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，而越來越多的上行通信業(yè)務(wù)被用戶嘗試使用，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率有了更高的期待。探索通過單個(gè)基站資源利用率的提升、多個(gè)用戶的資源互補(bǔ)、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

1 引言

伴隨著數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正式商用，逐漸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(yàn)，由此用戶對(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，提升無線網(wǎng)絡(luò)速率給運(yùn)營(yíng)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(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。

在LTE建網(wǎng)初期，人們對(duì)于上行傳輸業(yè)務(wù)需求不高，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題。

本文主要從用戶上行感知的提高著手，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(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^PDSCH傳輸數(shù)據(jù)，故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幫助。

為了更好地研究LTE上行受限問題，將分析上行調(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(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，影響上行速率的主要有以下4個(gè)方面因素：

（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(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)制方式的不同，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：?jiǎn)斡脩舻纳闲蠷B數(shù)的分配會(huì)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(duì)上行的傳輸速率、覆蓋方式、編碼效率展開分析，從以下4個(gè)方面作為切入點(diǎn)，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(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）通過多個(gè)用戶的資源互補(bǔ)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(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)比功能開啟前后上行峰值速率與均值速率差異，在UL CA關(guān)閉的情況下，測(cè)試上行速率峰值為9.7 Mbps，平均速率為9.33 Mbps，打開UL CA后峰值速率達(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，此時(shí)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。故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(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：

圖4 UL 64QAM平均速率增益圖

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(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，可考慮不同需求，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，如果用戶處于弱覆蓋區(qū)域，上行功率受限，則可能會(huì)產(chǎn)生通話時(shí)延、丟包、噪聲等問題，此時(shí)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(cè)試，在小區(qū)邊緣同一個(gè)地點(diǎn)，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(bǔ)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(qiáng)上行吞吐量。當(dāng)用戶滿足無線隔離條件時(shí)，可以利用MU-MIMO技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多用戶采用相同的時(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MIMO是指利用空間不相關(guān)特性使多個(gè)用戶在相同的時(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)需滿足配對(duì)算法。

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

（2）計(jì)算兩個(gè)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(shí)，則判斷接收功率滿足配對(duì)條件。

（3）計(jì)算兩個(gè)用戶的波達(dá)角DOA，當(dāng)兩個(gè)用戶波達(dá)角差值的絕對(duì)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(shí)，則判斷信道相關(guān)性滿足配對(duì)條件。

如果兩個(gè)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(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

且5 dB

從測(cè)試效果來看（如圖7所示），極好點(diǎn)、好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)的用戶上行均可以配對(duì)。上行MU-MIMO打開相比于關(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。本文探索通過單個(gè)基站資源利用率的提升、多個(gè)用戶的資源互補(bǔ)、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(chǎng)驗(yàn)證得出上行速率平均值可提高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，用戶感知得到大幅提升。

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(duì)無線通信網(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。

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