張慶，郭華*

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司，江蘇 南京 210029）

1 引言

傳統(tǒng)的3G網(wǎng)絡(luò)已不能滿(mǎn)足室內(nèi)、慢速移動(dòng)、熱點(diǎn)等有大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)需求，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高的要求。針對(duì)高頻室內(nèi)慢速移動(dòng)的熱點(diǎn)這一特定的應(yīng)用場(chǎng)景，現(xiàn)有的IEEE 802 11ac（Wi-Fi）標(biāo)準(zhǔn)在理論上使用160 M帶寬，8×8 MIMO的8個(gè)空間流可以實(shí)現(xiàn)最高6.93 Gbit·s-1的傳輸速率。而基于現(xiàn)有的IMT-Advance標(biāo)準(zhǔn)的物理層無(wú)法達(dá)到如此高的數(shù)據(jù)速率來(lái)滿(mǎn)足這一特定又是很普遍的應(yīng)用場(chǎng)景。

同時(shí)，室內(nèi)、慢速移動(dòng)、熱點(diǎn)的場(chǎng)景意味著該場(chǎng)景具有信噪比較高、信道比較穩(wěn)定和信道散射豐富等特性，也即可以通過(guò)高階調(diào)制和高階多天線(xiàn)來(lái)提升用戶(hù)的峰值吞吐率和系統(tǒng)的頻譜效率。但是在3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，對(duì)這兩個(gè)技術(shù)帶來(lái)的性能約束、非線(xiàn)性的復(fù)雜度增加、高效低開(kāi)銷(xiāo)的單用戶(hù)多流自適應(yīng)技術(shù)等，都將限制高階調(diào)制和高階多天線(xiàn)技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用比例，降低了對(duì)單用戶(hù)峰值以及系統(tǒng)頻譜效率提升的效果。因此，需基于該場(chǎng)景信道的特點(diǎn)，考慮需求與現(xiàn)有IMT-Advance標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，對(duì)增強(qiáng)物理層性能的關(guān)鍵技術(shù)做深入的研究。

在運(yùn)營(yíng)商分配到無(wú)線(xiàn)頻段非常有限的情況下，采用高階無(wú)線(xiàn)調(diào)制技術(shù)是提升頻譜資源利用率的最有效手段。在LTE系統(tǒng)中，物理共享信道（PDSCH）支持三種調(diào)制方式：QPSK、16QAM和64QAM，其對(duì)應(yīng)的最高調(diào)制頻譜效率為6比特/符號(hào)。為了滿(mǎn)足高速熱點(diǎn)接入速率的要求，系統(tǒng)需要能支持更高階的調(diào)制方式，比如256QAM（頻譜利用率可達(dá)LTE 16QAM的2倍，64QAM的4/3倍）。

2 TD-LTE高階調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)256QAM介紹

針對(duì)TD-LTE高頻高速熱點(diǎn)接入系統(tǒng)的高頻譜利用率、高可靠性、低速移動(dòng)場(chǎng)景、實(shí)時(shí)通信的特點(diǎn)，引入256QAM等高階調(diào)制技術(shù)來(lái)提升容量時(shí)，迫切需要研發(fā)能在帶寬和功率有限的信道中解決上述問(wèn)題、進(jìn)行有效高階（256QAM）調(diào)制的編碼調(diào)制技術(shù)，真正發(fā)揮256QAM等高階調(diào)制的優(yōu)勢(shì)。為了將來(lái)能解決上述問(wèn)題，本文從針對(duì)高階調(diào)制的增強(qiáng)編碼調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)點(diǎn)開(kāi)展研究，開(kāi)發(fā)出具用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新高階調(diào)制技術(shù)方案。

2.1 256QAM的星座圖和映射關(guān)系

256QAM的格雷映射的星座圖如圖1所示，每輸入8個(gè)bit按調(diào)制階數(shù)映射到星座點(diǎn)圖上，并輸出相應(yīng)的星座點(diǎn)復(fù)數(shù)值。

256QAM軟解調(diào)算法描述如下：

圖1 256QAM星座點(diǎn)圖表

2.2 引入256QAM的鏈路適配設(shè)計(jì)

QPSK/16QAM/64QAM/256QAM的SNR與譜效率性能曲線(xiàn)如圖2所示。由圖可以看出：256QAM在19 dB以上就能獲得比64QAM高的吞吐率，而當(dāng)信噪比達(dá)到27 dBm左右時(shí)通過(guò)256QAM的高階調(diào)制，可以達(dá)到峰值速率。這個(gè)工作區(qū)間是在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，尤其是熱點(diǎn)小區(qū)的場(chǎng)景中比較常見(jiàn)的終端的工作范圍，因此可以判斷256QAM能夠給熱點(diǎn)小區(qū)帶來(lái)明顯的性能增益。

2.3 256QAM的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LTE的上行和下行分別采用了基于OFDM和DFTS-OFDM的幀結(jié)構(gòu)，對(duì)于RF器件，DFT-S-OFDM在一定發(fā)射功率范圍內(nèi)可以保持恒定1.8%的EVM（16QAM），而OFDM為3.5%左右（64QAM）；OFDM在發(fā)射功率為22.3 dB時(shí)能達(dá)到4% EVM，而DFT-S-OFDM則為17 dBm。DFT-S-OFDM的PAPR要遠(yuǎn)小于OFDM，并且提供了5.3 dB的功放效率增益。

DFT-S-OFDM能夠提供更低的EVM，更適合用于256QM。但隨著器件能力的不斷提升，不排除未來(lái)OFDM也能滿(mǎn)足256QAM的EVM需求，并且使用OFDM可以大大地簡(jiǎn)化的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，OFDM和DFT-S-OFDM都是下行幀結(jié)構(gòu)選項(xiàng)。

圖2 256QAM工作區(qū)間

2.4 256QAM的BICM迭代解調(diào)接收技術(shù)

圍繞高階調(diào)制，深入研究其對(duì)應(yīng)的先進(jìn)發(fā)射和增強(qiáng)接收技術(shù)，是提高無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)頻譜利用率最直接的方法。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的調(diào)制階束限制在64QAM，而在信噪比高的室內(nèi)信道下，是否可以采用256QAM，使得頻譜效率提高到原來(lái)的4/3倍成為問(wèn)題，同時(shí)，為了標(biāo)準(zhǔn)256QAM的可靠傳輸，需要深入研究對(duì)應(yīng)的先進(jìn)的編碼調(diào)制發(fā)射技術(shù)以及增強(qiáng)接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速率、高可靠性和低復(fù)雜度的傳輸。與此同時(shí)，信道編碼技術(shù)通過(guò)增加信息冗余度來(lái)保障傳輸?shù)目煽啃?，但相?yīng)地降低了信息傳輸速率?；诓⑿星蚁嗷オ?dú)立的比特交織器的比特交織編碼調(diào)制（BICM）系統(tǒng)雖然不是理論上的最優(yōu)編碼調(diào)制方案，但由于其信道編碼和調(diào)制方式可以進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)，在LTE以及LTE-Advance系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。在低階調(diào)制下，BICM的高斯信道容量基本上逼近編碼調(diào)制系統(tǒng)容量。但是當(dāng)調(diào)制方式推進(jìn)到高階調(diào)制時(shí)，Carie在經(jīng)典的BICM論文“Bit-Interleaved Coded Modulation”中指出，BICM的高斯信道容量在高階調(diào)制下比編碼調(diào)制系統(tǒng)的信道容量會(huì)有比較大的損失，比如在256QAM，信道容量為3比特/傳輸下，BICM容量的損失超過(guò)3 dB；當(dāng)信道容量提高到7比特/傳輸時(shí)，BICM容量的損失仍然有0.5 dB。

BICM系統(tǒng)在高斯信道下性能劣于編碼調(diào)制系統(tǒng)容量的原因在于，比特交織固有的隨機(jī)調(diào)制導(dǎo)致了譯碼空間自由歐式距離的減小。目前解決上述問(wèn)題比較做有效方法是通過(guò)在BICM系統(tǒng)中疊加迭代解映射（BICMID）方式進(jìn)行算法優(yōu)化。理論研究表明，采用迭代解映射后的BICM系統(tǒng)，在高斯信道下都能獲得額外迭代增益，逼近編碼調(diào)制系統(tǒng)容量。該處理方法帶來(lái)的問(wèn)題是譯碼復(fù)雜度的提高，另外還需軟信息（LLR）值交織器和解交織器協(xié)助。與此同時(shí)，之前關(guān)于BICMID的研究基本上和BICM一樣，集中在8PSK、16QAM和64QAM，對(duì)于更高階的調(diào)制方式的研究基本上是空白。值得注意的是，在高階星座圖調(diào)制的另外一個(gè)特點(diǎn)是星座圖中不同位置比特的可靠性能是不一樣，如何結(jié)合BICM-ID充分調(diào)動(dòng)其不等保護(hù)能力，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的頻譜利用率是該課題的關(guān)鍵點(diǎn)。

與此同時(shí)，在LTE和IMT-Advancede系統(tǒng)中，幾種分集技術(shù)，比如時(shí)間分集、頻率分集和空間分集已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。雖然它們可提供較好的性能，但是需要冗余的功率或者帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。而信號(hào)空間分集（SSD）技術(shù)則不同于上述，其原理是對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)制星座旋轉(zhuǎn)一定的角度，使得任何2個(gè)星座點(diǎn)在I、Q兩路上的分量差異最大，從而保證了在傳輸系統(tǒng)在衰落信道下不犧牲多余的功率和帶寬獲取較大的性能增益。因此利用信號(hào)空間分集技術(shù)于高階調(diào)制的傳輸系統(tǒng)是否可以獲得相近或更好的性能，也是值得探討的問(wèn)題。

與BICM相對(duì)的是多級(jí)編碼（MLC）技術(shù)，傳統(tǒng)的MLCs算法核心是通過(guò)使用不同級(jí)上的不同碼來(lái)實(shí)現(xiàn)不同信息位的保護(hù)，以保證信息的安裝加密。其存在兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其一，分量碼的選擇。在信道容量規(guī)則下，分量碼碼率的選擇至關(guān)重要。其二，星座圖映射規(guī)則。不同的映射方案對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響很大。理論研究表明，基于多級(jí)譯碼（MSD）的MLC系統(tǒng)，只要各級(jí)分量碼碼率被正確選取，編碼調(diào)制系統(tǒng)信道容量是可達(dá)的。當(dāng)采用高階調(diào)制技術(shù)時(shí)，由于高級(jí)調(diào)制技術(shù)的引入，增加了各級(jí)分量碼信道容量的計(jì)算變的難度，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將變得不靈活，同時(shí)MSD的譯碼過(guò)程變的異常復(fù)雜而不實(shí)際，這限制了MLC在實(shí)際傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于MLC良好的性能，因此將著重研究在高階調(diào)制下，MLC與BICM-ID系統(tǒng)的融合，以求性能與復(fù)雜度、時(shí)延之間的折中。

3 TD-LTE高階調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新性分析：傳輸方案優(yōu)化

在傳輸方案中，考慮到未來(lái)TD-LTE系統(tǒng)中可以采用多個(gè)編碼器的特點(diǎn)，可以通過(guò)將MLC和BICM-ID融合在一起，進(jìn)一步挖掘高階調(diào)制下的系統(tǒng)頻譜利用率。因此，將聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)利用MLC、不等保護(hù)和星座映射標(biāo)識(shí)優(yōu)化的BICM-ID傳輸方案：一個(gè)256QAM調(diào)制符號(hào)分為兩個(gè)大小為4比特的比特組映射而成，其中，一個(gè)4比特組合來(lái)自信道編碼器1，另外一個(gè)來(lái)自信道編碼器2，同一個(gè)比特組合內(nèi)的比特之間通過(guò)一個(gè)比特交織器去掉相關(guān)性。因此，通過(guò)信道容量原則，可以聯(lián)合優(yōu)化兩個(gè)信道編碼器的碼率以及映射標(biāo)識(shí)，即比特在256QAM符號(hào)上的位置。而同一比特組合之間通過(guò)不等保護(hù)提高系統(tǒng)的性能。在接收端，同一比特組合之間通過(guò)迭代譯碼來(lái)提高系統(tǒng)性能，不同組合之間也通過(guò)迭代譯碼在256QAM解調(diào)上更新LLR來(lái)提高系統(tǒng)性能。綜上所述，BICM-ID系統(tǒng)性能跟星座映射標(biāo)識(shí)有緊密的聯(lián)系，而MLC分量碼碼率也依賴(lài)于星座映射標(biāo)識(shí)，同時(shí)不等保護(hù)也離不開(kāi)星座映射標(biāo)識(shí)。因此如何進(jìn)行星座映射標(biāo)識(shí)的聯(lián)合優(yōu)化，以較少的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)獲得的較高的系統(tǒng)頻譜利用率是本方案的核心。傳輸方案流程圖如圖3所示。

由于無(wú)限長(zhǎng)的理想交織器在實(shí)際系統(tǒng)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此即使在經(jīng)過(guò)比特交織器后的同一調(diào)制符號(hào)內(nèi)的比特之間，仍然會(huì)保留著編碼和調(diào)制過(guò)程的相關(guān)信息，利用該相關(guān)性對(duì)提高譯碼性能有促進(jìn)作用。在經(jīng)典的BICM接收機(jī)中，比如LTE系統(tǒng)接收機(jī)，在譯碼處理過(guò)程中將同一個(gè)調(diào)制符號(hào)中的比特分離，需將它們變成相互獨(dú)立的、并行子信道信息進(jìn)行并行處理，忽略了同一調(diào)制符號(hào)中比特間信息的相互關(guān)聯(lián)性，因此造成了調(diào)制與解調(diào)之間的不匹配，導(dǎo)致性能的提升存在瓶頸，尤其該部分的性能損失會(huì)隨著調(diào)制階數(shù)的增加而增大。而近年來(lái)，為解決上述問(wèn)題，利用因子圖，無(wú)線(xiàn)研究者提出了基于符號(hào)的最優(yōu)譯碼算法?；诜?hào)的最優(yōu)譯碼算法在譯碼信息迭代過(guò)程中的符號(hào)節(jié)點(diǎn)圖，通過(guò)對(duì)解調(diào)和譯碼的聯(lián)合優(yōu)化來(lái)提高性能。雖然BICM系統(tǒng)的最優(yōu)譯碼算法在理論上能逼近容量的譯碼性能，但是最優(yōu)譯碼算法復(fù)雜度卻跟調(diào)制階數(shù)成指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，嚴(yán)重制約著該最優(yōu)譯碼算法在實(shí)際系統(tǒng)中的推廣。

針對(duì)當(dāng)前技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在高階調(diào)制BICM系統(tǒng)中，通過(guò)提升高頻譜利用率、對(duì)低復(fù)雜度譯碼算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)標(biāo)識(shí)映射的搜尋和設(shè)計(jì)，以提升系統(tǒng)整體的聯(lián)合優(yōu)化。具體的優(yōu)化（BICM-ID+MLC的256QAM傳輸方案）如圖4所示。

此部分將形成如圖5所示（以4PAM調(diào)制為例）的基于符號(hào)的BICM聯(lián)合解調(diào)譯碼算法。本課題將尋找一種聯(lián)合考慮解調(diào)譯碼，而且計(jì)算復(fù)雜度與譯碼性能都具有可比性的新型基于高階調(diào)制的BICM解調(diào)譯碼算法。同時(shí)，基于符號(hào)的聯(lián)合解調(diào)譯碼每一次迭代過(guò)程中，調(diào)制信息都需要重新計(jì)算和更新，從而利用比特間的相關(guān)性，而類(lèi)似BICM-ID系統(tǒng)，格雷碼映射就不再是該BICM譯碼算法下的最優(yōu)映射方案，需要重新推導(dǎo)256QAM下適合該譯碼算法的星座標(biāo)識(shí)映射方案。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，針對(duì)高階調(diào)制技術(shù)點(diǎn)創(chuàng)新點(diǎn)小結(jié)如下：

（1）引入256QAM之后的最小化EVM幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

圖3 基于BICM-ID+SSD的256QAM傳輸方案

圖4 基于BICM-ID+MLC的256QAM傳輸方案

圖5 基于符號(hào)的BICM譯碼算法方案

（2）針對(duì)256QAM的最優(yōu)labelling設(shè)計(jì)，此為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)影響最小的方式；

（3）基于BICM-ID與SSD的256QAM傳輸技術(shù)方案和聯(lián)合解調(diào)譯碼技術(shù)方案；

（4）相對(duì)應(yīng)的256QAM的最優(yōu)星座標(biāo)識(shí)映射方案。

傳統(tǒng)低頻段系統(tǒng)已初步實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和高速移動(dòng)中的通信，但受頻譜資源和天線(xiàn)尺寸限制，難以實(shí)現(xiàn)高峰值速率和高系統(tǒng)容量。TD-LTE系統(tǒng)已遇到嚴(yán)重的帶寬瓶頸，高頻段頻譜資源較為豐富，并且具有很多低端頻譜所不具有的天然優(yōu)點(diǎn)。首先，高端頻譜帶寬非常寬，存在資源優(yōu)勢(shì)，目前高端頻譜業(yè)務(wù)量較少，世界范圍都存在大量的未使用頻譜；另外，高端頻譜由于工作的系統(tǒng)較少，因而其電磁干擾也較小。此外，使用高端頻譜，天線(xiàn)尺寸可以很小，這些特點(diǎn)都有利于構(gòu)建超高容量多天線(xiàn)的TD-LTE通信系統(tǒng)，以滿(mǎn)足未來(lái)熱點(diǎn)接入需求。引入高頻對(duì)于突破頻譜資源瓶頸，擴(kuò)展未來(lái)高速熱點(diǎn)接入新技術(shù)研究有重要意義。

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