LTE-Hi系統(tǒng)室內(nèi)場(chǎng)景下256QAM性能研究

劉珊，陶成，劉留

(北京交通大學(xué)寬帶無(wú)線移動(dòng)通信研究所，北京 100044)

LTE-Hi系統(tǒng)室內(nèi)場(chǎng)景下256QAM性能研究

劉珊，陶成，劉留

(北京交通大學(xué)寬帶無(wú)線移動(dòng)通信研究所，北京 100044)

為解決室內(nèi)及熱點(diǎn)地區(qū)流量激增的問(wèn)題，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織在Release12(R12)中提出了LTE-Hi，由于其覆蓋場(chǎng)景的特殊性可以考慮引入256QAM調(diào)制提升系統(tǒng)性能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出的256QAM編碼表，推導(dǎo)了一種基于判決邊界的軟解調(diào)算法。通過(guò)仿真LTE-Hi場(chǎng)景下終端SINR的分布說(shuō)明256QAM的可行性，并根據(jù)針對(duì)256QAM調(diào)制而改變的CQI/MCS/TBS信令配置鏈路仿真，得到不同EVM下256QAM相較于64QAM的吞吐量。最后，比較了LTE-Hi在不同室內(nèi)場(chǎng)景中引入256QAM之后系統(tǒng)的性能。

LTE-Hi;256QAM;EVM;性能增益

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，智能終端的種類以及業(yè)務(wù)需求越來(lái)越多樣化。根據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)無(wú)線通信會(huì)呈現(xiàn)兩大趨勢(shì):一方面，從業(yè)務(wù)場(chǎng)景看，無(wú)線數(shù)據(jù)流量的需求主要發(fā)生在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)［1］;另一方面，從頻率看，未來(lái)無(wú)線通信數(shù)據(jù)需求的潛在頻率主要集中在3 GHz以上的高頻段，而高頻段損耗大、覆蓋能力差，如只采用傳統(tǒng)的宏基站加分站點(diǎn)解決LTE的覆蓋和熱點(diǎn)數(shù)據(jù)流量問(wèn)題難度大，且效果不好。

為了解決全球無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量飛速增長(zhǎng)的問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP在2012年9月啟動(dòng)的R12標(biāo)準(zhǔn)化工作中提出了LTE的演進(jìn)技術(shù)LTE-Hi(LTE hotspot/indoor)［2］，此項(xiàng)技術(shù)是通過(guò)在熱點(diǎn)以及室內(nèi)部署低功率小基站，小基站的工作頻率為3.5 GHz甚至更高，并應(yīng)用合適的增強(qiáng)技術(shù)(比如高階調(diào)制、小小區(qū)開關(guān)、動(dòng)態(tài)TDD等)來(lái)使得LTE-Hi系統(tǒng)具備更高速率、更低成本、更高的頻 譜 效 率［3］。

在 LTE物理層標(biāo)準(zhǔn) TS36.211［4］中，定義了業(yè)務(wù)信道可以支持的調(diào)制方式，包括QPSK、16QAM和64QAM。LTE-Hi是針對(duì)室內(nèi)以及熱點(diǎn)地區(qū)的小范圍覆蓋，覆蓋場(chǎng)景與傳統(tǒng)LTE宏基站差異很大，無(wú)線信號(hào)傳輸經(jīng)歷的信道條件也大不相同。在LTE-Hi中，基站距離用戶較近，多徑時(shí)延相對(duì)宏基站覆蓋較小，信道的頻率選擇性較弱。同時(shí)，用戶在室內(nèi)及熱點(diǎn)的移動(dòng)速度很低，多普勒效應(yīng)不明顯，信道的時(shí)間選擇性衰落也較弱［6］。另外，LTE-Hi場(chǎng)景傳播經(jīng)歷的路徑損耗相對(duì)緩慢，雖然存在相鄰小區(qū)干擾，但在周圍干擾基站分布密度不是太大的情況下，用戶距離基站較近，接收到信號(hào)的SINR(signal to interference plus noise ratio，信干噪比)分布比更理想，基于以上提到的較好的信道條件，可以引入更高階調(diào)制256QAM來(lái)提升編碼效率以及系統(tǒng)容量。在最新LTE物理層標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將256QAM作為最大可支持的調(diào)制方式寫入。

理論上，256QAM的引入能夠顯著提升頻譜效率，但是高階調(diào)制星座點(diǎn)密集，對(duì)誤差的靈敏度增加，除了對(duì)信噪比的要求增高，同時(shí)對(duì)發(fā)射機(jī)EVM(error vector magnitude，誤差矢量幅度)的要求也增高。同時(shí)，由于LTE現(xiàn)有的關(guān)于編碼調(diào)制的信令都最大支持到64QAM，引入256QAM后，需要對(duì)現(xiàn)有的信令進(jìn)行修改。

本文首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的256QAM的星座圖確定了其編碼方式，并推導(dǎo)相應(yīng)的解碼模塊。根據(jù)LTE下行數(shù)據(jù)發(fā)送流程［4，5］，搭建了 LTE-Hi物理層下行鏈路仿真平臺(tái)，仿真了在高斯信道中256QAM調(diào)制不同編碼效率時(shí)誤塊率跟信噪比的關(guān)系，并把誤塊率為0.1作為閾值，計(jì)算相應(yīng)的頻譜效率，得到256QAM的增益范圍，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)模型仿真了LTE-Hi室內(nèi)場(chǎng)景用戶的SINR分布，說(shuō)明了256QAM在LTE-Hi場(chǎng)景中的可行性。最后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中與256QAM對(duì)應(yīng)的新的CQI/MCS/TBS信令表的設(shè)計(jì)，在鏈路中評(píng)估了256QAM在發(fā)送和接收端有無(wú)EVM時(shí)相較于64QAM的吞吐量，并在LTE-Hi兩種不同的室內(nèi)場(chǎng)景中，根據(jù)SINR選擇對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式以及傳輸塊大小，評(píng)估引入256QAM對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響。

2 系統(tǒng)模型

本 文 按 照 3GPP 標(biāo) 準(zhǔn)［7，8］中 定 義 的 LTE-Hi室 內(nèi) 熱 點(diǎn)場(chǎng)景建立了系統(tǒng)模型，室內(nèi)場(chǎng)景的部署如圖1所示，分為室內(nèi)稀疏模型與密集模型，稀疏模型是在建筑物走廊部署兩個(gè)LTE-Hi基站，兩個(gè)基站相隔60 m，走廊兩邊各有8個(gè)房間，每個(gè)房間長(zhǎng)寬都為15 m，走廊總長(zhǎng)為120 m，寬45 m。密集模型則是在走廊布置4個(gè)LTE-Hi基站，每個(gè)基站相隔30 m，LTE-Hi基站采用的載波頻率為3.5 GHz，與宏基站異頻。宏蜂窩場(chǎng)景如圖2所示，為現(xiàn)有的正六邊形蜂窩小區(qū)，小區(qū)半徑為500 m，小區(qū)個(gè)數(shù)為 7，基站采用定向天線，每個(gè)宏蜂窩分為3個(gè)扇區(qū)。LTE-Hi以及傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)模型的用戶都以隨機(jī)撒點(diǎn)的方式分布在房間以及扇區(qū)內(nèi)。

圖1 LTE-Hi室內(nèi)場(chǎng)景

圖2 宏蜂窩場(chǎng)景

在LTE系統(tǒng)中，用戶終端體積小，發(fā)送功率往往受限，所以上行鏈路數(shù)據(jù)處理并未考慮引入256QAM調(diào)制，本文的仿真以及討論都是基于LTE下行鏈路。圖3是根據(jù)LTE物 理 層 標(biāo) 準(zhǔn) TS36.211［4］以 及 TS36.212［5］搭 建 的 基 站 到 終 端的下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理流程，由上層傳遞的數(shù)據(jù)流在發(fā)送端經(jīng)過(guò)一系列處理形成OFDM符號(hào)并由發(fā)射天線發(fā)出，在經(jīng)過(guò)信道衰落后，接收端按步驟將信號(hào)解調(diào)并進(jìn)行校驗(yàn)，確定此數(shù)據(jù)流是否正確傳輸。

LTE-Hi鏈路處理流程中的QAM調(diào)制模塊將最大支持的64QAM擴(kuò)展到256QAM，數(shù)據(jù)塊的大小以及QAM調(diào)制的階數(shù)都是基站根據(jù)用戶反饋的信道質(zhì)量進(jìn)行調(diào)度。協(xié)議TS36.213［9］中，終端會(huì)將信道質(zhì)量映射成4 bit的 CQI(channel quality indicator，信道質(zhì)量指示)信令并通過(guò)上行信道傳給基站，基站CQI再對(duì)應(yīng)5 bit的MCS(modulation and coding scheme，調(diào)制編碼方案)選擇合適的調(diào)制編碼方式，本文仿真鏈路處理涉及選擇調(diào)制階數(shù)以及傳輸塊大小時(shí)則根據(jù)信噪比映射的信令來(lái)配置傳輸塊大小和調(diào)制階數(shù)。

3 256QAM調(diào)制

256QAM為8階QAM調(diào)制，每8位二進(jìn)制數(shù)規(guī)定了256種狀態(tài)中的一種。標(biāo)準(zhǔn)TS36.213［9］給出的 256QAM 編碼表，也就確定了256QAM的星座圖，采用格雷碼編碼，編碼后信號(hào)s可以表示為:

其中，bi代表8 bit數(shù)據(jù)中的第i個(gè)比特，最后信號(hào)乘以標(biāo)量將能量歸一化。I函數(shù)和Q函數(shù)分別定義如下:

LTE的信道編碼有兩種，分別為Turbo編碼和咬尾卷積碼，除物理廣播信道外，其他信道都采用Turbo編碼方式，由于Turbo碼在進(jìn)行迭代譯碼時(shí)，為了提高信道解碼增益，需要軟輸入信息，所以在解調(diào)端對(duì)QAM編碼進(jìn)行解調(diào)時(shí)，不能進(jìn)行硬判決［11］。LLR(log likelihood ratio，對(duì)數(shù)似然比)用來(lái)計(jì)算QAM信號(hào)軟判決度量值。假設(shè)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)高斯信道或多徑衰落信道被均衡，接收信號(hào)可以表示為r=a+n/H=rI+rQ，n為均值為 0、方差為δ2的復(fù)高斯隨機(jī)噪聲。以256QAM為例，同相分量的LLR值可以表示為:

其中，LLRi表示接收信號(hào)同相分量中第i個(gè)比特的軟比特值，可以由式(4)看出LLR為正值時(shí)，取1的后驗(yàn)概率大于取0的后驗(yàn)概率，LLR值越大，取1的后驗(yàn)概率就越大。式(4)經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可等價(jià)為:

其中，C1表示bi=1的sI集合，C0表示bi=0的sI集合。上述方法運(yùn)算復(fù)雜并且包含指數(shù)運(yùn)算，本文基于參考文獻(xiàn)［12］提出了16QAM邊界法的軟解調(diào)算法，推導(dǎo)了256QAM的邊界法解調(diào)，在保證性能的同時(shí)大大減少了解調(diào)復(fù)雜度。

圖3 LTE-Hi物理層下行鏈路處理流程

圖4 256QAM調(diào)制信號(hào)同相分量的判決邊界

圖4為256QAM的星座點(diǎn)及信號(hào)同相分量的判決邊界，可以看出C0、C1都有一個(gè)邊界，將此邊界作為判決邊界。接收信號(hào)越遠(yuǎn)離判決邊界，判決準(zhǔn)確性就越高。同相分量第一位比特b1的判決邊界為I=0，因?yàn)镮=0的右邊b1全部為0，而左邊b1全部為 1，所以 rI的值距離判決邊界I=0的右邊越遠(yuǎn)，b1為1的可能性越大。b3的判決邊界 I=8d 和 I=-8d，當(dāng)｜rI｜＞8d 判為 1，越大于 8d，為 1 的 似然度越高，b5的判決邊界為±4d 和±12d，在 4d＜｜rI｜＜12d 時(shí)判為 0，b7的判決邊界為±2d、±6d、±10d、±14d，在 2d＜｜rI｜＜6d 或 10d＜｜rI｜＜14d 時(shí)判為 0，其他情況判為 1。根據(jù)上述描述，同相分量每位的LLR值如式(6)所示，同樣方法可以得到正交分量的LLR值，信號(hào)的軟比特信息就被完全解調(diào)出來(lái)。

4 256QAM可行性分析

誤塊率是傳輸數(shù)據(jù)塊經(jīng)過(guò)CRC校驗(yàn)后的錯(cuò)誤概率，它可以反映系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，尤其對(duì)于鏈路級(jí)系統(tǒng)而言，是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。一般情況下，通信系統(tǒng)以10%的誤塊率作為判斷傳輸成功率的最大容忍界限［13］，下面將分析不同碼率下256QAM在誤塊率為10%時(shí)所需要達(dá)到的信噪比。

假設(shè)待傳輸數(shù)據(jù)塊占據(jù)一個(gè)LTE子幀中的PDSCH，可用資源塊個(gè)數(shù)為5，除去PDCCH(物理下行控制信道)占據(jù)的3個(gè)OFDM符號(hào)以及兩天線端口的小區(qū)專用參考信號(hào)，可用于信息傳輸?shù)馁Y源粒子數(shù)RE=600，若采用256QAM調(diào)制，可傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為4 800 bit，碼率CR=TBS/4 800，表1是根據(jù)可傳輸比特?cái)?shù)在標(biāo)準(zhǔn)中選取的傳輸塊大小，每個(gè)傳輸塊對(duì)應(yīng)一個(gè)碼率，按照LTE下行鏈路的數(shù)據(jù)處理流程，在AWGN信道下經(jīng)過(guò)多次仿真得到圖5的結(jié)果。

圖5 256QAM調(diào)制方式下不同碼率的誤塊率跟信噪比關(guān)系

從圖5可以看出，隨著碼率的增加，要達(dá)到10%的容忍界限所需要的信噪比條件越高，碼率大于0.701 7時(shí)，達(dá)到容忍界限的信噪比開始超過(guò)20 dB。在圖5中可以得到誤塊率為10%時(shí)每個(gè)碼率的信噪比，代表應(yīng)用此碼率傳輸所需的最小信噪比，這個(gè)信噪比作為圖6中數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)，再通過(guò)碼率換算出256QAM所對(duì)應(yīng)的頻譜效率作為圖6的縱坐標(biāo)。頻譜效率SE=QmCR，其中Qm為調(diào)制階數(shù)，CR為編碼效率。按照此方法對(duì)QPSK、16QAM、64QAM的多種碼率進(jìn)行仿真，在誤塊率為10%時(shí)得到它們的信噪比跟頻譜效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以畫出不同調(diào)制方式信噪比與頻譜效率的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 不同調(diào)制方式誤塊率為0.1時(shí)信噪比與頻譜效率關(guān)系

從圖6可以看出，4種調(diào)制方式的曲線斜率依次增大，并且每一個(gè)更高階的調(diào)制方式都比前一較低階調(diào)制方式有頻譜效率上的突破和增長(zhǎng)，但同時(shí)對(duì)信噪比的要求也相應(yīng)地變高。就256QAM調(diào)制而言，相比于64QAM調(diào)制，它能夠帶來(lái)頻譜效率上大約33%的提高。同時(shí)，256QAM調(diào)制也需要增加8 dB左右信噪比，才能帶來(lái)這種增益。從仿真得出的曲線來(lái)看，當(dāng)信噪比大于20 dB時(shí)，256QAM調(diào)制的頻譜效率高于64QAM調(diào)制，所以在本文之后的討論中，將20 dB作為使用256QAM調(diào)制的閾值，若在LTE-Hi的應(yīng)用場(chǎng)景中，信道條件比較優(yōu)良，滿足信噪比為20 dB這個(gè)閾值的用戶比較多，則可以采用256QAM調(diào)制方式。

利用系統(tǒng)模型中給出的LTE-Hi的室內(nèi)場(chǎng)景以及LTE宏蜂窩場(chǎng)景的模型，隨機(jī)撒點(diǎn)模擬用戶分布，室內(nèi)模型均勻分布在房間內(nèi)，宏蜂窩模型均勻分布在扇區(qū)內(nèi)，宏基站發(fā)射功率為46 dBm，載波頻率為2 GHz，LTE-Hi小基站發(fā)送功率為30 dBm，載波頻率為3.5 GHz。室內(nèi)場(chǎng)景建模采用標(biāo)準(zhǔn)［14］中針對(duì) LTE-Hi的 InH(indoor and hotspot)信道模型，宏蜂窩則采用Uma(urban macro)信道模型，經(jīng)過(guò)仿真得到圖7用戶信干噪比的分布情況。

可以看出，在室內(nèi)基站稀疏部署場(chǎng)景下，大概有40%的用戶能夠達(dá)到信噪比20 dB以上，可以使用256QAM獲得增益，而室內(nèi)密集模型由于干擾比室內(nèi)稀疏模型嚴(yán)重，本仿真又并未采取干擾協(xié)調(diào)的相關(guān)技術(shù)，用戶信噪比超過(guò)閾值20 dB的只有20%，但性能還是優(yōu)于宏蜂窩場(chǎng)景下用戶的信干噪比分布，若考慮在實(shí)際系統(tǒng)中加入干擾協(xié)調(diào)的機(jī)制，用戶可達(dá)到的信干噪比條件會(huì)更好，由此可以說(shuō)明，在LTE-Hi場(chǎng)景中可以引入256QAM作為信道條件較好時(shí)的調(diào)制方式來(lái)提高系統(tǒng)性能。

表1 不同TBS以及對(duì)應(yīng)的編碼效率

圖7 不同場(chǎng)景下用戶SINR的分布

5 256QAM性能分析

5.1 256QAM的調(diào)制信令

在LTE-Hi系統(tǒng)下行鏈路中支持256QAM調(diào)制，需要對(duì)現(xiàn)有的調(diào)制編碼信令進(jìn)行修改，為了保證兼容性，保持信令的比特?cái)?shù)不變，CQI仍然為4 bit，其他仍為 5 bit，但 CQI表中最大頻譜效率需要擴(kuò)展，支持到64QAM的CQI表格中效率最高為5.554 7，256QAM的引入使得效率最大增加到5.554 78/6=7.406 3［15］，根據(jù)圖 6 所示結(jié)果，256QAM 的頻譜 效率在SNR=27 dB左右趨近飽和。參照CQI的制定準(zhǔn)則，256QAM的CQI指示的效率應(yīng)該在5.554 7～7.406 3中取一個(gè)比較平均的效率間隔，在R12標(biāo)準(zhǔn)最新版本的TS36.213協(xié)議中，用最后4個(gè)CQI來(lái)支持256QAM調(diào)制，見表2，最小的頻譜效率為64QAM的最大頻譜效率5.554 7，256QAM最大頻譜效率為7.406 3，對(duì)應(yīng)最大的CQI指示15。

表2 256QAM的CQI指示

相應(yīng)的，MCS指示表格以及TBS指示表格也加入了256QAM調(diào)制部分，MCS從序號(hào)20，TBS從序號(hào)25開始變?yōu)閷?duì)應(yīng)256QAM調(diào)制的部分，4個(gè)CQI指示以及每?jī)蓚€(gè)指示之間插入一種指示對(duì)應(yīng)表3中20～27的調(diào)制編碼方案，相應(yīng)的TBS指示為25～33，表4為資源塊數(shù)量小于5時(shí)，為適用256QAM調(diào)制改變的TBS數(shù)，本文在評(píng)估256QAM在鏈路以及系統(tǒng)中的性能時(shí)需要根據(jù)用戶的信噪比參照256QAM的信令指示配置調(diào)制編碼方案以及傳輸塊大小。

表3 256QAM對(duì)應(yīng)的MCS以及TBS指示

表4 不同RB數(shù)對(duì)應(yīng)的傳輸塊大小

5.2 仿真結(jié)果

在真實(shí)系統(tǒng)中，由于發(fā)射機(jī)射頻器件存在一定的誤差，導(dǎo)致發(fā)射的信號(hào)星座點(diǎn)存在偏移。理想無(wú)誤差基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的向量差定義為EVM。EVM是衡量發(fā)射機(jī)信號(hào)穩(wěn)定度的關(guān)鍵指標(biāo)［15］。如果發(fā)射機(jī)本身誤差矢量幅度過(guò)大，再加上傳播空間信道的干擾和噪聲，則很可能導(dǎo)致接收機(jī)解調(diào)失敗，因此在LTE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確定義了對(duì)發(fā)射機(jī) EVM指標(biāo)的要求，QPSK為 17.5%，16QAM為12.5%，64QAM為8%。由于調(diào)制階數(shù)越高，碼率越高，待傳輸星座點(diǎn)的抗干擾能力越低，256QAM作為高階調(diào)制，對(duì)發(fā)射機(jī)靈敏度要求很高，標(biāo)準(zhǔn)中初步定以EVM≤ 4%作為256QAM對(duì)發(fā)射器件靈敏的要求。

首先利用搭建的下行鏈路處理模型，根據(jù)信噪比選擇不同的碼率以及傳輸塊大小，比較256QAM與64QAM可達(dá)到的吞吐量。鏈路中具體的仿真參數(shù)見表5，載波頻率為L(zhǎng)TE-Hi小基站專用的3.5 GHz，帶寬為10 MHz，承載數(shù)據(jù)的資源塊為5個(gè)。為了評(píng)估EVM對(duì)不同調(diào)制方式的影響，同時(shí)仿真了在發(fā)射端和接收端添加一定比例的EVM時(shí)不同信噪比的吞吐量，最終得到圖8。

表5 仿真參數(shù)

根據(jù)提案［16］給出的 CQI與信噪比對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則以及針對(duì)256QAM的信令表，當(dāng)反饋的用戶信噪比大概為20 dB時(shí)，下行鏈路的數(shù)據(jù)信息使用256QAM調(diào)制，而開始使用64QAM調(diào)制的信噪比為11 dB，所以圖8(a)和8(b)信噪比的起始點(diǎn)不同，根據(jù)吞吐量曲線可以看出，相較于64QAM調(diào)制，256QAM對(duì)EVM更敏感，256QAM調(diào)制在鏈路中加入EVM后吞吐量的變化要遠(yuǎn)大于64QAM加入EVM后吞吐量的變化，這是因?yàn)?56QAM的星座點(diǎn)十分密集，少許干擾就會(huì)造成解調(diào)錯(cuò)誤。根據(jù)圖8中的曲線計(jì)算得到表6，在信噪比為25 dB，發(fā)送端、接收端都沒有加EVM時(shí)，使用256QAM調(diào)制得到的吞吐量增益為13.4%，信噪比為35 dB時(shí)，吞吐量增益增加到28.6%。發(fā)送端EVM=4%，信噪比為25 dB時(shí)吞吐量增益為3.4%，信噪比為35 dB時(shí)增益為17.2%。發(fā)送端、接收端都加4%的EVM時(shí)，信噪比在25 dB時(shí)吞吐量不存在增益，信噪比為35 dB時(shí)吞吐量增益為14.2%。吞吐量隨著信噪比增加而增加，但增加幅度越來(lái)越小，是由于受到TBS以及碼率的制約，比如64QAM調(diào)制在30 dB之后吞吐量幾乎不再增加，是因?yàn)樾旁氡冗_(dá)到足夠大時(shí)，已經(jīng)選用了最大的TBS作為碼字的長(zhǎng)度來(lái)傳輸，并且誤碼率幾乎為0，吞吐量也就不再增加。

表6 256QAM的吞吐量增益

評(píng)估了鏈路中256QAM及64QAM在不同的信噪比下吞吐量的情況之后，下面對(duì)LTE-Hi系統(tǒng)的吞吐量進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)系統(tǒng)仿真得到室內(nèi)場(chǎng)景用戶的SINR，根據(jù)信令表選擇不同的SINR對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式以及傳輸塊大小，最終得到整個(gè)系統(tǒng)中吞吐量的情況，室內(nèi)稀疏場(chǎng)景以及密集場(chǎng)景在未引入256QAM以及引入256QAM之后的吞吐量變化如圖9所示。

圖8 不同調(diào)制方式吞吐量對(duì)比

圖9 LTE-Hi室內(nèi)場(chǎng)景下引入256QAM吞吐量增益

可以看出，在室內(nèi)稀疏場(chǎng)景中，引入256QAM之后系統(tǒng)吞吐量由原來(lái)的19.1 Mbit/s變?yōu)?23.2 Mbit/s，增益為20.9%，而在室內(nèi)密集場(chǎng)景中，引入256QAM調(diào)制后系統(tǒng)吞吐量由原來(lái)的17.1 Mbit/s變?yōu)?8.4 Mbit/s，增益為8.3%，這是因?yàn)樵谑覂?nèi)密集場(chǎng)景中，用戶受到的干擾要比稀疏場(chǎng)景大，稀疏場(chǎng)景中有40%的用戶達(dá)到信噪比閾值，可以使用256QAM調(diào)制，而密集場(chǎng)景只有20%的用戶可以使用256QAM調(diào)制，總體來(lái)說(shuō)，引入256QAM可以給LTE-Hi系統(tǒng)帶來(lái)較為顯著的吞吐量的增益，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，若加入相應(yīng)的干擾協(xié)調(diào)方案，256QAM帶來(lái)的增益會(huì)更加明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

LTE-Hi作為一種解決室內(nèi)以及熱點(diǎn)地區(qū)流量激增問(wèn)題的LTE演進(jìn)技術(shù)，在R12標(biāo)準(zhǔn)中一提出就受到很大關(guān)注，而256QAM高階調(diào)制作為一種提高頻譜效率的增強(qiáng)型技術(shù)，也受到廣泛研究。本文根據(jù)協(xié)議中提出的256QAM星座圖，推導(dǎo)了復(fù)雜度低的基于判決邊界的軟解調(diào)算法，并將此用在下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝AM解調(diào)模塊，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有宏蜂窩以及LTE-Hi室內(nèi)小蜂窩建模得到的用戶SINR分布，分析了256QAM的可行性。在鏈路中仿真對(duì)比256QAM以及64QAM的吞吐量與SNR的關(guān)系，并在發(fā)送端和接收端加入了一定比例的EVM，得出256QAM在高信噪比時(shí)吞吐量比64QAM高近30%，但EVM對(duì)256QAM的影響較大。最后，根據(jù)LTE-Hi室內(nèi)兩個(gè)場(chǎng)景中用戶的信道情況，選擇不同的調(diào)制編碼方式，得到了系統(tǒng)中引入256QAM帶來(lái)的增益，仿真結(jié)果表明，在室內(nèi)稀疏場(chǎng)景下引入256QAM會(huì)給LTE-Hi系統(tǒng)帶來(lái)較顯著的性能提升。

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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

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目 (No.2015JBM011)

劉珊(1991-)，女，北京交通大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)TE-Hi物理層關(guān)鍵技術(shù)。

陶成(1963-)，男，北京交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闀r(shí)變信道物理層信號(hào)處理、高鐵無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等。

劉留(1981-)，男，北京交通大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線信道測(cè)量與建模。