LTE的技術(shù)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)

LTE的技術(shù)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)

【摘要】LTE作為一個革命性的寬帶移動通信標準，從頻域、空域等維度對空間信道進行了深度挖掘，同時采用了自適應系統(tǒng)設(shè)計和簡潔全IP扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供了強大的時頻資源。面對極度靈活的系統(tǒng)，在如何高效地利用這些時頻資源、如何實現(xiàn)真正的同頻組網(wǎng)等方面仍存在挑戰(zhàn)，需艱巨努力才能充分發(fā)揮LTE技術(shù)的預期潛力。本文分析了3GPP長期演進（LTE）標準的技術(shù)創(chuàng)新點以及研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)。
1 引言
隨著3GPP LTE（長期演進）技術(shù)的標準化接近完成，LTE的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)進入到關(guān)鍵階段。我國和國際上的主要移動通信廠商均已開發(fā)出TD-LTE或FDD LTE研發(fā)樣機，并基于這些樣機進行了一系列概念驗證測試。某些比較激進的歐美運營商也已經(jīng)和一些開發(fā)進度較快的設(shè)備廠商簽訂了預商用網(wǎng)絡(luò)的合同，準備部署城市級別的LTE試驗網(wǎng)絡(luò)。
作為一個具備巨大潛力的創(chuàng)新技術(shù)，LTE無疑將在傳統(tǒng)話音市場利潤逐漸趨薄的今天，為無線通信產(chǎn)業(yè)向移動互聯(lián)網(wǎng)市場擴展提供了寶貴的機遇。但同時，LTE作為一個全面采用了革命性技術(shù)的新標準，也給通信產(chǎn)業(yè)提出了一系列挑戰(zhàn)。因此，在LTE產(chǎn)業(yè)化早期，對LTE技術(shù)創(chuàng)新的實質(zhì)和技術(shù)挑戰(zhàn)有一個清醒的認識是多有裨益的。
2 LTE標準化進展
LTE名為“演進”（Evolution），實為“革命”（Revolution），3G系統(tǒng)采用的核心技術(shù)大部分沒有被沿用，轉(zhuǎn)而采用了大量的創(chuàng)新型技術(shù)和嶄新的系統(tǒng)設(shè)計。3GPP自2004年11月啟動LTE項目以來，3GPP以頻繁的會議全力推進LTE的研究工作。僅半年就完成了需求的制定，在2006年9月完成了研究階段（Study Item，SI）的工作，2008年底基本完成工作階段（Work Item，WI）的標準制定工作，形成了LTE標準的第一個完成版本——R8版本。截至2009年3月，LTE的核心標準基本趨于穩(wěn)定，雖然不斷還有細節(jié)性的更新，但對設(shè)備開發(fā)已經(jīng)影響不大。但射頻和終端測試方面的規(guī)范尚沒有完全完成，對LTE系統(tǒng)、終端的研發(fā)和測試還有一定影響。
從2009年初開始，3GPP開始LTE R9的標準化工作。R9將是一個“較短”的版本，預計2009年底完成。除了對R8進行修訂的同時，R9也將基于LTE核心標準進行一定的增強和應用性擴展，比較重要的工作包括：
（1）雙流波束賦形：即在R8 LTE采用的單流波束賦形（Beamforming）基礎(chǔ)上和空間復用技術(shù)相結(jié)合，擴展到雙流波束賦形，提高峰值速率。
（2）基于LTE的定位技術(shù)：即基于LTE標準的基站定位（Positioning）技術(shù)。
（3）基于LTE的家庭基站技術(shù)：LTE核心標準對家庭基站（Home eNodeB）已經(jīng)作了初步的考慮，但還有很大優(yōu)化空間。R9將針對家庭基站對LTE標準進行進一步優(yōu)化。
LTE的長期演進——LTE-Advanced技術(shù)的研究階段工作也在緊鑼密鼓地進行，基于這項研究，3GPP將在2010年10月向ITU提交IMT-Advanced候選技術(shù)提案。在LTE核心標準基礎(chǔ)上，LTE-Advanced將在載波聚合（Carrier Aggregation）技術(shù)，協(xié)同多點（CoMP）技術(shù)，中繼（Relay）技術(shù)，上行MIMO技術(shù)幾個方面采用技術(shù)增強。
3 LTE的技術(shù)創(chuàng)新
3.1 LTE的技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域
創(chuàng)新一：采用頻分多址系統(tǒng)代替碼分系統(tǒng)
LTE系統(tǒng)拋棄了3G系統(tǒng)長期采用的CDMA（碼分多址）技術(shù)，采用了以O(shè)FDMA（正交頻分多址）為核心的多支技術(shù)。OFDMA技術(shù)的關(guān)鍵是在小區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了正交傳輸，使系統(tǒng)可以為特定用戶在特定時間內(nèi)分配一段獨享的“干凈”帶寬，從而為實現(xiàn)更高峰值速率提供了基礎(chǔ)。相對而言，CDMA系統(tǒng)即使在小區(qū)內(nèi)部也面臨著“用戶間干擾”問題，因此在實現(xiàn)高峰值速率時，可能比OFDMA系統(tǒng)難度更大一些。
LTE系統(tǒng)的上行采用了SC-FDMA（單載波頻分多址）技術(shù)，這是一種OFDMA的改進技術(shù)，可以在保持OFDMA正交傳輸特性的同時，兼顧單載波傳輸?shù)牡头迤奖龋≒APR）特性，從而獲得較好的終端功放效率和較低的功放成本。創(chuàng)新二：采用了MIMO（多天線技術(shù)）技術(shù)
LTE系統(tǒng)是迄今為止最全面地采用了MIMO技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，與IEEE 802.16e只采用空間分集技術(shù)相比，LTE采用了各種MIMO傳輸模式，包括：
（1）下行MIMO模式
● 發(fā)射分集：通過在多個天線上重復發(fā)送一個數(shù)據(jù)流的不同版本獲得分集增益來改善小區(qū)的覆蓋，適用于大間距的天線陣。
● 空間復用：通過在多個天線上并行發(fā)送多個數(shù)據(jù)流獲得復用增益來提高峰值速率和小區(qū)吞吐量。
● 波束賦形：通過在多個天線陣元的波干涉，在指定的方向性能能量集中的波束獲得賦形增益來改善小區(qū)覆蓋，適用于小間距的天線陣。
● 空間多址：和空間復用機理相似，多個并行數(shù)據(jù)流用于多個用戶來提高系統(tǒng)用戶容量。
（2）上行MIMO模式
空間多址：上行由于受到終端發(fā)送天線和發(fā)送功放的數(shù)量限制只支持空分多址模式。
創(chuàng)新三：扁平網(wǎng)絡(luò)
LTE系統(tǒng)取消了UMTS系統(tǒng)中的重要網(wǎng)元RNC（中央控制節(jié)點），只保留一層RAN節(jié)點——eNodeB，eNodeB和核心網(wǎng)通過基于IP路由的S1-flex接口實現(xiàn)了更靈活的多重連接，相鄰eNodeB之間通過X2接口實現(xiàn)了Mesh連接。
3.2 LTE技術(shù)創(chuàng)新的實質(zhì)
LTE技術(shù)創(chuàng)新的實質(zhì)是對無線信道資源的進一步深度挖掘和對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的進一步簡化。在無線信道資源挖掘方面，主要向2個維度擴展：（1）頻域擴展
LTE系統(tǒng)采用了OFDMA/FDMA這個相對CDMA而言更自然的大帶寬解決方案，可以通過增加子載波數(shù)量的方式直接向更大帶寬擴展。采用這種擴展方式，原則上無論何種帶寬，均可以通過統(tǒng)一的框架實現(xiàn)。相對雙小區(qū)HSPA+（Duel-cell HSPA+）10MHz的系統(tǒng)帶寬，LTE支持的帶寬增大到了20MHz。
（2）空域擴展
LTE系統(tǒng)采用了同一框架的自適應MIMO傳輸，可以根據(jù)信道條件和需要自適應的在空間分集、空分復用、波束賦形、空間復用和單天線發(fā)送各種模式之間轉(zhuǎn)換，從而可以最大限度地利用實際信道的容量。相對Duel-cell HSPA+的2天線MIMO，LTE的MIMO傳輸最大可以支持4天線發(fā)送（見圖1）。

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化方面，LTE為了降低系統(tǒng)的傳輸延遲，滿足用戶永遠在線（Always Online）的需要，最大限度地簡化了縱向網(wǎng)絡(luò)層次。直觀來講，這種設(shè)計相當于拉近了網(wǎng)絡(luò)和用戶的距離，使網(wǎng)絡(luò)對用戶來說更近、更快、更簡單、更透明。
縱向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡化會將很多網(wǎng)絡(luò)功能（如切換）下放到eNodeB層面。LTE通過增強橫向網(wǎng)絡(luò)連接來解決，即通過新增的X2接口實現(xiàn)相鄰小區(qū)之間的切換，優(yōu)化移動性管理。另外，全網(wǎng)采用了全IP結(jié)構(gòu)，網(wǎng)元之間通過路由器實現(xiàn)IP連接，可以更優(yōu)化地實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)業(yè)務。
4 LTE技術(shù)創(chuàng)新的背景
背景一：移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展的需要
(1)從話音優(yōu)化到數(shù)據(jù)優(yōu)化
新一代寬帶無線系統(tǒng)優(yōu)化的重點從為話音業(yè)務優(yōu)化轉(zhuǎn)向為數(shù)據(jù)業(yè)務優(yōu)化，因此系統(tǒng)除了注重窄帶業(yè)務，更注重提高寬帶業(yè)務的效率。
(2)從覆蓋優(yōu)化到容量優(yōu)化
話音業(yè)務對系統(tǒng)的主要需求是保證基本業(yè)務連續(xù)覆蓋，而數(shù)據(jù)業(yè)務更注重提高某些“熱區(qū)”內(nèi)的業(yè)務吞吐量。
(3)從用戶容量優(yōu)化到數(shù)據(jù)率容量優(yōu)化
在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)業(yè)務主要采用流量計費或包月制，因此運營商的營收不僅依賴用戶的數(shù)量，也更加依賴業(yè)務流量的提供能力，因此系統(tǒng)除了要提高用戶容量，更注重提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率和吞吐量。(4)從均勻容量分布到不均勻容量分布
據(jù)預測，未來系統(tǒng)80%～90%的數(shù)據(jù)業(yè)務容量需求將集中在室內(nèi)和熱區(qū)內(nèi)，這種業(yè)務容量分布的不均勻為系統(tǒng)均勻覆蓋的要求提供了更大的靈活性，系統(tǒng)并不需要像話音蜂窩系統(tǒng)那樣追求完全的均勻覆蓋，允許在“熱區(qū)”內(nèi)和“熱區(qū)”外有一定性能差異。
上述諸多背景決定了LTE的技術(shù)創(chuàng)新方向，即選擇OFDMA/MIMO這樣的帶寬大、峰值速率高、小區(qū)內(nèi)吞吐量高的技術(shù)作為核心。
背景二：寬帶無線接入和寬帶移動通信的融合
近幾年來，傳統(tǒng)通信產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)的IT產(chǎn)業(yè)不約而同地認識到無處不在的移動因特網(wǎng)市場的重要性，由于寬帶無線接入和寬帶移動通信從不同方向向同一市場滲透，使兩種技術(shù)的界線變得越來越模糊，呈現(xiàn)融合的趨勢（見圖2）。

（1）寬帶接入移動化：由大帶寬向可變帶寬（有效支持小帶寬）演變；由固定接入向支持中低速移動演變；由孤立熱點覆蓋向支持切換的多小區(qū)組網(wǎng)演變；由數(shù)據(jù)業(yè)務向同時支持話音業(yè)務演變；由支持以筆記本電腦為代表的便攜終端向同時支持以手機為代表的移動終端演變。
（2）移動通信寬帶化：由5 MHz以下帶寬向20MHz帶寬演變；由注重高速移動向為低速移動優(yōu)化演變；由電路交換/分組交換并重向全分組域演變；由蜂窩網(wǎng)絡(luò)向兼顧熱點覆蓋演變；終端形態(tài)由以移動終端為主向便攜、移動終端并重演變。
背景三：OFDMA和MIMO技術(shù)儲備成熟
到20世紀末，學術(shù)界在實現(xiàn)OFDM，MIMO的理論、算法、軟硬件基礎(chǔ)方面已經(jīng)積累了豐富的技術(shù)儲備。各種國際研究和標準化工作，有些為LTE設(shè)定了技術(shù)指標，有些為LTE提供了技術(shù)儲備，有些為LTE驗證了設(shè)備可實現(xiàn)性，有些提供了可供LTE借鑒的經(jīng)驗和教訓，有些對LTE施加了競爭壓力，從各個方面促進了LTE項目的發(fā)展。
5 LTE面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
LTE標準已經(jīng)接近完成，但LTE研發(fā)剛剛開始，設(shè)備實現(xiàn)是否能夠發(fā)揮LTE標準的預期性能還是一個未知數(shù)。LTE標準定義了比3G標準更強的能力，但同時也對設(shè)備研發(fā)帶來了更大挑戰(zhàn)，主要包括：
（1）OFDM/SC-FDMA技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。
（2）MIMO技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。（3）LTE組網(wǎng)技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。
OFDM和MIMO系統(tǒng)給LTE系統(tǒng)帶來了空前充裕的四維空口資源——頻域、時域、碼域和空域，在4個緯度上均可進行靈活的調(diào)度和自適應，使LTE系統(tǒng)蘊含了更強大的技術(shù)潛力，但能不能用好這些資源，管好這個靈活的系統(tǒng)，是一個需要解決的問題。
LTE標準巨大的靈活性，客觀上造成了標準對設(shè)備開發(fā)質(zhì)量的保證程度比3G低，LTE設(shè)備的優(yōu)化更多地依賴于廠商的研發(fā)能力。LTE系統(tǒng)的靈活性更多地依賴MAC層的實現(xiàn)，因此在LTE標準中，單純物理層技術(shù)對設(shè)備能力的保障程度較低，系統(tǒng)的性能更依賴于MAC層調(diào)度和資源分配算法的優(yōu)化。
5.1 OFDM/SC-FDMA技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)
(1)OFDMA系統(tǒng)比CDMA系統(tǒng)頻譜效率更高
這個說法在學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界并沒有定論。如果OFDM可能獲得更高的頻譜效率，則必然來源于其正交傳輸?shù)奶匦?，但OFDM系統(tǒng)需要插入CP（循環(huán)前綴）來避免用戶間干擾，引入了一定的額外開銷，因此并非可以無代價地解決多用戶干擾問題。CDMA系統(tǒng)的多用戶干擾問題解決起來相對麻煩（如采用聯(lián)合檢測技術(shù)）。即使OFDMA在小區(qū)內(nèi)可以獲得更高的頻譜效率，但因其缺乏內(nèi)在的小區(qū)間多址能力，可能造成其在多小區(qū)組網(wǎng)情況下取得高頻譜效率的難度更大。
(2)OFDMA系統(tǒng)比CDMA系統(tǒng)帶寬擴展性強
由于OFDMA系統(tǒng)采用增加子載波數(shù)量的方式擴大帶寬，且在每個子載波上分別采用頻域均衡接收，因此OFDMA系統(tǒng)的接收機復雜度隨帶寬呈線性增長，在較大系統(tǒng)帶寬下復雜度的增加也可以承受。而CDMA系統(tǒng)只能通過提高碼片速率來擴大帶寬，造成接收機復雜度隨帶寬成指數(shù)增長。因此，OFDMA系統(tǒng)比CDMA系統(tǒng)具有更好的大帶寬實現(xiàn)能力。
從帶寬分配靈活性上說，OFDMA也并不如理論上靈活。雖然從原理上說，OFDMA系統(tǒng)支持子載波級的帶寬分配，但實際上為了降低控制信令開銷，系統(tǒng)只能支持子帶級的分配。
(3)OFDMA系統(tǒng)更有利于MIMO的實現(xiàn)OFDMA系統(tǒng)由于避免了多徑干擾的麻煩，可以采用簡單的均衡來糾正信道失真，因此可以避免符號間干擾和MIMO系統(tǒng)的天線間干擾混雜在一起，可以實現(xiàn)較簡單的MIMO信號接收。相對而言，在CDMA系統(tǒng)中使用MIMO技術(shù)，符號間干擾、多用戶干擾、天線間干擾可能混雜在一起，會增大干擾消除的難度。但是，上述結(jié)論和接收機的類型有很大關(guān)系，在采用簡單接收機時，OFDM+MIMO接收機的復雜度確實明顯小于CDMA+MIMO接收機。
(4)OFDMA系統(tǒng)具有更高的調(diào)度增益
頻分系統(tǒng)的效率極大地取決于調(diào)度算法的優(yōu)化，LTE系統(tǒng)在時、頻、空、碼、用戶、小區(qū)6個維度的資源分配對調(diào)度器復雜度提出了更高要求，另外，多QoS等級和公平性帶來的跨層優(yōu)化問題也會進一步提高復雜度。
一個優(yōu)化的調(diào)度器要能夠為多個用戶分別選擇合適的時隙、合適的資源塊、合適的調(diào)制編碼格式、合適的MIMO格式，滿足他們的QoS要求，并兼顧公平性，同時還要回避小區(qū)間干擾，進行空間配對（使用多用戶MIMO時）。如果采用完全優(yōu)化的算法則復雜度過高，如果采用次優(yōu)的算法則會對調(diào)度的性能產(chǎn)生負面影響。5.2 MIMO技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃習慣于將基站站點選擇在LOS（視距）信道較多的覆蓋制高點，通常這種場景下的無線信道天線間相關(guān)性較高，不利于MIMO技術(shù)的應用（可以通過采用正交極化天線陣列緩解矛盾）。多流空間復用和空分多址通常需要在較高SINR（信干噪比）區(qū)域才能應用。
在各種無線環(huán)境下，都需要在各種MIMO配置之間進行選擇，如在空間復用和波束賦形之間選擇；在大間距天線陣列和小間距天線陣列之間選擇；選擇各種具體的天線陣列配置，如陣元數(shù)量、是否采用雙極化陣列、是否采用光纖拉遠等。
在基帶復雜度方面，需要在MIMO干擾消除接收機的性能和復雜度之間進行折中，在發(fā)射信號優(yōu)化程度和測量反饋量之間進行折中。在RRU（遠端射頻單元）實現(xiàn)方面，則需要考慮MIMO系統(tǒng)的RRU實現(xiàn)復雜度，Ir接口（BBU（基帶處理單元）和RRU之間的接口）的實現(xiàn)復雜度。
5.3 LTE組網(wǎng)技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)
（1）OFDMA本身只是一個小區(qū)內(nèi)多址技術(shù)，LTE系統(tǒng)潛在的也支持一定的碼分多址操作，即采用低碼率信道編碼+重復編碼+小區(qū)擾碼來實現(xiàn)。
（2）對于LTE系統(tǒng)來說，更有效的小區(qū)間多址依賴于小區(qū)間的智能化調(diào)度。
（3）LTE系統(tǒng)將大量使用的宏、微小區(qū)、室內(nèi)、家庭基站重疊覆蓋，使干擾結(jié)構(gòu)大為復雜，很難僅僅依賴干擾調(diào)度解決問題。
（4）LTE系統(tǒng)的使用從觀念上到方法上對網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。LTE采用的新技術(shù)、新特性造成可調(diào)的參數(shù)成倍增加，MIMO技術(shù)對站址的選擇也和非MIMO系統(tǒng)有很大不同。LTE/2G/3G聯(lián)合組網(wǎng)、聯(lián)合網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)將使這個問題進一步復雜化。
LTE標準化接近完成，但LTE系統(tǒng)研發(fā)仍處于初期階段，面臨很多新的挑戰(zhàn)，仍需艱巨努力才能充分發(fā)揮LTE技術(shù)的預期潛力，展現(xiàn)LTE的技術(shù)優(yōu)勢。