TD—LTE上行速率提升研究

劉毅+郭寶+田凱

【摘 要】受UE自身能力、網(wǎng)絡(luò)制式、天線工藝等因素影響，導(dǎo)致我國自主研發(fā)的TD-LTE制式4G網(wǎng)絡(luò)上行速率受限，而越來越多的上行通信業(yè)務(wù)被用戶嘗試使用，用戶對網(wǎng)絡(luò)速率有了更高的期待。探索通過單個基站資源利用率的提升、多個用戶的資源互補、差異化編碼、改變調(diào)制方式等手段，來提高TD-LTE上行速率，提提升用戶感知。

【關(guān)鍵詞】TD-LTE上行速率 調(diào)制方式 差異化編碼

[Abstract] With the continuous development of communication technology， more and more upstream communication businesses are tried by users. Due to UE's own ability， network standard， antenna technology and other reasons， China's independent research and development of 4G standard TD-LTE network uplink rate is limited， upstream rate of TD-LTE standard 4G network which is Chinas own research and development is limited. This study carry out innovation and exploration by improving the resource utilization of a single base station， multiple users complementary resources， differentiation code， changing the modulation mode， etc. Expecting to improve upstream rate of TD-LTE and to improve user perception.

[Key words]TD-LTE Network Upstream Rate Modulation Scheme Differentiation Code.

1 引言

伴隨著數(shù)據(jù)時代的到來，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正式商用，被越來越多的用戶所接受并使用。數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，給用戶帶來了前所未有的體驗，由此用戶對網(wǎng)絡(luò)速率有了更高的期待。如何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，提升無線網(wǎng)絡(luò)速率給運營商帶來了挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有4G主流技術(shù)分為FDD-LTE與TD-LTE兩種雙工方式，F(xiàn)DD采用頻分雙工技術(shù)，而TD-LTE采用時分雙工，即一個頻率既負(fù)責(zé)上傳，又負(fù)責(zé)下載，由此可見使用FDD方式的4G網(wǎng)絡(luò)上行速率具有先天優(yōu)勢。因此在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)模式下的上行速率提升需要考慮諸多上行受限因素。

LTE建網(wǎng)初期對于上行傳輸業(yè)務(wù)需求不高，人們使用4G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)更多的是閱讀、瀏覽和下載，上行業(yè)務(wù)主要為郵件、聊天等小流量業(yè)務(wù)，因此TD-LTE網(wǎng)絡(luò)因頻譜利用率高等優(yōu)勢發(fā)展迅速，但隨著VoLTE的發(fā)展等，對上行速率有了更大的要求，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)亟待解決上行速率問題。

本文主要從提高用戶上行感知方面著手，通過上行速率調(diào)度過程分析，探索載波聚合、調(diào)制方式、編碼算法等新技術(shù)，以期對TD-LTE上行的傳輸帶寬、覆蓋方式、編碼效率等方面進(jìn)行優(yōu)化改善，從而達(dá)到提高用戶上行速率的目的。

2 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)上行速率受限的原理分析

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)上行速率受限原因涉及終端能力、網(wǎng)絡(luò)制式、天線配置等。從時隙配比角度來看，上下行時隙配比2：2與1：3相比會對上行速率有近兩倍的影響，但考慮上行業(yè)務(wù)較少，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建議按照上下行1：3配置。特殊時隙配比以3：9：2和10：2：2兩種方式，前者可以提供更廣的覆蓋，并降低同頻TD-S干擾，后者因為可以通過PDSCH傳輸數(shù)據(jù)能夠有效提高下行速率，但兩者對于上行速率的提升均無幫助。

為了更好地研究LTE上行受限問題，計劃分析上行調(diào)度的基本過程，定位上行業(yè)務(wù)端到端網(wǎng)元影響速率的因素。

2.1 上行調(diào)度基本過程

在初始接入時，UE在PUCCH發(fā)送調(diào)度請求（SR），eNodeB收到SR后，下發(fā)UL grant，先分配部分資源給UE。eNodB進(jìn)行上行信道質(zhì)量分析，分配相應(yīng)資源并通知UE，UE接收資源分配結(jié)果的通知，確定編碼調(diào)制方式并傳輸數(shù)據(jù)，eNodeB指示是否需要重傳，最后UE進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳或者發(fā)送新的數(shù)據(jù)。上行調(diào)度基本過程如圖1所示。

2.2 影響上行的基本因素

從上行業(yè)務(wù)端到端網(wǎng)元分析，影響上行的主要有以下四個方面：

（1）設(shè)備調(diào)制方式：不同類型的UE具有不同的上行峰值速率，所以在具有相同帶寬的情況下，不同UE的感知度也是不同的。如Cat5終端可以支持64QAM的調(diào)制方式，固然上行速率要高于其他類型終端。具體UE性能情況如表1所示：

（2）信道條件：影響實際信號解調(diào)性能的參數(shù)如SINR、信道相關(guān)性、RSRP等決定了網(wǎng)絡(luò)側(cè)分配調(diào)制方式不同，如QPSK、16QAM等較低編碼方式將直接影響上行速率。

（3）系統(tǒng)帶寬：不同的系統(tǒng)帶寬直接決定分配資源RB的數(shù)量。

（4）上行單用戶RB數(shù)分配限制：單用戶的上行RB數(shù)的分配會直接影響用戶的上行速率。

3 提升上行速率的技術(shù)探索

嘗試對上行的傳輸速率、覆蓋方式、編碼效率展開分析，以以下四個方面作為切入點，結(jié)合新技術(shù)展開探索，以期達(dá)到提高用戶上行感知的目的。

（1）提升單個基站的資源利用率。效仿提高下行速率所采用的載波聚合方式，嘗試采用上行載波聚合技術(shù)將同頻帶或不同頻帶的兩個載波進(jìn)行聚合，提高單站所用上行傳輸資源池。

（2）通過多個用戶的資源互補提升上行速率。利用MU-MIMO技術(shù)，將滿足無線隔離的多用戶上行數(shù)據(jù)進(jìn)行同時域傳輸，從而構(gòu)建多個基站的小型資源池，達(dá)成群體效應(yīng)，提高頻譜利用率，從而提升吞吐量。

（3）差異化編碼方式。根據(jù)信道質(zhì)量動態(tài)調(diào)整編碼速率，在不同信號質(zhì)量下的用戶采用不同的編碼方式，如針對重點業(yè)務(wù)VoLTE采用AMC語音編碼技術(shù)。

（4）改變調(diào)制方式。嘗試上行64QAM調(diào)制方式，在信道質(zhì)量條件好的前提下進(jìn)一步提升上行的頻譜效率，提高上行吞吐量。

3.1 提升單個基站資源利用率

實際TD-LTE覆蓋場景一般以D頻段與F頻段用于室外覆蓋，E頻段用于室內(nèi)。D頻段頻點為20 MHz，F(xiàn)1、F2頻段頻點分別為20 MHz、10 MHz。目前已實現(xiàn)了下行載波聚合，獲得了下行高速率。

以此類推，嘗試用上行載波聚合的方式建立單站的資源池，提升單站上行傳輸資源利用率。

試采用上行兩載波聚合技術(shù)，為某個載波聚合終端分配最多40 MHz的上行帶寬，將同頻帶或不同頻帶的兩個載波進(jìn)行聚合來提供更多的帶寬，提高UE業(yè)務(wù)質(zhì)量。

在現(xiàn)場選取典型小區(qū)，對比功能開啟前后上行峰值速率與均值速率差異，在UL CA關(guān)閉情況下，測試上行速率峰值為9.7 Mbps，平均速率9.33 Mbps，打開UL CA峰值速率達(dá)到19.3 Mbps，平均速率18.5 Mbps，上行速率提升明顯。增益效果圖如圖2所示：

3.2 改變調(diào)制方式

QAM調(diào)制實際上是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合。“相位+幅度”狀態(tài)定義了一個數(shù)字或數(shù)字的組合。QAM的優(yōu)點是具有更大的符號率（單位時間內(nèi)所能發(fā)送的符號數(shù)），從而可獲得更高的系統(tǒng)效率。通常由符號率確定占用帶寬，因此每個符號的比特（基本信息單位）越多，效率就越高。對于給定的系統(tǒng)，所需要的符號數(shù)為2n，這里n是每個符號的比特數(shù)。

如果增大上行調(diào)制時的符號數(shù)及每個符號內(nèi)的比特數(shù)，就可以在一定程度上增大上行傳輸速率，考慮到現(xiàn)有終端承載能力，嘗試上行64QAM效果。

理論分析16QAM，n=4，因此有16個符號，每個符號代表4 bit：“0000， 0001， …， 0010， …”等。對于64QAM，n=6，因此有64個符號，每個符號代表6 bit：“000000， 000001， …， 000010， …”等。因此，64QAM具有更高的傳輸效率，是16QAM的1.5倍。

在調(diào)制過程中，經(jīng)過信道編碼的二進(jìn)制比特流進(jìn)入QAM調(diào)制器，信號被分為兩路，一路給I，另一路給Q，每一路一次給3比特的數(shù)據(jù)，這3比特的二進(jìn)制數(shù)一共有8種不同的狀態(tài)，分別對應(yīng)8種不同的電平幅度。這樣I有8個不同幅度的電平，Q有8個不同幅度的電平，而且I和Q兩路信號正交。任意一個I的幅度和任意一個Q的幅度組合都會在極坐標(biāo)圖上映射一個相應(yīng)的星座點，每個星座點代表由6個比特的數(shù)據(jù)組成的一個映射，I和Q一共有8×8共64種組合狀態(tài)，各種可能出現(xiàn)過的數(shù)據(jù)狀態(tài)組合最后映射到星座圖上即為64QAM星座圖，具體如圖3所示：

速率計算方面，在上行支持96RB的情況下，16QAM和64QAM上行子幀承載的比特數(shù)分別如下：16QAM 比特數(shù)：（96×12×14-96×12×2）×4=55 296，速率：51 024×2=10.2 Mbps；64QAM比特數(shù)：（96×12×14-96×12×2）×6=82 944，速率：75 376×2=15.07 Mbps。

現(xiàn)場選取小區(qū)，對上行調(diào)制方式改變開展驗證，在關(guān)閉UL 64QAM特性的情況下，上行平均速率為9.33 Mbps，峰值速率9.7 Mbps，而在打開UL 64QAM特性后上傳平均速率為12.96 Mbps，峰值速率13.9 Mbps，平均速率增益39%，峰值速率增益43%，具體測試結(jié)果如圖4、圖5所示：

3.3 差異化編碼方式

目前無論是GERAN還是UTRAN網(wǎng)絡(luò)，都廣泛采用AMR語音編碼方式。AMR是語音編碼的一種音頻數(shù)據(jù)壓縮優(yōu)化方案，包括AMR-WB和AMR-NB兩種方式，AMR-NB有8種語音編碼率，AMR-WB有9種語音編碼率。

AMR編碼速率越高，傳輸包越大，VoLTE支持多速率AMR編碼，在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中，考慮不同需求，根據(jù)信道質(zhì)量動態(tài)調(diào)整編碼速率，提升上行感知。

VoLTE編碼速率固定為23.85 kbps，如果用戶處于弱覆蓋區(qū)域，上行功率受限，可能會產(chǎn)生通話時延、丟包、噪聲等問題，此時可將編碼速率降為12.65 kbps，保證用戶正常使用網(wǎng)絡(luò)。而在VoLTE用戶較多且覆蓋良好的區(qū)域，可以適當(dāng)提高編碼速率，保障用戶的通話感知。

選取特定小區(qū)進(jìn)行測試，在小區(qū)邊緣同一個地點，特性開啟后的編碼速率由23.85 kbps調(diào)整為12.65 kbps，整體MOS分增益是14%，如圖6所示：

3.4 多用戶資源互補提升上行速率

通過組建多用戶間的上行傳輸資源池，提高小區(qū)頻譜利用率，可以增強上行吞吐量。當(dāng)用戶滿足無線隔離條件時，可以利用MU-MIMO技術(shù)，實現(xiàn)多用戶采用相同的時頻資源，提升小區(qū)頻譜復(fù)用系數(shù)，提高整體吞吐量。

MU-MIMO即上行多用戶MIMO是指利用空間不相關(guān)特性使多個用戶在相同的時頻資源位置上傳輸各自的數(shù)據(jù)流。不同終端發(fā)送的數(shù)據(jù)流占用相同的時頻資源，基站側(cè)接收從同一個“虛擬終端”的多個數(shù)據(jù)流，從而構(gòu)成了一個虛擬MIMO系統(tǒng)。

目前上行只支持單流傳輸，因此上行MU-MIMO實現(xiàn)需滿足配對算法。

（1）計算兩個用戶的等效信噪比，當(dāng)兩個用戶的等效信噪比均高于預(yù)先設(shè)定的信噪比門限時，判斷用戶信噪比因素滿足配對條件。

（2）計算兩個用戶接收功率，當(dāng)接收功率差值小于預(yù)先設(shè)定的功率門限時，則判斷接收功率滿足配對條件。

（3）計算兩個用戶的波達(dá)角DOA，當(dāng)兩個用戶波達(dá)角差值的絕對值大于預(yù)先設(shè)定的角度門限，即滿足一定的空間隔離度時，則判斷信道相關(guān)性滿足配對條件。

如果兩個用戶的信噪比、接收功率和信道相關(guān)性滿足條件便可以進(jìn)行配對，實現(xiàn)MU-MIMO。為更好地驗證效果，現(xiàn)場區(qū)分信號強度極好點（RSRP>-75 dBm且SINR>22 dB）、好點（RSRP>-85 dBm且15 dB

從測試效果來看（如圖7所示），極好點、好點、中點、差點的用戶上行均可以配對。上行MU-MIMO打開相比于關(guān)閉吞吐量增益在極好點可達(dá)91%、好點可達(dá)87%，中點也有71%的增益，差點的RSRP較低，在-100 dBm以下，但依然也有34%左右的增益。打開上行MU-MIMO后，上行吞吐量的提升非常明顯。

4 結(jié)束語

對提升TD-LTE上行速率方法的研究已經(jīng)被越來越多的電信運營商、通信設(shè)備商、終端服務(wù)商所關(guān)注，技術(shù)的演進(jìn)必將促進(jìn)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)上行速率的不斷提升。本文探索通過單個基站資源利用率的提升、多個用戶的資源互補、差異化編碼、改變調(diào)制方式等手段，來提高TD-LTE上行速率，通過現(xiàn)場驗證得出上行速率平均值提高39%～100%，上行速率峰值提高43%～100%，MOS分增益14%，上行吞吐量增益34%～91%，高層切換明顯減少，上行速率整體提升明顯，大幅提升用戶感知。

然而隨著視頻上傳、VoLTE等上行通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，用戶對無線通信網(wǎng)絡(luò)上行速率的期望值仍在升高，作為我國自主研發(fā)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，對于上行速率的提升還需要通信人不斷的嘗試與探索。

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