TD―LTE上行速率提升研究

【摘 要】受UE自身能力、网络制式、天线工艺等因素影响，导致我国自主研发的TD-LTE制式4G网络上行速率受限，而越来越多的上行通信业务被用户尝试使用，用户对网络速率有了更高的期待。探索通过单个基站资源利用率的提升、多个用户的资源互补、差异化编码、改变调制方式等手段，来提高TD-LTE上行速率，提提升用户感知。

【关键词】TD-LTE上行速率 调制方式 差异化编码

[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 China’s 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S着数据时代的到来，4G网络技术正式商用，被越来越多的用户所接受并使用。数据传输速率的提高，给用户带来了前所未有的体验，由此用户对网络速率有了更高的期待。如何优化网络质量，提升无线网络速率给运营商带来了挑战。

现有4G主流技术分为FDD-LTE与TD-LTE两种双工方式，FDD采用频分双工技术，而TD-LTE采用时分双工，即一个频率既负责上传，又负责下载，由此可见使用FDD方式的4G网络上行速率具有先天优势。因此在TD-LTE网络模式下的上行速率提升需要考虑诸多上行受限因素。

LTE建网初期对于上行传输业务需求不高，人们使用4G网络业务更多的是阅读、浏览和下载，上行业务主要为邮件、聊天等小流量业务，因此TD-LTE网络因频谱利用率高等优势发展迅速，但随着VoLTE的发展等，对上行速率有了更大的要求，TD-LTE网络亟待解决上行速率问题。

本文主要从提高用户上行感知方面着手，通过上行速率调度过程分析，探索载波聚合、调制方式、编码算法等新技术，以期对TD-LTE上行的传输带宽、覆盖方式、编码效率等方面进行优化改善，从而达到提高用户上行速率的目的。

2 TD-LTE网络上行速率受限的原理分析

TD-LTE网络上行速率受限原因涉及终端能力、网络制式、天线配置等。从时隙配比角度来看，上下行时隙配比2：2与1：3相比会对上行速率有近两倍的影响，但考虑上行业务较少，TD-LTE网络建议按照上下行1：3配置。特殊时隙配比以3：9：2和10：2：2两种方式，前者可以提供更广的覆盖，并降低同频TD-S干扰，后者因为可以通过PDSCH传输数据能够有效提高下行速率，但两者对于上行速率的提升均无帮助。

为了更好地研究LTE上行受限问题，计划分析上行调度的基本过程，定位上行业务端到端网元影响速率的因素。

2.1 上行调度基本过程

在初始接入时，UE在PUCCH发送调度请求（SR），eNodeB收到SR后，下发UL grant，先分配部分资源给UE。eNodB进行上行信道质量分析，分配相应资源并通知UE，UE接收资源分配结果的通知，确定编码调制方式并传输数据，eNodeB指示是否需要重传，最后UE进行数据重传或者发送新的数据。上行调度基本过程如图1所示。

2.2 影响上行的基本因素

从上行业务端到端网元分析，影响上行的主要有以下四个方面：

（1）设备调制方式：不同类型的UE具有不同的上行峰值速率，所以在具有相同带宽的情况下，不同UE的感知度也是不同的。如Cat5终端可以支持64QAM的调制方式，固然上行速率要高于其他类型终端。具体UE性能情况如表1所示：

（2）信道条件：影响实际信号解调性能的参数如SINR、信道相关性、RSRP等决定了网络侧分配调制方式不同，如QPSK、16QAM等较低编码方式将直接影响上行速率。

（3）系统带宽：不同的系统带宽直接决定分配资源RB的数量。

（4）上行单用户RB数分配限制：单用户的上行RB数的分配会直接影响用户的上行速率。

3 提升上行速率的技术探索

尝试对上行的传输速率、覆盖方式、编码效率展开分析，以以下四个方面作为切入点，结合新技术展开探索，以期达到提高用户上行感知的目的。

（1）提升单个基站的资源利用率。效仿提高下行速率所采用的载波聚合方式，尝试采用上行载波聚合技术将同频带或不同频带的两个载波进行聚合，提高单站所用上行传输资源池。

（2）通过多个用户的资源互补提升上行速率。利用MU-MIMO技术，将满足无线隔离的多用户上行数据进行同时域传输，从而构建多个基站的小型资源池，达成群体效应，提高频谱利用率，从而提升吞吐量。

（3）差异化编码方式。根据信道质量动态调整编码速率，在不同信号质量下的用户采用不同的编码方式，如针对重点业务VoLTE采用AMC语音编码技术。

（4）改变调制方式。尝试上行64QAM调制方式，在信道质量条件好的前提下进一步提升上行的频谱效率，提高上行吞吐量。

3.1 提升单个基站资源利用率

实际TD-LTE覆盖场景一般以D频段与F频段用于室外覆盖，E频段用于室内。D频段频点为20 MHz，F1、F2频段频点分别为20 MHz、10 MHz。目前已实现了下行载波聚合，获得了下行高速率。

以此类推，尝试用上行载波聚合的方式建立单站的资源池，提升单站上行传输资源利用率。

试采用上行两载波聚合技术，为某个载波聚合终端分配最多40 MHz的上行带宽，将同频带或不同频带的两个载波进行聚合来提供更多的带宽，提高UE业务质量。

在现场选取典型小区，对比功能开启前后上行峰值速率与均值速率差异，在UL CA关闭情况下，测试上行速率峰值为9.7 Mbps，平均速率9.33 Mbps，打开UL CA峰值速率达到19.3 Mbps，平均速率18.5 Mbps，上行速率提升明显。增益效果图如图2所示：

3.2 改变调制方式

QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合。“相位+幅度”状态定义了一个数字或数字的组合。QAM的优点是具有更大的符号率（单位时间内所能发送的符号数），从而可获得更高的系统效率。通常由符号率确定占用带宽，因此每个符号的比特（基本信息单位）越多，效率就越高。对于给定的系统，所需要的符号数为2n，这里n是每个符号的比特数。

如果增大上行调制时的符号数及每个符号内的比特数，就可以在一定程度上增大上行传输速率，考虑到现有终端承载能力，尝试上行64QAM效果。

理论分析16QAM，n=4，因此有16个符号，每个符号代表4 bit：“0000， 0001， …， 0010， …”等。对于64QAM，n=6，因此有64个符号，每个符号代表6 bit：“000000， 000001， …， 000010， …”等。因此，64QAM具有更高的魇湫率，是16QAM的1.5倍。

在调制过程中，经过信道编码的二进制比特流进入QAM调制器，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，这3比特的二进制数一共有8种不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度。这样I有8个不同幅度的电平，Q有8个不同幅度的电平，而且I和Q两路信号正交。任意一个I的幅度和任意一个Q的幅度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，每个星座点代表由6个比特的数据组成的一个映射，I和Q一共有8×8共64种组合状态，各种可能出现过的数据状态组合最后映射到星座图上即为64QAM星座图，具体如图3所示：

速率计算方面，在上行支持96RB的情况下，16QAM和64QAM上行子帧承载的比特数分别如下：16QAM 比特数：（96×12×14-96×12×2）×4=55 296，速率：51 024×2=10.2 Mbps；64QAM比特数：（96×12×14-96×12×2）×6=82 944，速率：75 376×2=15.07 Mbps。

现场选取小区，对上行调制方式改变开展验证，在关闭UL 64QAM特性的情况下，上行平均速率为9.33 Mbps，峰值速率9.7 Mbps，而在打开UL 64QAM特性后上传平均速率为12.96 Mbps，峰值速率13.9 Mbps，平均速率增益39%，峰值速率增益43%，具体测试结果如图4、图5所示：

3.3 差异化编码方式

目前无论是GERAN还是UTRAN网络，都广泛采用AMR语音编码方式。AMR是语音编码的一种音频数据压缩优化方案，包括AMR-WB和AMR-NB两种方式，AMR-NB有8种语音编码率，AMR-WB有9种语音编码率。

AMR编码速率越高，传输包越大，VoLTE支持多速率AMR编码，在现网应用中，考虑不同需求，根据信道质量动态调整编码速率，提升上行感知。

VoLTE编码速率固定为23.85 kbps，如果用户处于弱覆盖区域，上行功率受限，可能会产生通话时延、丢包、噪声等问题，此时可将编码速率降为12.65 kbps，保证用户正常使用网络。而在VoLTE用户较多且覆盖良好的区域，可以适当提高编码速率，保障用户的通话感知。

选取特定小区进行测试，在小区边缘同一个地点，特性开启后的编码速率由23.85 kbps调整为12.65 kbps，整体MOS分增益是14%，如图6所示：

3.4 多用户资源互补提升上行速率

通过组建多用户间的上行传输资源池，提高小区频谱利用率，可以增强上行吞吐量。当用户满足无线隔离条件时，可以利用MU-MIMO技术，实现多用户采用相同的时频资源，提升小区频谱复用系数，提高整体吞吐量。

MU-MIMO即上行多用户MIMO是指利用空间不相关特性使多个用户在相同的时频资源位置上传输各自的数据流。不同终端发送的数据流占用相同的时频资源，基站侧接收从同一个“虚拟终端”的多个数据流，从而构成了一个虚拟MIMO系统。

目前上行只支持单流传输，因此上行MU-MIMO实现需满足配对算法。

（1）计算两个用户的等效信噪比，当两个用户的等效信噪比均高于预先设定的信噪比门限时，判断用户信噪比因素满足配对条件。

（2）计算两个用户接收功率，当接收功率差值小于预先设定的功率门限时，则判断接收功率满足配对条件。

（3）计算两个用户的波达角DOA，当两个用户波达角差值的绝对值大于预先设定的角度门限，即满足一定的空间隔离度时，则判断信道相关性满足配对条件。

如果两个用户的信噪比、接收功率和信道相关性满足条件便可以进行配对，实现MU-MIMO。为更好地验证效果，现场区分信号强度极好点（RSRP>-75 dBm且SINR>22 dB）、好点（RSRP>-85 dBm且15 dB

从测试效果来看（如图7所示），极好点、好点、中点、差点的用户上行均可以配对。上行MU-MIMO打开相比于关闭吞吐量增益在极好点可达91%、好点可达87%，中点也有71%的增益，差点的RSRP较低，在-100 dBm以下，但依然也有34%左右的增益。打开上行MU-MIMO后，上行吞吐量的提升非常明显。

4 结束语

对提升TD-LTE上行速率方法的研究已经被越来越多的电信运营商、通信设备商、终端服务商所关注，技术的演进必将促进TD-LTE网络上行速率的不断提升。本文探索通过单个基站资源利用率的提升、多个用户的资源互补、差异化编码、改变调制方式等手段，来提高TD-LTE上行速率，通过现场验证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%，高层切换明显减少，上行速率整体提升明显，大幅提升用户感知。

然而随着视频上传、VoLTE等上行通信业务的不断发展，用户对无线通信网络上行速率的期望值仍在升高，作为我国自主研发的TD-LTE网络，对于上行速率的提升还需要通信人不断的尝试与探索。

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