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(guó)自主研發(fā)的TD-LTE制式4G網(wǎng)絡(luò)上行速率受限，而越來(lái)越多的上行通信業(yè)務(wù)被用戶(hù)嘗試使用，用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率有了更高的期待。探索通過(guò)單個(gè)基站資源利用率的提升、多個(gè)用戶(hù)的資源互補(bǔ)、差異化編碼、改變調(diào)制方式等手段，來(lái)提高TD-LTE上行速率，提提升用戶(hù)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(shí)代的到來(lái)，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正式商用，被越來(lái)越多的用戶(hù)所接受并使用。數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，給用戶(hù)帶來(lái)了前所未有的體驗(yàn)，由此用戶(hù)對(duì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)速率給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)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(shí)分雙工，即一個(gè)頻率既負(fù)責(zé)上傳，又負(fù)責(zé)下載，由此可見(jiàn)使用FDD方式的4G網(wǎng)絡(luò)上行速率具有先天優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(shì)發(fā)展迅速，但隨著VoLTE的發(fā)展等，對(duì)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(wèn)題。

本文主要從提高用戶(hù)上行感知方面著手，通過(guò)上行速率調(diào)度過(guò)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(duì)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(hù)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(shí)隙配比角度來(lái)看，上下行時(shí)隙配比2：2與1：3相比會(huì)對(duì)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(shí)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?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)PDSCH傳輸數(shù)據(jù)能夠有效提高下行速率，但兩者對(duì)于上行速率的提升均無(wú)幫助。

為了更好地研究LTE上行受限問(wèn)題，計(jì)劃分析上行調(diào)度的基本過(guò)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(guò)程

在初始接入時(shí)，UE在PUCCH發(fā)送調(diào)度請(qǐng)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(guò)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(gè)方面：

（1）設(shè)備調(diào)制方式：不同類(lèi)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(lèi)型終端。具體UE性能情況如表1所示：

（2）信道條件：影響實(shí)際信號(hào)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(hù)RB數(shù)分配限制：?jiǎn)斡脩?hù)的上行RB數(shù)的分配會(huì)直接影響用戶(hù)的上行速率。

3 提升上行速率的技術(shù)探索

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

（1）提升單個(gè)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(gè)載波進(jìn)行聚合，提高單站所用上行傳輸資源池。

（2）通過(guò)多個(gè)用戶(hù)的資源互補(bǔ)提升上行速率。利用MU-MIMO技術(shù)，將滿(mǎn)足無(wú)線隔離的多用戶(hù)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)域傳輸，從而構(gòu)建多個(gè)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(dòng)態(tài)調(diào)整編碼速率，在不同信號(hào)質(zhì)量下的用戶(hù)采用不同的編碼方式，如針對(duì)重點(diǎn)業(yè)務(wù)VoLTE采用AMC語(yǔ)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(gè)基站資源利用率

實(shí)際TD-LTE覆蓋場(chǎng)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(diǎn)為20 MHz，F(xiàn)1、F2頻段頻點(diǎn)分別為20 MHz、10 MHz。目前已實(shí)現(xiàn)了下行載波聚合，獲得了下行高速率。

以此類(lèi)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(gè)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(gè)載波進(jìn)行聚合來(lái)提供更多的帶寬，提高UE業(yè)務(wù)質(zhì)量。

在現(xiàn)場(chǎng)選取典型小區(qū)，對(duì)比功能開(kāi)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(cè)試上行速率峰值為9.7 Mbps，平均速率9.33 Mbps，打開(kāi)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(shí)際上是幅度調(diào)制和相位調(diào)制的組合?！跋辔?幅度”狀態(tài)定義了一個(gè)數(shù)字或數(shù)字的組合。QAM的優(yōu)點(diǎn)是具有更大的符號(hào)率（單位時(shí)間內(nèi)所能發(fā)送的符號(hào)數(shù)），從而可獲得更高的系統(tǒng)效率。通常由符號(hào)率確定占用帶寬，因此每個(gè)符號(hào)的比特（基本信息單位）越多，效率就越高。對(duì)于給定的系統(tǒng)，所需要的符號(hào)數(shù)為2n，這里n是每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)。

如果增大上行調(diào)制時(shí)的符號(hào)數(shù)及每個(gè)符號(hào)內(nèi)的比特?cái)?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(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)代表4 bit：“0000， 0001， …， 0010， …”等。對(duì)于64QAM，n=6，因此有64個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)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(guò)程中，經(jīng)過(guò)信道編碼的二進(jìn)制比特流進(jìn)入QAM調(diào)制器，信號(hào)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(duì)應(yīng)8種不同的電平幅度。這樣I有8個(gè)不同幅度的電平，Q有8個(gè)不同幅度的電平，而且I和Q兩路信號(hào)正交。任意一個(gè)I的幅度和任意一個(gè)Q的幅度組合都會(huì)在極坐標(biāo)圖上映射一個(gè)相應(yīng)的星座點(diǎn)，每個(gè)星座點(diǎn)代表由6個(gè)比特的數(shù)據(jù)組成的一個(gè)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(guò)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(jì)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?cái)?shù)分別如下：16QAM 比特?cái)?shù)：（96×12×14-96×12×2）×4=55 296，速率：51 024×2=10.2 Mbps；64QAM比特?cái)?shù)：（96×12×14-96×12×2）×6=82 944，速率：75 376×2=15.07 Mbps。

現(xiàn)場(chǎng)選取小區(qū)，對(duì)上行調(diào)制方式改變開(kāi)展驗(yàn)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(kāi)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(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示：

3.3 差異化編碼方式

目前無(wú)論是GERAN還是UTRAN網(wǎng)絡(luò)，都廣泛采用AMR語(yǔ)音編碼方式。AMR是語(yǔ)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(yǔ)音編碼率，AMR-WB有9種語(yǔ)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(dòng)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(hù)處于弱覆蓋區(qū)域，上行功率受限，可能會(huì)產(chǎn)生通話(huà)時(shí)延、丟包、噪聲等問(wèn)題，此時(shí)可將編碼速率降為12.65 kbps，保證用戶(hù)正常使用網(wǎng)絡(luò)。而在VoLTE用戶(hù)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(hù)的通話(huà)感知。

選取特定小區(qū)進(jìn)行測(cè)試，在小區(qū)邊緣同一個(gè)地點(diǎn)，特性開(kāi)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(hù)資源互補(bǔ)提升上行速率

通過(guò)組建多用戶(hù)間的上行傳輸資源池，提高小區(qū)頻譜利用率，可以增強(qiáng)上行吞吐量。當(dāng)用戶(hù)滿(mǎn)足無(wú)線隔離條件時(shí)，可以利用MU-MIMO技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)采用相同的時(shí)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(hù)MIMO是指利用空間不相關(guān)特性使多個(gè)用戶(hù)在相同的時(shí)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(shí)頻資源，基站側(cè)接收從同一個(gè)“虛擬終端”的多個(gè)數(shù)據(jù)流，從而構(gòu)成了一個(gè)虛擬MIMO系統(tǒng)。

目前上行只支持單流傳輸，因此上行MU-MIMO實(shí)現(xiàn)需滿(mǎn)足配對(duì)算法。

（1）計(jì)算兩個(gè)用戶(hù)的等效信噪比，當(dāng)兩個(gè)用戶(hù)的等效信噪比均高于預(yù)先設(shè)定的信噪比門(mén)限時(shí)，判斷用戶(hù)信噪比因素滿(mǎn)足配對(duì)條件。

（2）計(jì)算兩個(gè)用戶(hù)接收功率，當(dāng)接收功率差值小于預(yù)先設(shè)定的功率門(mén)限時(shí)，則判斷接收功率滿(mǎn)足配對(duì)條件。

（3）計(jì)算兩個(gè)用戶(hù)的波達(dá)角DOA，當(dāng)兩個(gè)用戶(hù)波達(dá)角差值的絕對(duì)值大于預(yù)先設(shè)定的角度門(mén)限，即滿(mǎn)足一定的空間隔離度時(shí)，則判斷信道相關(guān)性滿(mǎn)足配對(duì)條件。

如果兩個(gè)用戶(hù)的信噪比、接收功率和信道相關(guān)性滿(mǎn)足條件便可以進(jìn)行配對(duì)，實(shí)現(xiàn)MU-MIMO。為更好地驗(yàn)證效果，現(xiàn)場(chǎng)區(qū)分信號(hào)強(qiáng)度極好點(diǎn)（RSRP>-75 dBm且SINR>22 dB）、好點(diǎn)（RSRP>-85 dBm且15 dB

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

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)提升TD-LTE上行速率方法的研究已經(jīng)被越來(lái)越多的電信運(yùn)營(yíng)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(guò)單個(gè)基站資源利用率的提升、多個(gè)用戶(hù)的資源互補(bǔ)、差異化編碼、改變調(diào)制方式等手段，來(lái)提高TD-LTE上行速率，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)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(hù)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(hù)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上行速率的期望值仍在升高，作為我國(guó)自主研發(fā)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于上行速率的提升還需要通信人不斷的嘗試與探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于實(shí). TD-LTE上行速率分析體系與實(shí)踐[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2015，28（7）： 48-51.

[2] 曠婧華，鄧偉，許靈軍. 上行多小區(qū)協(xié)作方案研究及應(yīng)用[A]. 2014 LTE網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)論文集[C]. 2014.

[3] 包亞偉. TD-LTE系統(tǒng)上行MIMO技術(shù)研究[D]. 北京： 北京郵電大學(xué)， 2010.

[4] 張翔. TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)下MIMO-OFDM檢測(cè)算法及其DSP實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2015.

[5] 孫翠珍，曾召華. 上行信道估計(jì)在TD-LTE系統(tǒng)中的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2011，34（23）： 190-192.

[6] 林曉冬，宋曉國(guó). 基于TD-LTE的上行功率控制技術(shù)研究[J]. 通信技術(shù)， 2012，45（8）： 84-86.

[7] 聶茜影. NSN大幅提升LTE上行鏈路與下行鏈路數(shù)據(jù)速率[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2014（1）： 14.

[8] 畢丹宏，張益，方韌. TD-LTE速率提升優(yōu)化方案[J]. 電信快報(bào)， 2016（9）： 10-13.

[9] 陶蕾. TD-LTE室內(nèi)場(chǎng)景的性能分析[J]. 電信技術(shù)， 2014（5）： 103-108.

[10] 楊鵬，李波. TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試要點(diǎn)[J]. 現(xiàn)代電信科技， 2009，39（11）： 5-7.