繆照浜，高月紅，張欣

（北京郵電大學，北京 100876）

在美國芝加哥舉行的3GPP技術標準化工作無線接入網(wǎng)第57次會議上，針對3GPP LTE Release 12技術，中國移動集團公司的代表正式提出了在LTE系統(tǒng)中采用Small Cell （小小區(qū))作為增強技術的研究項目。Small Cell是一種低發(fā)射功率，可以覆蓋10～200 m的范圍的基站設備，工作在授權的或非授權的頻譜范圍內，相比之下，宏蜂窩的覆蓋范圍可以達到數(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，如RRH（Remote Radio Head，射頻拉遠頭）。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、自管理的功能。Small Cell是由運營商管理的，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準，包括GSM、cdma2000、TD-SCDMA、WCDMA和WiMAX。Small Cell的基本形式是家庭蜂窩，家庭蜂窩最初設計為提供室內覆蓋，現(xiàn)在其概念大大的擴充，可運用于無線設備密集的城區(qū)，商場或辦公場所等熱點區(qū)域。

隨著Small Cell部署密度的增多，會導致很多問題出現(xiàn)，如頻繁的切換失敗會給系統(tǒng)性能帶來一定影響，回程鏈路的非理想化會給Small Cell的應用帶來很大限制。此外，還有Small Cell之間的干擾消除以及頻譜效率的進一步提升等問題。因此，3GPP從LTE Release 12開始進行SCE（Small Cell Enhancement,小基站增強）技術研究工作，并將其看作是適應移動業(yè)務快速增長的重要技術手段。小基站增強采用異構網(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)境型應用，SCE擴大了應用范圍，提出了更多適應性強的室內外熱點場景，并且提出了分簇（Cluster）管理的運營模式，將物理距離較近的若干小型基站劃分為一簇，在其中設立主站，既增強了小區(qū)間基站間的自管理功能，提升了異構網(wǎng)自身性能，又通過共享資源降低了管理成本。

SCE主要目標是在移動健壯性、服務質量需求、能量效率、信令負荷開銷、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制技術，期望能在頻譜效率和吞吐量方面帶來不錯的增益。

1 Small Cell信道特點及256QAM的必要性

文獻[1]第10章對Small Cell的場景分類及各場景特點有詳細的分析說明，其中場景1、場景2a以及場景2b中均部署了宏基站，場景3只部署了Small Cell基站而沒有部署宏基站。因此，當其他條件相同時，場景3中的Small Cell用戶因為不受宏基站發(fā)射功率及宏用戶功率的干擾，該場景中Small Cell用戶的信道質量應優(yōu)于其它場景，即能有更高的信干噪比。圖1是借助于本研究室系統(tǒng)級仿真平臺對2a場景的用戶的SINR做的CDF曲線分析。

圖1 場景2a用戶SINR CDF曲線圖

從圖1中可以看出，場景2a中有相當部分用戶的信干噪比能夠到達20 dB及以上。這是因為場景3中Small Cell用戶存在更好的信道質量，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。事實上，現(xiàn)有的LTE鏈路級上最高調制方式64QAM其所對應的用戶最高SINR也只有19.2 dB，即使在更好的信道條件中其調制方式也只能采用64QAM，而不能采用更高階的調制編碼方案以提高頻譜利用率、傳輸速率、吞吐量等關鍵性能指標，這對緊張的信道資源無疑是一種浪費。

從Small Cell的信道特點來看，引入256QAM調制方式，一方面是由于在Small Cell環(huán)境中確實存在著很好的信道條件，另一方面考慮到在實際的頻帶傳輸系統(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，傳輸高效數(shù)據(jù)。采用高階調制可以提高頻譜利用率，在相同帶寬下，高階調制，信息速率更大。LTE下行就采用了64QAM使得下行速率可以達到100 Mbit/s。為了滿足越來越大的數(shù)據(jù)流量需求和進一步地改善用戶體驗，256 QAM調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，成為了本文研究的目標。

2 CQI、MCS表格重設計

2.1 現(xiàn)存問題

現(xiàn)行LTE系統(tǒng)中的下行鏈路的調制方式包括QPSK、16 QAM和64 QAM，為了有效地對無線資源進行管理，合理分配資源，3GPP研究設計了合理的CQI、MCS表格，其中包含信道質量、調制方式、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制編碼方案。但是當引入256 QAM后，由于現(xiàn)有的相關表格中并沒有包含該調制方式，需要在目前的表格基礎上進行合理的改動，設計出能同時囊括QPSK、16 QAM、64 QAM和256 QAM 4種調制方式的表格。

2.2 新的表格設計

參考3GPP RAN1 #76中的相關提案[2,3]以及Rel-8協(xié)議中相關規(guī)定得到CQI表格基本設計原則：

（1）3GPP第62次會議（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制方式時，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，MCS表格仍為#0～#31共32項，在此基礎上進行新表格的設計。保持現(xiàn)有表格規(guī)格主要是考慮到與現(xiàn)行通信設備配置、通信規(guī)則、測試等的兼容問題，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Index=0是為超出表格范圍準備的，當由SNR表征的信道質量不在表格所設計的范圍內時，即參考資源所使用的調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，所以第一項必須保留。

（3) CQI表格中的第二項Index=1為物理下行控制信道專用，需保留。

（4) 生成CQI表格時所用的仿真信道為AWGN信道。信噪比范圍為[-7～19.488 dB]，步進值約為1.892 dB，把信噪比區(qū)間分為15個，對應15個CQI等級。

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

根據(jù)上文中提到的設計原則，仍需解決兩個問題：256QAM新增項的設計以及刪除項的合理選擇。

下文給出設計方法：

（1） 添加項。參考頻譜效率圖2以及3GPP RAN1 #76會議中提案[4]，當信道環(huán)境信噪比達到19.2 dB及以上時，適合選用256 QAM調制方式。當64 QAM和256 QAM之間轉換點SNR為19.2 dB時，原CQI表格最后一項#15對應的頻譜效率5.554 7轉化為256 QAM的頻譜效率，相應的64QAM時的碼率948轉換成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。對應的SNR可以達到25 dB。觀察圖2可知頻譜效率與信道SNR幾乎呈線性關系，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256 QAM項，效率可為5.554 7、6.171 9、6.789 1和7.406 3。由于線性關系，對應的SNR從19.2 dB～25 dB之間分為4部分其話步進值也約為1.892 dB。

圖2 兩種方案魯棒性對比

綜上，需要添加的4項為表1#12、#13、#14、#15。

表1 CQI添加項&刪除項

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

表2 新信道質量指示索引表

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，保留其它項，并在表末增加了調制方式為256 QAM的4項，最后重新對CQI Index從0～15順序編號。

MCS表格設計主要思路是從新的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取平均值而來。因為新CQI表格相對于原CQI表格中有所變動，對應到MCS表格，本文方法是仍保留{2、4、6}項而刪除由{2、4、6}項插值平均得到的項（對應于原MCS表中{1、3、5、7、9、10}項）以及轉換成256 QAM的27、28項。刪除了一共8項，也就需要添加8項，新CQI表中4項256 QAM以及有他們平均得到的3項共7項，由于引進了256 QAM，MCS表中需要由原來的3個預留項增加為4個。如此恰好新增的8項填充刪除的8項，再對所有項重新從0～31順序編號。得到新的MCS表格如表3所示。

表3 新調制編碼方案索引表

3 鏈路級仿真結果

圖3 新信道質量指示表格誤塊率曲線圖

為了與未增加256 QAM調制方式的原有CQI表格仿真性能對比，驗證256 QAM添加的合理性，擴展256 QAM后仿真參數(shù)設置為：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，步進值0.25 dB；仿真CQI為1～15；仿真時長為2 000個子幀；沒有重傳。

圖3和圖4為對新設計的CQI表格進行仿真得到的曲線圖，相關參數(shù)見上文參數(shù)設置。需要注意的是，兩張圖中最后4條曲線對應著CQI索引值12～15，即調制方式為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表格設計的合理性。另一方面，當信道質量較高時，如SNR從20 ～29 dB之間時，圖3說明引入的256 QAM調制方式能夠像原有低階調制方式一樣滿足誤塊率的要求，如能夠達到0.1的誤塊率甚至更低，達到了可靠性的需求；觀察圖4中256 QAM調制部分，當信道條件較好時，選用高階的256 QAM調制方式給吞吐量帶來的增益對比原有曲線是十分合理的。再觀察5，256 QAM對應的頻譜效率相對于前3種調制方式也有了顯著地提高，與預期相符。

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上，即能夠達到誤塊率不高于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.