小小區(qū)增強(qiáng)中256QAM的研究

繆照浜，高月紅，張欣

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

在美國(guó)芝加哥舉行的3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作無線接入網(wǎng)第57次會(huì)議上，針對(duì)3GPP LTE Release 12技術(shù)，中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)公司的代表正式提出了在LTE系統(tǒng)中采用Small Cell （小小區(qū))作為增強(qiáng)技術(shù)的研究項(xiàng)目。Small Cell是一種低發(fā)射功率，可以覆蓋10～200 m的范圍的基站設(shè)備，工作在授權(quán)的或非授權(quán)的頻譜范圍內(nèi)，相比之下，宏蜂窩的覆蓋范圍可以達(dá)到數(shù)千米。

Small Cell融合了飛小區(qū)（Femtocell）、微小區(qū)（Microcell）、皮小區(qū)（Picocell）和分布式無線技術(shù)，如RRH（Remote Radio Head，射頻拉遠(yuǎn)頭）。Picocell和Microcell也都可以覆蓋數(shù)百米的范圍，但是和Femtocell的最大區(qū)別是他們沒有自適應(yīng)、自管理的功能。Small Cell是由運(yùn)營(yíng)商管理的，而且考慮到與現(xiàn)有通信系統(tǒng)的兼容性，因此必須支持多種無線口標(biāo)準(zhǔn)，包括GSM、cdma2000、TD-SCDMA、WCDMA和WiMAX。Small Cell的基本形式是家庭蜂窩，家庭蜂窩最初設(shè)計(jì)為提供室內(nèi)覆蓋，現(xiàn)在其概念大大的擴(kuò)充，可運(yùn)用于無線設(shè)備密集的城區(qū)，商場(chǎng)或辦公場(chǎng)所等熱點(diǎn)區(qū)域。

隨著Small Cell部署密度的增多，會(huì)導(dǎo)致很多問題出現(xiàn)，如頻繁的切換失敗會(huì)給系統(tǒng)性能帶來一定影響，回程鏈路的非理想化會(huì)給Small Cell的應(yīng)用帶來很大限制。此外，還有Small Cell之間的干擾消除以及頻譜效率的進(jìn)一步提升等問題。因此，3GPP從LTE Release 12開始進(jìn)行SCE（Small Cell Enhancement,小基站增強(qiáng)）技術(shù)研究工作，并將其看作是適應(yīng)移動(dòng)業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)的重要技術(shù)手段。小基站增強(qiáng)采用異構(gòu)網(wǎng)多制式分層部署方案，相較于之前皮基站的密閉公共環(huán)境型應(yīng)用，SCE擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，提出了更多適應(yīng)性強(qiáng)的室內(nèi)外熱點(diǎn)場(chǎng)景，并且提出了分簇（Cluster）管理的運(yùn)營(yíng)模式，將物理距離較近的若干小型基站劃分為一簇，在其中設(shè)立主站，既增強(qiáng)了小區(qū)間基站間的自管理功能，提升了異構(gòu)網(wǎng)自身性能，又通過共享資源降低了管理成本。

SCE主要目標(biāo)是在移動(dòng)健壯性、服務(wù)質(zhì)量需求、能量效率、信令負(fù)荷開銷、靈活部署以及用戶吞吐量等方面帶來提升。為了更好地改善系統(tǒng)性能，本文所研究的高階調(diào)制技術(shù)，期望能在頻譜效率和吞吐量方面帶來不錯(cuò)的增益。

1 Small Cell信道特點(diǎn)及256QAM的必要性

文獻(xiàn)[1]第10章對(duì)Small Cell的場(chǎng)景分類及各場(chǎng)景特點(diǎn)有詳細(xì)的分析說明，其中場(chǎng)景1、場(chǎng)景2a以及場(chǎng)景2b中均部署了宏基站，場(chǎng)景3只部署了Small Cell基站而沒有部署宏基站。因此，當(dāng)其他條件相同時(shí)，場(chǎng)景3中的Small Cell用戶因?yàn)椴皇芎昊景l(fā)射功率及宏用戶功率的干擾，該場(chǎng)景中Small Cell用戶的信道質(zhì)量應(yīng)優(yōu)于其它場(chǎng)景，即能有更高的信干噪比。圖1是借助于本研究室系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)對(duì)2a場(chǎng)景的用戶的SINR做的CDF曲線分析。

圖1 場(chǎng)景2a用戶SINR CDF曲線圖

從圖1中可以看出，場(chǎng)景2a中有相當(dāng)部分用戶的信干噪比能夠到達(dá)20 dB及以上。這是因?yàn)閳?chǎng)景3中Small Cell用戶存在更好的信道質(zhì)量，所以其中必然存在很大一部分信干噪比超過20 dB的Small Cell用戶。事實(shí)上，現(xiàn)有的LTE鏈路級(jí)上最高調(diào)制方式64QAM其所對(duì)應(yīng)的用戶最高SINR也只有19.2 dB，即使在更好的信道條件中其調(diào)制方式也只能采用64QAM，而不能采用更高階的調(diào)制編碼方案以提高頻譜利用率、傳輸速率、吞吐量等關(guān)鍵性能指標(biāo)，這對(duì)緊張的信道資源無疑是一種浪費(fèi)。

從Small Cell的信道特點(diǎn)來看，引入256QAM調(diào)制方式，一方面是由于在Small Cell環(huán)境中確實(shí)存在著很好的信道條件，另一方面考慮到在實(shí)際的頻帶傳輸系統(tǒng)中，由于信道的頻率資源有限，因而有效地利用信道頻帶，盡量提高信道頻帶的利用率顯得十分必要：即能在有限的信道頻帶內(nèi)，傳輸高效數(shù)據(jù)。采用高階調(diào)制可以提高頻譜利用率，在相同帶寬下，高階調(diào)制，信息速率更大。LTE下行就采用了64QAM使得下行速率可以達(dá)到100 Mbit/s。為了滿足越來越大的數(shù)據(jù)流量需求和進(jìn)一步地改善用戶體驗(yàn)，256 QAM調(diào)制方式以其能帶來更大的傳輸速率、提升頻譜效率和吞吐量的優(yōu)勢(shì)，成為了本文研究的目標(biāo)。

2 CQI、MCS表格重設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)存問題

現(xiàn)行LTE系統(tǒng)中的下行鏈路的調(diào)制方式包括QPSK、16 QAM和64 QAM，為了有效地對(duì)無線資源進(jìn)行管理，合理分配資源，3GPP研究設(shè)計(jì)了合理的CQI、MCS表格，其中包含信道質(zhì)量、調(diào)制方式、頻譜效率、碼率等信息，LTE通信系統(tǒng)根據(jù)這些表格合理選擇信息傳輸過程中的調(diào)制編碼方案。但是當(dāng)引入256 QAM后，由于現(xiàn)有的相關(guān)表格中并沒有包含該調(diào)制方式，需要在目前的表格基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的改動(dòng)，設(shè)計(jì)出能同時(shí)囊括QPSK、16 QAM、64 QAM和256 QAM 4種調(diào)制方式的表格。

2.2 新的表格設(shè)計(jì)

參考3GPP RAN1 #76中的相關(guān)提案[2,3]以及Rel-8協(xié)議中相關(guān)規(guī)定得到CQI表格基本設(shè)計(jì)原則：

（1）3GPP第62次會(huì)議（RAN1 #62）中提到為了改善頻譜效率而在下行傳輸中引入更高階的調(diào)制方式時(shí)，如256QAM，必須保持現(xiàn)有的CQI和MCS表格大小，即CQI表格Index仍然為#0～#15共16項(xiàng)，MCS表格仍為#0～#31共32項(xiàng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行新表格的設(shè)計(jì)。保持現(xiàn)有表格規(guī)格主要是考慮到與現(xiàn)行通信設(shè)備配置、通信規(guī)則、測(cè)試等的兼容問題，減少因改變表格而帶來的額外工作量。

（2) CQI表格中的第一項(xiàng)Index=0是為超出表格范圍準(zhǔn)備的，當(dāng)由SNR表征的信道質(zhì)量不在表格所設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)時(shí)，即參考資源所使用的調(diào)制方式和傳輸塊大小組合與任何CQI索引都不一致，視為CQI Index=0，所以第一項(xiàng)必須保留。

（3) CQI表格中的第二項(xiàng)Index=1為物理下行控制信道專用，需保留。

（4) 生成CQI表格時(shí)所用的仿真信道為AWGN信道。信噪比范圍為[-7～19.488 dB]，步進(jìn)值約為1.892 dB，把信噪比區(qū)間分為15個(gè)，對(duì)應(yīng)15個(gè)CQI等級(jí)。

（5) 考慮到維持原有表格大小不變，有兩種方案：第一種是對(duì)SNR從-7 dB～25 dB重新平均分成15段，由各分界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻譜效率作為新的CQI表格的15個(gè)頻譜效率，這種方案雖然維持了原有表格大小卻加大了SNR步進(jìn)值，從而減小了分辨率而且完全改變了表格，加大了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)帶來的實(shí)際影響；另一種方案是刪除個(gè)別低階調(diào)制方案對(duì)應(yīng)的索引項(xiàng)，保留原表格中大部分內(nèi)容，一方面能應(yīng)對(duì)突然變壞的信道條件，另一方面也能減少標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)帶來的影響。所以本文采用第二種方案。

根據(jù)上文中提到的設(shè)計(jì)原則，仍需解決兩個(gè)問題：256QAM新增項(xiàng)的設(shè)計(jì)以及刪除項(xiàng)的合理選擇。

下文給出設(shè)計(jì)方法：

（1） 添加項(xiàng)。參考頻譜效率圖2以及3GPP RAN1 #76會(huì)議中提案[4]，當(dāng)信道環(huán)境信噪比達(dá)到19.2 dB及以上時(shí)，適合選用256 QAM調(diào)制方式。當(dāng)64 QAM和256 QAM之間轉(zhuǎn)換點(diǎn)SNR為19.2 dB時(shí)，原CQI表格最后一項(xiàng)#15對(duì)應(yīng)的頻譜效率5.554 7轉(zhuǎn)化為256 QAM的頻譜效率，相應(yīng)的64QAM時(shí)的碼率948轉(zhuǎn)換成256 QAM的碼率為711。由于現(xiàn)有CQI表格中支持的最大頻譜效率為5.554 7，引入256 QAM后可以將頻譜效率增加至5.554 7×8/6 = 7.406 3。對(duì)應(yīng)的SNR可以達(dá)到25 dB。觀察圖2可知頻譜效率與信道SNR幾乎呈線性關(guān)系，所以若干256 QAM的頻譜效率也可在5.554 7和7.406 3之間均勻取值，若再加入3個(gè)256 QAM項(xiàng)，效率可為5.554 7、6.171 9、6.789 1和7.406 3。由于線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)的SNR從19.2 dB～25 dB之間分為4部分其話步進(jìn)值也約為1.892 dB。

圖2 兩種方案魯棒性對(duì)比

綜上，需要添加的4項(xiàng)為表1#12、#13、#14、#15。

表1 CQI添加項(xiàng)&刪除項(xiàng)

（2） 刪除項(xiàng)。為了保持CQI表格大小不變，需要?jiǎng)h除4項(xiàng)以騰出空間給256QAM添加項(xiàng)。由上文中設(shè)計(jì)原則可知CQI Index等于0和1為保留項(xiàng)。原表1中索引值為15的轉(zhuǎn)換為256 QAM，還需在低階調(diào)制中刪除3項(xiàng)。此時(shí)有兩種刪除方案：一種是直接刪除索引{2、3、4}項(xiàng)，另一種是刪除索引{2、4、6}項(xiàng)。本文采取第二種方案[5]，參考圖2，該方案當(dāng)遇到信道狀況變壞的突發(fā)情況時(shí)，仍有低SNR范圍內(nèi)的CQI可供反饋，較好地保持了鏈路自適應(yīng)性，而不會(huì)出現(xiàn)SNR的真空期，增加了魯棒性。因此原有CQI表格中#2、#4、#6、#15四項(xiàng)需要?jiǎng)h除。綜合上文，得到新設(shè)計(jì)的CQI表如表2所示。

表2 新信道質(zhì)量指示索引表

此表保持了原表格大小，刪除原表中CQI索引值為{2、4、6、15}的4項(xiàng)，保留其它項(xiàng)，并在表末增加了調(diào)制方式為256 QAM的4項(xiàng)，最后重新對(duì)CQI Index從0～15順序編號(hào)。

MCS表格設(shè)計(jì)主要思路是從新的CQI表格演變而來，即一部分直接來自CQI表格，另一部分則由前后兩項(xiàng)取平均值而來。因?yàn)樾翪QI表格相對(duì)于原CQI表格中有所變動(dòng)，對(duì)應(yīng)到MCS表格，本文方法是仍保留{2、4、6}項(xiàng)而刪除由{2、4、6}項(xiàng)插值平均得到的項(xiàng)（對(duì)應(yīng)于原MCS表中{1、3、5、7、9、10}項(xiàng)）以及轉(zhuǎn)換成256 QAM的27、28項(xiàng)。刪除了一共8項(xiàng)，也就需要添加8項(xiàng)，新CQI表中4項(xiàng)256 QAM以及有他們平均得到的3項(xiàng)共7項(xiàng)，由于引進(jìn)了256 QAM，MCS表中需要由原來的3個(gè)預(yù)留項(xiàng)增加為4個(gè)。如此恰好新增的8項(xiàng)填充刪除的8項(xiàng)，再對(duì)所有項(xiàng)重新從0～31順序編號(hào)。得到新的MCS表格如表3所示。

表3 新調(diào)制編碼方案索引表

3 鏈路級(jí)仿真結(jié)果

圖3 新信道質(zhì)量指示表格誤塊率曲線圖

為了與未增加256 QAM調(diào)制方式的原有CQI表格仿真性能對(duì)比，驗(yàn)證256 QAM添加的合理性，擴(kuò)展256 QAM后仿真參數(shù)設(shè)置為：信道類型為AWGN信道；系統(tǒng)傳輸帶寬為1.4 MHz；信道信噪比范圍為SNR=-15～28 dB，步進(jìn)值0.25 dB；仿真CQI為1～15；仿真時(shí)長(zhǎng)為2 000個(gè)子幀；沒有重傳。

圖3和圖4為對(duì)新設(shè)計(jì)的CQI表格進(jìn)行仿真得到的曲線圖，相關(guān)參數(shù)見上文參數(shù)設(shè)置。需要注意的是，兩張圖中最后4條曲線對(duì)應(yīng)著CQI索引值12～15，即調(diào)制方式為256 QAM。從圖中看，新加入的4條曲線與原有曲線的趨勢(shì)吻合度非常好，從原有曲線很好地過渡到了256 QAM曲線，說明了新CQI表格設(shè)計(jì)的合理性。另一方面，當(dāng)信道質(zhì)量較高時(shí)，如SNR從20 ～29 dB之間時(shí)，圖3說明引入的256 QAM調(diào)制方式能夠像原有低階調(diào)制方式一樣滿足誤塊率的要求，如能夠達(dá)到0.1的誤塊率甚至更低，達(dá)到了可靠性的需求；觀察圖4中256 QAM調(diào)制部分，當(dāng)信道條件較好時(shí)，選用高階的256 QAM調(diào)制方式給吞吐量帶來的增益對(duì)比原有曲線是十分合理的。再觀察5，256 QAM對(duì)應(yīng)的頻譜效率相對(duì)于前3種調(diào)制方式也有了顯著地提高，與預(yù)期相符。

從上文討論中來看，在AWGN信道環(huán)境中引入256 QAM是完全可行與必要的。首先AWGN信道信噪比可以達(dá)到上文提到的使用256 QAM的條件，即超過19.2 dB。其次，使用256 QAM后，在不損失傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，即能夠達(dá)到誤塊率不高于0.1甚至更好的要求，能夠顯著提高傳輸?shù)耐掏铝?。最后，從以上分析可以看?56 QAM帶來的頻譜效率提升效果明顯。

圖4 新信道質(zhì)量指示表格吞吐量曲線圖

[1]3GPP TR 36.872.Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Physical layer aspects[S].2012.

[2]3GPP R1-140753.CQI table design for downlink 256QAM[S].2014.

[3]3GPP R1-140118.Intel Corporation.CQI/MCS/TBS Tables for 256QAM and Relevant Signaling[S].2014.

[4]3GPP R1-140034.CQI/MCS table design for 256QAM[S].2014.

[5]3GPP R1-140555.On CQI/MCS/TBS table design for 256QAM[S].2014.