4.5G关键技术研究与试验分析
曾文 贺良贞 徐健
【摘 要】随着移动用户数量和移动业务的快速发展，当前LTE网络已面临局部热点负荷过高、速率慢的问题，在5G尚未到来之际，研究和试验4.5G关键技术的意义非常重大。通过研究和分析3CC CA（3 Component Carrier Aggregation）、4T4R和高阶调制这三项重要技术的特点，并在外场进行试验，为后续的网络部署提供了重要的依据。
4.5G；3CC CA；4T4R；高阶调制
1 引言
随着LTE用户数量的激增，移动业务日趋多样化、高清化，智能终端能力不断提升，手机游戏、视频业务等高速数据业务应用日益增多，移动互联网的迅猛发展给用户带来全新体验的同时，对移动网络的容量和速率提出了更高的要求。随着运营商的不限流量套餐的全面推广，网络容量问题逐渐凸显，局部高热点区域因负荷过高导致速率慢，影响了用户感知，同时也抑制了流量需求。
面对激烈的市场竞争，如何通过提供最优的用户体验，提升网络品牌吸引力，这是运营商目前必须面对和解决的难题。为了提升高热点高流量区域的用户速率，当前全球的运营商将网络建设方向纷纷转向了4.5G，甚至5G网络。根据工信部提出的5G推进工作部署，我国将于2020年正式推出5G商用服务。面对5G的部署，根据工信部目前的频率规划，中频段的频率已经明确，但新频谱的频段高，深度覆盖和建网成本都将面临挑战，在短时间内难以建设一张连续性全覆盖的5G网络。因此，在5G正式商用之前，研究和试用4.5G技术意义重大。
2 3CC CA载波聚合原理及试验分析
3GPP在Release 10（TR 36.913）阶段引入了载波聚合（Carrier Aggregation，CA），通过将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽给用户提供更高速率。载波聚合最大的优势在于不改变之前物理层结构，通过MAC层及物理层协议完成上层数据流映射到聚合的各载波中进行传输。
CA可以提供更好的用户体验，在2×2 MIMO情况下，2×20M的载波聚合情况下，CA UE下行峰值速率可达300 Mb/s。在现网多用户场景下，CA UE可以同时利用几个载波上的空闲RB，也天然地实现了负载均衡的目的，实现资源利用率最大化。对系统而言，整体频谱效率得到提升。
根据聚合载波所在的频带，CA可分为3种基本类型：频段内连续载波聚合、频段内非连续载波聚合、频段间载波聚合。载波聚合数最多5个，聚合带宽最多100 MHz，每个载波最多支持110个RB。
根据广东电信已有的L网频点，本次试验将1.8G频段15 MHz、2.1G频段20 MHz和L800频段5 MHz进行组合，部署40 MHz带宽的3CC CA载波聚合网络，如图1所示。外场试點参数配置如表1所示。
现网开启3CC CA站点，测试结果如表2和表3所示。
室外连片：3CA对比2CA平均下行速率增益可达22.20%，800M小区聚合能够带来11.9%的增益提升。
室分定点：终端从近点移动到中点、远点，辅载波始终处于激活状态，但随着SINR的降低，速率会跟着降低。
近点：3CA下行PDCP层速率可达290.65 Mb/s，对比2CA平均速率增益达25.70%，800M小区聚合带来的增益为11.74%。
中点：3CA下行PDCP层速率可达122.08 Mb/s，对比2CA平均速率增益达12.72%，800M小区聚合带来的增益均值为11.16%。
远点：3CA下行PDCP层速率可达30.44 Mb/s，对比2CA平均速率增益达19%，800M小区聚合带来的增益均值为11.26%。
开启3CC CA功能后进行兼容性测试，不影响现有2CC CA的用户，2CC CA终端在3CC CA站点下能进行正常的上传及下载业务，并且速率满足要求。
3 4T4R技术原理及试验分析
4T4R采用4天线传输技术，实现无线信号下行4路并行数据流传输，也就是4×4 MIMO。现网采用的多天线技术主要是2T2R或2T4R，基站采用2天线发射，实现下行信号2路并行数据流传输，也就是2×2 MIMO。4T4R技术通过增加空分复用增益和更好的波束赋型，对于支持4T4R的终端可以提升用户峰值速率。相较于被普遍采用的2×2 MIMO，4×4 MIMO技术理论上将数据传输速度提升两倍。随着越来越多的智能手机支持4×4 MIMO，4T4R技术为5G时代的到来奠定了技术基础。
4T4R的实现方式可以采用两个2T2R RRU双拼方式部署，实现4×4 MIMO，配置更灵活，建设和维护成本更低。图2是采用双拼部署方式设备端口的正确连接方法，RRU的4个RfPort（A、B、C、D）分别对应天线的AuPort0、2、1、3，与天线端连接的RfBranch的顺序为1、3、2、4。
从现网的2T2R向4T4R演进过程中，会出现2×2 MIMO、4×2 MIMO、4×4 MIMO这几种情况。本次外场测试会对3种方式进行对比分析。外场测试参数配置如表4所示，4×4 MIMO传输模式配置为TM3/TM4。
单站拉远室外测试中，在远点、中点、近点的情况下，4×4 MIMO都能获得不同程度的速率增益，可以提升边缘覆盖。在近点情况下4×4 MIMO获得的下行速率增益是2×2 MIMO的2倍，4×2 MIMO基本上与2×2 MIMO速率相当。
在室外连片路测中，如图3和图4所示，2×2 MIMO、
4×2 MIMO、4×4 MIMO的平均下行速率分别为25.36 Mb/s、26.05 Mb/s、42.32 Mb/s，4×4 MIMO相比2×2 MIMO、4×2 MIMO获得的速率增益分别为66.88%、62.5%。且在4×4 MIMO场景下，RANK3及RANK4占比可达49.12%。
在峰值速率上，在近点测试时，如图5所示，4×4 MIMO、2×2 MIMO的实测峰值速率分别可达220 Mb/s、109.8 Mb/s，接近理论峰值速率（试验站点为15M带宽）。
由此可见，4T4R技术优势强，速率增益较为明显，但现网需要对网络侧进行改造，改造成本也是网络部署中需要考虑的重点因素之一。
4 高阶调制原理及试验分析
高阶调制解调技术是在维持相同的符号速率（Symbol Rate）不变的前提下，通过采用更高阶的调制解调，提高比特率（Bit Rate），提升吞吐率。
在LTE R12之前，下行调制方式最大支持64QAM，上行最大支持16QAM。当用户处于足够好的无线环境时，由于最大调制方式的限制，用户的峰值速率受到了一定的局限性约束。LTE R12引入了下行256QAM和上行64QAM高阶调制功能，能在相同的Symbol上面传输更多的比特数，这是提升速率的本质原因。
根据调制方式的不同，256QAM、64QAM和16QAM，每种调制方式单个Symbol可携带的最大比特数量分别为8个、6个和4个，如图6所示。如果其他无线环境均相同，包括CQI、MCS、BLER等，而且每种调制方式都是携带最大比特数量进行传输，那么256QAM相对64QAM增益为8/6（约1.3），64QAM相对16QAM增益为6/4（约1.5）。
对于20 MHz带宽载波，在2×2 MIMO下，支持256QAM功能的下行最大用户峰值速率（MAC层）可以从原来的150 Mb/s提升到200 Mb/s。对于20 MHz带宽载波，开启UL 64QAM功能后，支持64QAM功能的上行峰值速率可以提升到约75 Mb/s，而传统16QAM只有约50 Mb/s。
高阶调制与信道质量密切相关，只有信道质量满足一定条件时，才可以进入高阶调制算法。在3GPP 36.213协议中，MCS大于或等于20，是进入256QAM调制算法的必要条件，如表5所示。高阶调制外场试验参数配置如表6所示。
4.1 下行256QAM试验测试
（1）室外连片路测：实际现网配置，测试路段部分站点开启L1800（15M）+L2100（20M）载波聚合。当SINR>20时，采样点中近90%的调制方式为256QAM，如图7所示。对于SINR>20的采样点数据进行MCS和CQI数据统计分析，MCS大于20的样本点占比超过90%，CQI值大于12.5的样本点占比超过90%。测试数据反映信道质量满足一定条件才可进入高阶调制。
室外路测结果显示，下行256QAM开启前后网络整体覆盖指标RSRP、SINR数值波动不大，256QAM的占比达34.21%，平均PDCP 速率增益达24.86%，如表7所示。
（2）室分测试结果
试点室分（黄江天虹商场L1800单通道）负一楼由室分覆盖，不受室外信号干扰。当开启下行256QAM功能之后，256QAM占比高达92.74%，带来的下行速率增益为38.66%。随着楼层的增加，受到室外基站干扰，SINR值降低，BLER数值也随之恶化。下行256QAM占比也相应下降，2楼和4楼下行平均速率增益分别为18.58%和9.51%，统计数据如表8所示。
4.2 上行64QAM测试
（1）室外连片路测
室外连片路测结果如图8和表9所示，当RSRP大于-92 dBm时，64QAM的调制占比可达90%以上。室外连片路测平均速率从24.39 Mb/s提升至32.09 Mb/s，增益达31.55%。
（2）室分测试
试点室分（黄江天虹商场L1800单通道），由于上行PRB利用率较高，Tx Power数值相对都较高。在B1楼、2楼和4楼，上行MCS平均数值都相对较低，因此64QAM调制占比相对也较低，64QAM带来的速率增益并不明显。在B1楼平均速率增益为9.36%，在2楼和4楼又受到不同程度的室外干扰，速率增益分别为3.69%、3.38%。表10为上行64QAM开启后室分测试结果。
根据理论研究和外场试验，高阶调制技术可以快速提升用户速率，但需要信道质量满足一定条件才可以进入。在信道质量较差的情况下，高阶调制的作用并不明显。因此，在开启高阶调制技术的同时，网络规划、RF优化工作必须更精准。
5 结束语
随着用户规模和业务需求的快速增长，网络容量问题日益凸显，网络速率难以满足用户需求。本文重点研究了3CC CA、4T4R和高阶调制这三个重要技术的特点，并通过外场试验进行测试验证。本次外场试验，3CC CA相比现网的2CC CA技术，通过增加L800 5M载波，在近点下行PDCP层速率可达290.65 Mb/s，速率增益达25.70%。4T4R技术在近点的情况下，4×4 MIMO获得的速率增益是2×2 MIMO的2倍，同时也可以增强边缘覆盖，但现网需要进行改造，改造成本在后续部署中也需要考虑。高阶调制在无线环境良好的情况下，下行256QAM和上行64QAM占比可达90%以上，带来的下行、上行速率增益可达38.66%、31.55%，在无线环境较差的情况下，获得的速率增益并不明显。运营商可根据实际情况，采用一种或多种技术组合部署来缓解现网负荷压力。
参考文献：
[1] 朱浩，项菲. 5G网络架构设计与标准化进展[J]. 电信科学， 2016，32（4）： 126-132.
[2] 王胡成，徐晖，程志密，等. 5G网络技术研究现状和发展趋势[J]. 电信科学， 2015，31（9）： 149-155.
[3] 李福昌. 4.5G/5G时代Massive MIMO无限风光在险峰[J]. 通信世界， 2017（10）： 43-44.
[4] 张建国，徐恩，周广琪. 中国移动MIMO增强技术部署研究[J]. 移动通信， 2016（11）： 12-16.
[5] 颉斌. LTE载波聚合研究[J]. 电信网技术， 2016（8）： 87-90.
[6] 黄海峰. LTE-A进入爆发期 中国运營商明确载波聚合部署规划[J]. 通信世界， 2015（13）： 38.
[7] 张益祥，简浩. LTE-A的载波聚合技术[J]. 信息通信， 2016（2）： 259-260.
[8] Gohil A， Modi H， Patel S K. 5G technology of mobile communication： A survey[C]//Intelligent Systems and Signal Processing（ISSP）， 2013 International Conference on IEEE， 2013： 288-292.
[9] 伍裕江. 有源天线及Massive MIMO天线测试探讨[J]. 电信技术， 2016（8）： 100-103.
[10] 邢君. 移动终端MIMO天线前端技术研究[D]. 成都： 电子科技大学， 2013.
[11] 栾帅. 浅析大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响[J]. 邮电设计技术， 2016（7）： 28-32.
[12] 陈宇，王月珍. LTE多天线接受增强技术组网分析[J]. 移动通信， 2015，39（2）： 40-44.
【摘 要】随着移动用户数量和移动业务的快速发展，当前LTE网络已面临局部热点负荷过高、速率慢的问题，在5G尚未到来之际，研究和试验4.5G关键技术的意义非常重大。通过研究和分析3CC CA（3 Component Carrier Aggregation）、4T4R和高阶调制这三项重要技术的特点，并在外场进行试验，为后续的网络部署提供了重要的依据。
4.5G；3CC CA；4T4R；高阶调制
1 引言
随着LTE用户数量的激增，移动业务日趋多样化、高清化，智能终端能力不断提升，手机游戏、视频业务等高速数据业务应用日益增多，移动互联网的迅猛发展给用户带来全新体验的同时，对移动网络的容量和速率提出了更高的要求。随着运营商的不限流量套餐的全面推广，网络容量问题逐渐凸显，局部高热点区域因负荷过高导致速率慢，影响了用户感知，同时也抑制了流量需求。
面对激烈的市场竞争，如何通过提供最优的用户体验，提升网络品牌吸引力，这是运营商目前必须面对和解决的难题。为了提升高热点高流量区域的用户速率，当前全球的运营商将网络建设方向纷纷转向了4.5G，甚至5G网络。根据工信部提出的5G推进工作部署，我国将于2020年正式推出5G商用服务。面对5G的部署，根据工信部目前的频率规划，中频段的频率已经明确，但新频谱的频段高，深度覆盖和建网成本都将面临挑战，在短时间内难以建设一张连续性全覆盖的5G网络。因此，在5G正式商用之前，研究和试用4.5G技术意义重大。
2 3CC CA载波聚合原理及试验分析
3GPP在Release 10（TR 36.913）阶段引入了载波聚合（Carrier Aggregation，CA），通过将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽给用户提供更高速率。载波聚合最大的优势在于不改变之前物理层结构，通过MAC层及物理层协议完成上层数据流映射到聚合的各载波中进行传输。
CA可以提供更好的用户体验，在2×2 MIMO情况下，2×20M的载波聚合情况下，CA UE下行峰值速率可达300 Mb/s。在现网多用户场景下，CA UE可以同时利用几个载波上的空闲RB，也天然地实现了负载均衡的目的，实现资源利用率最大化。对系统而言，整体频谱效率得到提升。
根据聚合载波所在的频带，CA可分为3种基本类型：频段内连续载波聚合、频段内非连续载波聚合、频段间载波聚合。载波聚合数最多5个，聚合带宽最多100 MHz，每个载波最多支持110个RB。
根据广东电信已有的L网频点，本次试验将1.8G频段15 MHz、2.1G频段20 MHz和L800频段5 MHz进行组合，部署40 MHz带宽的3CC CA载波聚合网络，如图1所示。外场试點参数配置如表1所示。
现网开启3CC CA站点，测试结果如表2和表3所示。
室外连片：3CA对比2CA平均下行速率增益可达22.20%，800M小区聚合能够带来11.9%的增益提升。
室分定点：终端从近点移动到中点、远点，辅载波始终处于激活状态，但随着SINR的降低，速率会跟着降低。
近点：3CA下行PDCP层速率可达290.65 Mb/s，对比2CA平均速率增益达25.70%，800M小区聚合带来的增益为11.74%。
中点：3CA下行PDCP层速率可达122.08 Mb/s，对比2CA平均速率增益达12.72%，800M小区聚合带来的增益均值为11.16%。
远点：3CA下行PDCP层速率可达30.44 Mb/s，对比2CA平均速率增益达19%，800M小区聚合带来的增益均值为11.26%。
开启3CC CA功能后进行兼容性测试，不影响现有2CC CA的用户，2CC CA终端在3CC CA站点下能进行正常的上传及下载业务，并且速率满足要求。
3 4T4R技术原理及试验分析
4T4R采用4天线传输技术，实现无线信号下行4路并行数据流传输，也就是4×4 MIMO。现网采用的多天线技术主要是2T2R或2T4R，基站采用2天线发射，实现下行信号2路并行数据流传输，也就是2×2 MIMO。4T4R技术通过增加空分复用增益和更好的波束赋型，对于支持4T4R的终端可以提升用户峰值速率。相较于被普遍采用的2×2 MIMO，4×4 MIMO技术理论上将数据传输速度提升两倍。随着越来越多的智能手机支持4×4 MIMO，4T4R技术为5G时代的到来奠定了技术基础。
4T4R的实现方式可以采用两个2T2R RRU双拼方式部署，实现4×4 MIMO，配置更灵活，建设和维护成本更低。图2是采用双拼部署方式设备端口的正确连接方法，RRU的4个RfPort（A、B、C、D）分别对应天线的AuPort0、2、1、3，与天线端连接的RfBranch的顺序为1、3、2、4。
从现网的2T2R向4T4R演进过程中，会出现2×2 MIMO、4×2 MIMO、4×4 MIMO这几种情况。本次外场测试会对3种方式进行对比分析。外场测试参数配置如表4所示，4×4 MIMO传输模式配置为TM3/TM4。
单站拉远室外测试中，在远点、中点、近点的情况下，4×4 MIMO都能获得不同程度的速率增益，可以提升边缘覆盖。在近点情况下4×4 MIMO获得的下行速率增益是2×2 MIMO的2倍，4×2 MIMO基本上与2×2 MIMO速率相当。
在室外连片路测中，如图3和图4所示，2×2 MIMO、
4×2 MIMO、4×4 MIMO的平均下行速率分别为25.36 Mb/s、26.05 Mb/s、42.32 Mb/s，4×4 MIMO相比2×2 MIMO、4×2 MIMO获得的速率增益分别为66.88%、62.5%。且在4×4 MIMO场景下，RANK3及RANK4占比可达49.12%。
在峰值速率上，在近点测试时，如图5所示，4×4 MIMO、2×2 MIMO的实测峰值速率分别可达220 Mb/s、109.8 Mb/s，接近理论峰值速率（试验站点为15M带宽）。
由此可见，4T4R技术优势强，速率增益较为明显，但现网需要对网络侧进行改造，改造成本也是网络部署中需要考虑的重点因素之一。
4 高阶调制原理及试验分析
高阶调制解调技术是在维持相同的符号速率（Symbol Rate）不变的前提下，通过采用更高阶的调制解调，提高比特率（Bit Rate），提升吞吐率。
在LTE R12之前，下行调制方式最大支持64QAM，上行最大支持16QAM。当用户处于足够好的无线环境时，由于最大调制方式的限制，用户的峰值速率受到了一定的局限性约束。LTE R12引入了下行256QAM和上行64QAM高阶调制功能，能在相同的Symbol上面传输更多的比特数，这是提升速率的本质原因。
根据调制方式的不同，256QAM、64QAM和16QAM，每种调制方式单个Symbol可携带的最大比特数量分别为8个、6个和4个，如图6所示。如果其他无线环境均相同，包括CQI、MCS、BLER等，而且每种调制方式都是携带最大比特数量进行传输，那么256QAM相对64QAM增益为8/6（约1.3），64QAM相对16QAM增益为6/4（约1.5）。
对于20 MHz带宽载波，在2×2 MIMO下，支持256QAM功能的下行最大用户峰值速率（MAC层）可以从原来的150 Mb/s提升到200 Mb/s。对于20 MHz带宽载波，开启UL 64QAM功能后，支持64QAM功能的上行峰值速率可以提升到约75 Mb/s，而传统16QAM只有约50 Mb/s。
高阶调制与信道质量密切相关，只有信道质量满足一定条件时，才可以进入高阶调制算法。在3GPP 36.213协议中，MCS大于或等于20，是进入256QAM调制算法的必要条件，如表5所示。高阶调制外场试验参数配置如表6所示。
4.1 下行256QAM试验测试
（1）室外连片路测：实际现网配置，测试路段部分站点开启L1800（15M）+L2100（20M）载波聚合。当SINR>20时，采样点中近90%的调制方式为256QAM，如图7所示。对于SINR>20的采样点数据进行MCS和CQI数据统计分析，MCS大于20的样本点占比超过90%，CQI值大于12.5的样本点占比超过90%。测试数据反映信道质量满足一定条件才可进入高阶调制。
室外路测结果显示，下行256QAM开启前后网络整体覆盖指标RSRP、SINR数值波动不大，256QAM的占比达34.21%，平均PDCP 速率增益达24.86%，如表7所示。
（2）室分测试结果
试点室分（黄江天虹商场L1800单通道）负一楼由室分覆盖，不受室外信号干扰。当开启下行256QAM功能之后，256QAM占比高达92.74%，带来的下行速率增益为38.66%。随着楼层的增加，受到室外基站干扰，SINR值降低，BLER数值也随之恶化。下行256QAM占比也相应下降，2楼和4楼下行平均速率增益分别为18.58%和9.51%，统计数据如表8所示。
4.2 上行64QAM测试
（1）室外连片路测
室外连片路测结果如图8和表9所示，当RSRP大于-92 dBm时，64QAM的调制占比可达90%以上。室外连片路测平均速率从24.39 Mb/s提升至32.09 Mb/s，增益达31.55%。
（2）室分测试
试点室分（黄江天虹商场L1800单通道），由于上行PRB利用率较高，Tx Power数值相对都较高。在B1楼、2楼和4楼，上行MCS平均数值都相对较低，因此64QAM调制占比相对也较低，64QAM带来的速率增益并不明显。在B1楼平均速率增益为9.36%，在2楼和4楼又受到不同程度的室外干扰，速率增益分别为3.69%、3.38%。表10为上行64QAM开启后室分测试结果。
根据理论研究和外场试验，高阶调制技术可以快速提升用户速率，但需要信道质量满足一定条件才可以进入。在信道质量较差的情况下，高阶调制的作用并不明显。因此，在开启高阶调制技术的同时，网络规划、RF优化工作必须更精准。
5 结束语
随着用户规模和业务需求的快速增长，网络容量问题日益凸显，网络速率难以满足用户需求。本文重点研究了3CC CA、4T4R和高阶调制这三个重要技术的特点，并通过外场试验进行测试验证。本次外场试验，3CC CA相比现网的2CC CA技术，通过增加L800 5M载波，在近点下行PDCP层速率可达290.65 Mb/s，速率增益达25.70%。4T4R技术在近点的情况下，4×4 MIMO获得的速率增益是2×2 MIMO的2倍，同时也可以增强边缘覆盖，但现网需要进行改造，改造成本在后续部署中也需要考虑。高阶调制在无线环境良好的情况下，下行256QAM和上行64QAM占比可达90%以上，带来的下行、上行速率增益可达38.66%、31.55%，在无线环境较差的情况下，获得的速率增益并不明显。运营商可根据实际情况，采用一种或多种技术组合部署来缓解现网负荷压力。
参考文献：
[1] 朱浩，项菲. 5G网络架构设计与标准化进展[J]. 电信科学， 2016，32（4）： 126-132.
[2] 王胡成，徐晖，程志密，等. 5G网络技术研究现状和发展趋势[J]. 电信科学， 2015，31（9）： 149-155.
[3] 李福昌. 4.5G/5G时代Massive MIMO无限风光在险峰[J]. 通信世界， 2017（10）： 43-44.
[4] 张建国，徐恩，周广琪. 中国移动MIMO增强技术部署研究[J]. 移动通信， 2016（11）： 12-16.
[5] 颉斌. LTE载波聚合研究[J]. 电信网技术， 2016（8）： 87-90.
[6] 黄海峰. LTE-A进入爆发期 中国运營商明确载波聚合部署规划[J]. 通信世界， 2015（13）： 38.
[7] 张益祥，简浩. LTE-A的载波聚合技术[J]. 信息通信， 2016（2）： 259-260.
[8] Gohil A， Modi H， Patel S K. 5G technology of mobile communication： A survey[C]//Intelligent Systems and Signal Processing（ISSP）， 2013 International Conference on IEEE， 2013： 288-292.
[9] 伍裕江. 有源天线及Massive MIMO天线测试探讨[J]. 电信技术， 2016（8）： 100-103.
[10] 邢君. 移动终端MIMO天线前端技术研究[D]. 成都： 电子科技大学， 2013.
[11] 栾帅. 浅析大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响[J]. 邮电设计技术， 2016（7）： 28-32.
[12] 陈宇，王月珍. LTE多天线接受增强技术组网分析[J]. 移动通信， 2015，39（2）： 40-44.
