LTE的技術(shù)創(chuàng)新與挑戰(zhàn)

【摘要】LTE作為一個(gè)革命性的寬帶移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，從頻域、空域等維度對空間信道進(jìn)行了深度挖掘，同時(shí)采用了自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和簡潔全I(xiàn)P扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供了強(qiáng)大的時(shí)頻資源。面對極度靈活的系統(tǒng)，在如何高效地利用這些時(shí)頻資源、如何實(shí)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(yù)期潛力。本文分析了3GPP長期演進(jìn)（LTE）標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)以及研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)。
1 引言
隨著3GPP LTE（長期演進(jìn)）技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化接近完成，LTE的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)進(jìn)入到關(guān)鍵階段。我國和國際上的主要移動(dòng)通信廠商均已開發(fā)出TD-LTE或FDD LTE研發(fā)樣機(jī)，并基于這些樣機(jī)進(jìn)行了一系列概念驗(yàn)證測試。某些比較激進(jìn)的歐美運(yùn)營商也已經(jīng)和一些開發(fā)進(jìn)度較快的設(shè)備廠商簽訂了預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)的合同，準(zhǔn)備部署城市級別的LTE試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。
作為一個(gè)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場擴(kuò)展提供了寶貴的機(jī)遇。但同時(shí)，LTE作為一個(gè)全面采用了革命性技術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)質(zhì)和技術(shù)挑戰(zhàn)有一個(gè)清醒的認(rèn)識是多有裨益的。
2 LTE標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展
LTE名為“演進(jìn)”（Evolution），實(shí)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(jì)。3GPP自2004年11月啟動(dòng)LTE項(xiàng)目以來，3GPP以頻繁的會議全力推進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)制定工作，形成了LTE標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)完成版本——R8版本。截至2009年3月，LTE的核心標(biāo)準(zhǔn)基本趨于穩(wěn)定，雖然不斷還有細(xì)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(biāo)準(zhǔn)化工作。R9將是一個(gè)“較短”的版本，預(yù)計(jì)2009年底完成。除了對R8進(jìn)行修訂的同時(shí)，R9也將基于LTE核心標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一定的增強(qiáng)和應(yīng)用性擴(kuò)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(fù)用技術(shù)相結(jié)合，擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。
LTE的長期演進(jìn)——LTE-Advanced技術(shù)的研究階段工作也在緊鑼密鼓地進(jìn)行，基于這項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，LTE-Advanced將在載波聚合（Carrier Aggregation）技術(shù)，協(xié)同多點(diǎn)（CoMP）技術(shù)，中繼（Relay）技術(shù)，上行MIMO技術(shù)幾個(gè)方面采用技術(shù)增強(qiáng)。
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(shí)現(xiàn)了正交傳輸，使系統(tǒng)可以為特定用戶在特定時(shí)間內(nèi)分配一段獨(dú)享的“干凈”帶寬，從而為實(shí)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(shí)現(xiàn)高峰值速率時(shí)，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(jìn)技術(shù)，可以在保持OFDMA正交傳輸特性的同時(shí)，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(gè)天線上重復(fù)發(fā)送一個(gè)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(fù)用：通過在多個(gè)天線上并行發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流獲得復(fù)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(gè)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(fù)用機(jī)理相似，多個(gè)并行數(shù)據(jù)流用于多個(gè)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(diǎn)），只保留一層RAN節(jié)點(diǎn)——eNodeB，eNodeB和核心網(wǎng)通過基于IP路由的S1-flex接口實(shí)現(xiàn)了更靈活的多重連接，相鄰eNodeB之間通過X2接口實(shí)現(xiàn)了Mesh連接。
3.2 LTE技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)
LTE技術(shù)創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)是對無線信道資源的進(jìn)一步深度挖掘和對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步簡化。在無線信道資源挖掘方面，主要向2個(gè)維度擴(kuò)展：（1）頻域擴(kuò)展
LTE系統(tǒng)采用了OFDMA/FDMA這個(gè)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(kuò)展。采用這種擴(kuò)展方式，原則上無論何種帶寬，均可以通過統(tǒng)一的框架實(shí)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(kuò)展
LTE系統(tǒng)采用了同一框架的自適應(yīng)MIMO傳輸，可以根據(jù)信道條件和需要自適應(yīng)的在空間分集、空分復(fù)用、波束賦形、空間復(fù)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(shí)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(yuǎn)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(jì)相當(dāng)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(qiáng)橫向網(wǎng)絡(luò)連接來解決，即通過新增的X2接口實(shí)現(xiàn)相鄰小區(qū)之間的切換，優(yōu)化移動(dòng)性管理。另外，全網(wǎng)采用了全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)，網(wǎng)元之間通過路由器實(shí)現(xiàn)IP連接，可以更優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
4 LTE技術(shù)創(chuàng)新的背景
背景一：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)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(diǎn)從為話音業(yè)務(wù)優(yōu)化轉(zhuǎn)向?yàn)閿?shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)化，因此系統(tǒng)除了注重窄帶業(yè)務(wù)，更注重提高寬帶業(yè)務(wù)的效率。
(2)從覆蓋優(yōu)化到容量優(yōu)化
話音業(yè)務(wù)對系統(tǒng)的主要需求是保證基本業(yè)務(wù)連續(xù)覆蓋，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)更注重提高某些“熱區(qū)”內(nèi)的業(yè)務(wù)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要采用流量計(jì)費(fèi)或包月制，因此運(yùn)營商的營收不僅依賴用戶的數(shù)量，也更加依賴業(yè)務(wù)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(yù)測，未來系統(tǒng)80%～90%的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)容量需求將集中在室內(nèi)和熱區(qū)內(nèi)，這種業(yè)務(wù)容量分布的不均勻?yàn)橄到y(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(dòng)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(rèn)識到無處不在的移動(dòng)因特網(wǎng)市場的重要性，由于寬帶無線接入和寬帶移動(dòng)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(dòng)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(dòng)演變；由孤立熱點(diǎn)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(wù)向同時(shí)支持話音業(yè)務(wù)演變；由支持以筆記本電腦為代表的便攜終端向同時(shí)支持以手機(jī)為代表的移動(dòng)終端演變。
（2）移動(dòng)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(dòng)向?yàn)榈退僖苿?dòng)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(diǎn)覆蓋演變；終端形態(tài)由以移動(dòng)終端為主向便攜、移動(dòng)終端并重演變。
背景三：OFDMA和MIMO技術(shù)儲備成熟
到20世紀(jì)末，學(xué)術(shù)界在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)化工作，有些為LTE設(shè)定了技術(shù)指標(biāo)，有些為LTE提供了技術(shù)儲備，有些為LTE驗(yàn)證了設(shè)備可實(shí)現(xiàn)性，有些提供了可供LTE借鑒的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，有些對LTE施加了競爭壓力，從各個(gè)方面促進(jìn)了LTE項(xiàng)目的發(fā)展。
5 LTE面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
LTE標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)接近完成，但LTE研發(fā)剛剛開始，設(shè)備實(shí)現(xiàn)是否能夠發(fā)揮LTE標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期性能還是一個(gè)未知數(shù)。LTE標(biāo)準(zhǔn)定義了比3G標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)的能力，但同時(shí)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(shí)域、碼域和空域，在4個(gè)緯度上均可進(jìn)行靈活的調(diào)度和自適應(yīng)，使LTE系統(tǒng)蘊(yùn)含了更強(qiáng)大的技術(shù)潛力，但能不能用好這些資源，管好這個(gè)靈活的系統(tǒng)，是一個(gè)需要解決的問題。
LTE標(biāo)準(zhǔn)巨大的靈活性，客觀上造成了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)，因此在LTE標(biāo)準(zhǔn)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(gè)說法在學(xué)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(jià)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(kuò)展性強(qiáng)
由于OFDMA系統(tǒng)采用增加子載波數(shù)量的方式擴(kuò)大帶寬，且在每個(gè)子載波上分別采用頻域均衡接收，因此OFDMA系統(tǒng)的接收機(jī)復(fù)雜度隨帶寬呈線性增長，在較大系統(tǒng)帶寬下復(fù)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(kuò)大帶寬，造成接收機(jī)復(fù)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)的類型有很大關(guān)系，在采用簡單接收機(jī)時(shí)，OFDM+MIMO接收機(jī)的復(fù)雜度確實(shí)明顯小于CDMA+MIMO接收機(jī)。
(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(shí)、頻、空、碼、用戶、小區(qū)6個(gè)維度的資源分配對調(diào)度器復(fù)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(jìn)一步提高復(fù)雜度。
一個(gè)優(yōu)化的調(diào)度器要能夠?yàn)槎鄠€(gè)用戶分別選擇合適的時(shí)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(shí)還要回避小區(qū)間干擾，進(jìn)行空間配對（使用多用戶MIMO時(shí)）。如果采用完全優(yōu)化的算法則復(fù)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(fù)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(xí)慣于將基站站點(diǎn)選擇在LOS（視距）信道較多的覆蓋制高點(diǎn)，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(yīng)用（可以通過采用正交極化天線陣列緩解矛盾）。多流空間復(fù)用和空分多址通常需要在較高SINR（信干噪比）區(qū)域才能應(yīng)用。
在各種無線環(huán)境下，都需要在各種MIMO配置之間進(jìn)行選擇，如在空間復(fù)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(yuǎn)等。
在基帶復(fù)雜度方面，需要在MIMO干擾消除接收機(jī)的性能和復(fù)雜度之間進(jìn)行折中，在發(fā)射信號優(yōu)化程度和測量反饋量之間進(jìn)行折中。在RRU（遠(yuǎn)端射頻單元）實(shí)現(xiàn)方面，則需要考慮MIMO系統(tǒng)的RRU實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，Ir接口（BBU（基帶處理單元）和RRU之間的接口）的實(shí)現(xiàn)復(fù)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(gè)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(fù)編碼+小區(qū)擾碼來實(shí)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(fù)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(gè)問題進(jìn)一步復(fù)雜化。
LTE標(biāo)準(zhǔn)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(yù)期潛力，展現(xiàn)LTE的技術(shù)優(yōu)勢。