黃慶濤，梁健生

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

1 引言

在目前4G向5G網(wǎng)絡(luò)演進階段，大量的視頻應(yīng)用、手機游戲和網(wǎng)絡(luò)購物促進了智能手機用戶海量的流量使用，無限流量套餐的推出也推動了流量爆發(fā)式增長，智能手機必須具備超強的網(wǎng)絡(luò)能力。同時，運營商4G網(wǎng)絡(luò)面臨容量、覆蓋等問題，即便運營商未來部署了5G網(wǎng)絡(luò)，但由于頻段的限制，短時間內(nèi)也會讓5G網(wǎng)絡(luò)難以形成連續(xù)性的全覆蓋。因此，在某些高熱點區(qū)域如校園、商業(yè)區(qū)等存在高話務(wù)量需求，由于網(wǎng)絡(luò)容量不足，影響了用戶體驗，用戶要保持流量的使用通暢，就需要高效的4G網(wǎng)絡(luò)來支撐。為了解決LTE的高容量高熱點問題，研究LTE-A增強技術(shù)勢在必行。

本文主要研究LTE-A增強技術(shù)，首先從原理上分別研究4T4R和高階調(diào)制技術(shù)，理論分析這兩種技術(shù)的增益來源，然后通過外場試驗的方法測試不同場景下的增益情況，最后給出LTE-A增強技術(shù)部署的指導(dǎo)建議。如圖1所示，試驗區(qū)域為廣東省深圳市南山科技園區(qū)，屬于典型的寫字樓區(qū)域，8個站連續(xù)覆蓋，站間距為500 m～700 m，分為單站測試和連片區(qū)域測試，其中單站測試關(guān)注覆蓋性能和峰值速率，連片區(qū)域測試則關(guān)注整網(wǎng)性能。

2 4T4R技術(shù)原理及試驗分析

圖1 4T4R和高階調(diào)制技術(shù)試驗區(qū)域

現(xiàn)網(wǎng)大部分基站目前配置的RRU是2T2R或者2T4R，即基站擁有2個發(fā)射天線和2/4個接收天線，4T4R技術(shù)主要是提高基站的下行配置，把發(fā)射天線數(shù)量提高到4個；與4T4R技術(shù)直接對應(yīng)的就是4×4 MIMO，是基站和手機之間的一種工作模式，要實現(xiàn)4×4 MIMO，終端必須支持四接收天線，基站必須具備四發(fā)射天線的能力。AWGN信道下多天線信道容量表達式如公式(1)所示：

其中C為系統(tǒng)信道容量，W為系統(tǒng)帶寬，S是信號發(fā)射功率，σ2是噪聲功率，min(m,n)表示信道模型的秩，也是發(fā)射天線m和接收天線n中的較小值，決定了信道容量的上限。

相比傳統(tǒng)2×2 MIMO，4×4 MIMO采用4天線技術(shù)，通過提高基站側(cè)的發(fā)射天線數(shù)量跟接收端的接收天線數(shù)量帶來分集增益、陣列增益和復(fù)用增益。分集增益指MIMO系統(tǒng)對抗信道衰落對性能的影響，利用各天線上信號深衰落的不相關(guān)性，減少合并后信號的衰落幅度而獲得性能增益；陣列增益指MIMO系統(tǒng)利用各天線上信號的相關(guān)性和噪聲的非相關(guān)性，提高合并后信號的平均SINR而獲得的性能增益；復(fù)用增益指通過增加空間信道的維數(shù)獲得的吞吐量增益。4×4 MIMO最高可以提供4個并行的數(shù)據(jù)流，理論峰值吞吐率是單流的4倍、雙流的2倍。

其實早在3GPP Release 10規(guī)范中，就提出了8×8 MIMO多天線技術(shù)，最大可支持8個并行數(shù)據(jù)流，使用TM9傳輸模式，受限于網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備原因，若在4×4 MIMO上配置TM9，CSI-RS跟URS會占用更多資源元素，增益反而沒有TM3/TM4高，因此4×4MIMO合適的傳輸模式是TM3/TM4。圖2是現(xiàn)網(wǎng)基站由2T升級成4T，終端由2R演進到4R可能出現(xiàn)的MIMO場景，即2×2 MIMO、4×2 MIMO和4×4 MIMO。基站側(cè)4T4R可通過RRU雙拼的方法實現(xiàn)，也可以采用一體化RRU；終端側(cè)采用高通8996/8998芯片都具備4R功能，商用終端有華為的P10跟三星S8。隨著4R終端滲透率提高，4T4R技術(shù)帶來的作用也會更明顯。外場試驗配置如表1所示。

圖2 2×2 MIMO、4×2 MIMO和4×4 MIMO場景

表1 4T4R技術(shù)外場試驗配置

圖3（a）是對單個基站進行拉遠覆蓋測試，從趨勢線可以看出，4T4R技術(shù)不僅在近中點可以提高用戶吞吐率，還可以提高小區(qū)邊緣的覆蓋能力：以RSRP=-115 dBm為參考值，2×2 MIMO的吞吐率約為10 Mbit·s-1，4×2 MIMO約16 Mbit·s-1，增益約為60%，4×4 MIMO約22 Mbit·s-1，增益約為120%。圖3（b）是對單個基站進行多用戶吞吐率測試，基站側(cè)采用2T/4T天線發(fā)射，而UE采用2R天線接收。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)MR數(shù)據(jù)，2R終端以1：7：2的比例分布在近中遠點，從測試結(jié)果分析，基站側(cè)采用4T天線，MCS的階數(shù)抬升，Rank2的比例也增加，整體小區(qū)的吞吐率增益可提高26.7%，其中遠點的增益最高。由此可見，在4R終端普及率不夠高的情況下，4T技術(shù)對現(xiàn)網(wǎng)多用戶2R終端也有相當(dāng)增益。

圖3（c）是室外連片區(qū)域的路測，從測試結(jié)果分析，相比2×2 MIMO，4×2 MIMO Rank2的比例有所提升，平均吞吐率由42.79 Mbit·s-1提高至46.41 Mbit·s-1，增益為8.5%，而4×4 MIMO則出現(xiàn)了更高階的Rank3和Rank4，有更高的并行數(shù)據(jù)流數(shù)，Rank2/3/4比例高達98%，平均吞吐率為65.89 Mbit·s-1，增益為54%，可見空間復(fù)用增益遠大于分集增益。圖3（d）是峰值吞吐率測試，由于4天線端口存在額外的RS導(dǎo)頻開銷，使得4×2 MIMO峰值吞吐率反而有點下降，相對于2×2 MIMO略降低約2%；4×4 MIMO峰值吞吐率為210 Mbit·s-1，增益達到98%，測試結(jié)果與理論分析相近。

圖3 4T4R技術(shù)測試結(jié)果

表2是基站側(cè)開啟4T技術(shù)對現(xiàn)網(wǎng)真實用戶的話統(tǒng)KPI影響，統(tǒng)計時間為2T/4T各一周。從表格可以看到，話統(tǒng)KPI相對穩(wěn)定；基站側(cè)開啟4T技術(shù)，提高了MCS和CQI的值，Rank2的占比達到71.88%，增益為9.99%，說明發(fā)射天線的增加改善了測試區(qū)域真實用戶的信道環(huán)境；“CQI小于7比例”的減小，說明弱覆蓋區(qū)域的改善；另外，下行用戶體驗速率增益為16.10%，進一步驗證4T技術(shù)提升了用戶體驗。

表2 基站4T對現(xiàn)網(wǎng)真實用戶話統(tǒng)KPI影響

綜上，4T4R技術(shù)對4R終端可實現(xiàn)4×4 MIMO，對2R終端可實現(xiàn)4×2 MIMO，不僅可以提高近中點用戶體驗速率，也可以提升小區(qū)邊緣的覆蓋能力，這對于提升弱覆蓋區(qū)域的用戶體驗是有幫助的。

3 高階調(diào)制原理及試驗分析

QAM是一種矢量調(diào)制，將輸入數(shù)據(jù)先映射到一個復(fù)平面上，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號，然后將符號的I、Q分量（對應(yīng)復(fù)平面的實部和虛部）采用幅度調(diào)制，分別對應(yīng)調(diào)制在時域正交的兩個載波（sinwt和coswt）上。QAM發(fā)射的信號集可以用星座圖表示，星座圖上每一個星座點對應(yīng)發(fā)射信號集中的那一點，星座點數(shù)越多，每個符號能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。高階調(diào)制技術(shù)通過采用更高階的調(diào)制解調(diào)，在維持相同的符號吞吐率不變的前提下，提高了比特率，其中下行調(diào)制方式采用256QAM，編碼效率由6 bit提高至8 bit；上行調(diào)制方式采用64QAM，編碼效率由4 bit提高至6 bit，如圖4所示。

圖4 高階調(diào)制技術(shù)

采用256QAM高階調(diào)制帶來的吞吐率增益，與TBSize密切相關(guān)。在3GPP 36.213協(xié)議中，MCS大于或等于20，即可進入256QAM算法；然而進入256QAM算法不一定有正增益，以15 M帶寬75個RB為例，MCS要達到24及以上，對應(yīng)的TBsize才穩(wěn)定大于舊表MCS=28的TBSize（55 056），才能夠獲得穩(wěn)定增益，對比分析如表3所示。另外，高階調(diào)制在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點，使得星座點之間的距離變小，進而導(dǎo)致誤碼率上升，因此高階調(diào)制的增益與信號質(zhì)量、信道條件密切相關(guān)。

表3 256QAM調(diào)制：MCS與吞吐率增益的關(guān)系

高階調(diào)制技術(shù)外場測試配置如表4所示：

圖5（a）是DL 256QAM室外連片區(qū)域的路測結(jié)果，從測試數(shù)據(jù)看，開啟256QAM功能，在近點（SINR>25dB）平均吞吐率增益可以達到14%，而對整體吞吐率的增益不并明顯（約2.0%），這是因為256QAM算法只在信道環(huán)境好的情況下才會起作用，而實際路測數(shù)據(jù)中近點的樣本比例并不高。圖5（b）是UL 64QAM室外連片區(qū)域的路測結(jié)果，近中點都有增益，其中近點增益最明顯，達到30%以上，而遠點因為RSRP較低，沒有進入64QAM算法，所以沒增益。

圖5（c）是對具備高階調(diào)制功能的室分樓宇路測，室內(nèi)的信道環(huán)境一般比室外好，下行是2.1G載波雙通道，開啟DL 256QAM功能，整體吞吐率平均增益明顯提高，可達12%以上；上行是2.1G載波單通道，開啟UL 64QAM功能，整體吞吐率平均增益在19%以上。圖5（d）是峰值吞吐率測試，如理論分析，高階調(diào)制提高了編碼效率，在好點處都能獲得較大吞吐率增益，DL 256QAM增益達到34%，而UL 64QAM增益達到39%，與理論相近。

高階調(diào)制與信道環(huán)境密切相關(guān)，信道條件的好壞決定了能否進入高階調(diào)制算法，進而決定增益。在信號質(zhì)量較高的場景下，高階調(diào)制能帶來較可觀的吞吐率增益，特別是信號較好的有室分樓宇，高階調(diào)制可以解決辦公樓的高容量問題。

4 結(jié)束語

LTE-A增強技術(shù)是對當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)的強化，是提高LTE系統(tǒng)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量和用戶體驗速率的關(guān)鍵技術(shù)，有利于解決移動通信網(wǎng)絡(luò)高熱點、高容量的用戶業(yè)務(wù)需求。本文從理論及技術(shù)角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論：4T4R技術(shù)主要提高覆蓋性能及邊緣吞吐率，而高階調(diào)制技術(shù)主要提高近點吞吐率；從路測性能看兩種技術(shù)都可以提高小區(qū)整體容量性能。在4G向5G演進階段，可以根據(jù)實際容量需求，結(jié)合兩種技術(shù)的性能特點來決定具體的應(yīng)用。

圖5 高階調(diào)制技術(shù)測試結(jié)果

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