，限制信道容量的两个最重要的因素就是可获得信号的信噪比S/N以及可用信道带宽。在信道带宽一定的情况下，容量主要与S/N有关。

为说明信息速率与信噪比的关系，假设通信信息速率为R，带宽为BW，接收信号功率可以表示为：

此处Eb是指每信息比特的接收能量。

噪声功率可以表示为：

其中No为噪声功率谱密度，单位为W/Hz。显然，信息速率小于极限容量，则由上述公式可以得到：

假设将无线链路带宽利用率定义为γ=R/BW，则有：

则接收机所需最小Eb/No与带宽利用率的关系如图1所示。当带宽利用率明显小于1时，即信息速率显著小于可利用带宽时，不管γ取何值，所需的最小Eb/No都基本固定。但对于带宽利用率大于1的情况，所需的最小Eb/No将随着γ迅速增长，也就是说，当实际传输的信息速率越高，所需要的信噪比要求越高[4]。

图1 所需最小Eb/No与带宽利用率的关系

2.2 高阶调制

高阶调制就是利用了通过提高信噪比可获得更高带宽利用率这一特点，在信噪比良好的环境（如用户更靠近小区基站，或者用户数量很少的微小区环境），通过扩展调制星座图中的星座点密度，使得每个调制符号可以传递更多的信息比特。QPSK调制的星座图包含4个星座点，每个星座点可以代表2比特的信息，扩展到16QAM调制后，星座图里包含16个点，每个星座点可以代表4个比特的信息，继续扩展到64QAM调制后，星座图里包含64个点，每个星座点可以代表6个比特的信息[5]。如果进一步扩展到256QAM调制，则每个星座图中的点可以包含8比特的信息，如图2所示：

图2 高阶调制示意图

对于LTE系统而言，下行调制增强是把最高调制阶数从64QAM提高到256QAM，上行调制增强是把最高调制阶数从16QAM提高到64QAM[6]。下行256QAM相对于64QAM，包含的比特数从6增加到8，也就是最大带宽利用率提升了33%；上行64QAM相对于16QAM，包含的比特数从4增加到6，也就是最大带宽利用率提升了50%。

2.3 性能仿真

高阶调制使得更高的带宽利用率成为可能，但从2.1节分析可知，更高带宽利用率是受一些因素限制的，如要求有更高的信噪比。

3GPP在引入高阶调制特性时，相关公司对下行256QAM和上行64QAM在LTE系统中的性能进行了仿真。

链路仿真结果表明，在rank（秩）=1时，增益门限约为RS-SINR＞18 dB～24 dB；rank=2，增益门限约为RS-SINR＞20 dB～30 dB。256QAM增益还与发射机EVM（矢量幅度误差）性能有关，当TX EVM=3%时，下行256QAM相对于最高调制为64QAM时，最大频谱效率增益为0%～22%。而多小区组网的系统级仿真结果表明，对于室外宏微异频异构组网场景，小区平均吞吐量增益约为0%～5%，对于室内宏微异频异构组网场景，小区平均吞吐量增益约为5%～13%[7]。如EVM指标恶化至4%以上，则256QAM的增益会变得不明显，有仿真结果表明，当EVM=8%时，即使RSSINR大于30 dB，下行256QAM也基本无增益[8]。

上行64QAM增益还与基站接收天线数量、上行负荷等因素有关。根据仿真结果[9]，上行双天线接收（1T2R）时，64QAM相对于16QAM的链路级峰值增益约为40%；上行四天线接收（1T4R）时，峰值增益约为50%。而系统级仿真结果表明，上行1T2R时，64QAM相对于16QAM最大系统增益约为20%～30%；上行1T4R时，最大系统增益约为30%～40%，增益随着上行负荷的增加而减少，如图3所示[10]：

图3 上行64QAM系统仿真增益

所以，从理论上来说，高阶调制只有在低业务量的小区，或者用户更靠近基站的情况下，才有可能实现。如宏微组网场景下的小基站，每个小基站里面的用户数量比较少，网络负荷和干扰水平较低的情况下有可能启用高阶调制；或者用户位于基站的近点，可获得较高的信噪比，也可能获得高阶调制增益。

3 性能测试及增益评估

3.1 实验室测试结果

在实验室环境下，采用支持下行256QAM功能的LTE-A基站设备和测试终端，基站和终端之间经过信道模拟器连接，测试不同信道条件下的256QAM性能。特定设备的测试结果为：在静态信道条件下，RS-SINR＞25 dB时，全部采用256QAM，增益为0%～29%；17 dB＜RS-SINR＜25 dB时，调制方式在256QAM和64QAM之间转换；RS-SINR＜17 dB时，全部转为64QAM及以下调制方式。虽然256QAM理论峰值增益为33%，但在全部采用256QAM调制方式的区间内，其增益随SINR恶化而降低，实际增益范围约为0%～29%。在256QAM和64QAM转换区间内，启用256QAM不一定具有正增益。如图4所示，在EPA 5 Hz信道条件下，256QAM的增益会更小，如图5所示。

图4 下行256QAM吞吐量与RS-SINR的关系（静态信道）

图5 下行256QAM吞吐量与RS-SINR的关系（EPA 5 Hz信道）

上行64QAM测试结果也呈现类似的趋势，由于测试环境无法导出上行链路的信噪比数据，这里用上行吞吐量和下行RSRP的关系代替。特定设备的测试结果为：在静态信道条件下，RSRP＞-98 dBm时，全部采用64QAM调制，增益为0%～36%；RSRP＜-99 dBm时，全部转为16QAM或以下调制方式。如图6所示，在EPA 5 Hz信道条件下，上行64QAM的增益会小一些，如图7所示。

图6 上行64QAM吞吐量与RSRP的关系（静态信道）

图7 上行64QAM吞吐量与RSRP的关系（EPA 5 Hz信道）

3.2 现网增益评估

结合实验室测试结果和LTE现网覆盖测试数据，可以对高阶调制在实际网络中的增益进行预评估。下行256QAM增益评估的方法为：假设在RS-SINR为S(S1, S2, S3, …, Sn)的位置，实验室测试256QAM打开前对应的速率为A(A1, A2, A3, …, An)，打开后对应的速率为B(B1, B2, B3, …, Bn)。现网覆盖测试RS-SINR为(S1, S2, S3, …, Sn)的采样点占比分别为X(X1, X2, X3, …,Xn)，则下行256QAM的平均增益为：

上行64QAM增益的预评估方法类似，只是RSSINR改为RSRP(R1, R2, R3, …, Rn)，同样根据不同RSRP位置对应的上行64QAM打开前后的速率以及该位置采样点比例，计算上行64QAM的平均增益，同公式(6)。

以区域类型为大城市的某LTE网络测试结果为例，假设网络中所有终端均支持下行256QAM和上行64QAM，信道条件统一用EPA 5 Hz。用以上方法预估下行256QAM在室外区域可能获得的平均增益约为2%，室内覆盖区域可能获得的平均增益约为10%，如表1所示；上行64QAM在室外区域可能获得的平均增益约为12%～15%，室内区域获得的增益约为13%，如表2所示。考虑到采样点数量较多，可以认为该结果对于评估高阶调制在较大规模的城区可能获得的系统增益具有一定的参考意义。

表1 某区域下行256QAM增益预估

表2 某区域上行64QAM增益预估

但也要注意到，具体到不同的基站/建筑物，LTE覆盖质量可能差异很大，在某些覆盖特别好或信道条件更为稳定的区域可能获得比上述案例更高的增益，在某些覆盖差的区域可能增益并不理想。对于室内覆盖区域，此处主要评估双通道（支持2×2MIMO）的场景，对于部分只支持单通道的室内覆盖系统，其上行64QAM的增益估计应该更为保守。另外，本文假设了网络中所有终端均支持下行256QAM和上行64QAM，实际还需要考虑终端渗透率的影响。

4 结束语

本文对LTE网络中的调制增强技术，包括下行256QAM调制技术、上行64QAM调制技术的技术特点及影响性能的相关因素进行了分析，并结合实验室测试结果和LTE现网信号覆盖质量，对高阶调制技术在不同场景中的性能进行了预评估。相关分析表明，下行256QAM技术在室内覆盖环境下具备一定的增益，但在较为密集的室外宏站环境下增益不明显。上行64QAM在室外宏站环境下，以及室内覆盖环境下均具有较为明显的增益。运营商可根据业务、网络和终端的发展情况，并结合实际部署场景，选择是否需要启用高阶调制技术。

[1] 3GPP TR 36.913 V11.0.0. Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced)(Release 11)[S].2016.

[2] C E Shannon. A mathematical theory of communication[M]. Bell System Tech, 1948.

[3] John G Proakis. Digital Communications[Z]. 2001

[4] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband[M]. 2011.

[5] Stephen G Wilson. 数字调制与编码[M]. 北京： 电子工业出版社, 1998.

[6] 3GPP TS 36.211 V12.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation(Release 12)[S]. 2011.

[7] 3GPP TR 36.872 V12.1.0. Technical Specif i cation Group Radio Access Network;Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN - Physical layer aspects(Release 12)[S]. 2015.

[8] 3GPP R1-132492. Higher order modulation for small cells, Qualcomm Inc[R]. 2015.

[9] 3GPP R1-070648. Addition of 64 QAM for UL, Qualcomm Europe[R]. 2015.

[10] 3GPP R1-070469. SU-MIMO and 64-QAM in E-UTRA Uplink, Ericsson[R]. 2015. ★

High-order Modulations in LTE and their Performance Analysis

WU Jinlian1, LI Ping2
(1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China;2. Guangdong Branch of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510032, China)

In order to improve the capacity of the air interface for LTE, downlink 256QAM and uplink 64QAM high-order modulation techniques and their performance were analyzed. The performance gain of high-order modulation techniques in actual networks was evaluated according to the tested results in laboratory and wireless signal coverage quality in existing LTE networks. Research results demonstrate that high-order modulation has a signi fi cant gain in indoor scenario.

LTE high-order modulation downlink 256QAM uplink 64QAM

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.007

TN929.53

A

1006-1010(2017)17-0034-05

吴锦莲,厉萍. LTE中的高阶调制技术及其性能分析[J]. 移动通信, 2017,41(17)： 34-38.

2017-08-25

责任编辑：黄耿东 huanggengdong@mbcom.cn

吴锦莲：高级工程师，毕业于北京邮电大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院，主要研究方向为移动通信系统新技术。

厉萍：高级工程师，硕士毕业于华南理工大学，现任职于中国电信股份有限公司广东分公司，主要研究方向为移动通信网络规划建设。