LTE的技術創新與挑戰

【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設計和簡潔全IP扁平網絡架構，提供了強大的時頻資源。面對極度靈活的系統，在如何高效地利用這些時頻資源、如何實現真正的同頻組網等方面仍存在挑戰，需艱巨努力才能充分發揮LTE技術的預期潛力。本文分析了3GPP長期演進（LTE）標準的技術創新點以及研發面臨的挑戰。
1 引言
隨著3GPP LTE（長期演進）技術的標準化接近完成，LTE的研發和產業化已經進入到關鍵階段。我國和國際上的主要移動通信廠商均已開發出TD-LTE或FDD LTE研發樣機，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和一些開發進度較快的設備廠商簽訂了預商用網絡的合同，準備部署城市級別的LTE試驗網絡。
作為一個具備巨大潛力的創新技術，LTE無疑將在傳統話音市場利潤逐漸趨薄的今天，為無線通信產業向移動互聯網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的新標準，也給通信產業提出了一系列挑戰。因此，在LTE產業化早期，對LTE技術創新的實質和技術挑戰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系統采用的核心技術大部分沒有被沿用，轉而采用了大量的創新型技術和嶄新的系統設計。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定，雖然不斷還有細節性的更新，但對設備開發已經影響不大。但射頻和終端測試方面的規范尚沒有完全完成，對LTE系統、終端的研發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）基礎上和空間復用技術相結合，擴展到雙流波束賦形，提高峰值速率。
（2）基于LTE的定位技術：即基于LTE標準的基站定位（Positioning）技術。
（3）基于LTE的家庭基站技術：LTE核心標準對家庭基站（Home eNodeB）已經作了初步的考慮，但還有很大優化空間。R9將針對家庭基站對LTE標準進行進一步優化。
LTE的長期演進——LTE-Advanced技術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候選技術提案。在LTE核心標準基礎上，LTE-Advanced將在載波聚合（Carrier Aggregation）技術，協同多點（CoMP）技術，中繼（Relay）技術，上行MIMO技術幾個方面采用技術增強。
3 LTE的技術創新
3.1 LTE的技術創新領域
創新一：采用頻分多址系統代替碼分系統
LTE系統拋棄了3G系統長期采用的CDMA（碼分多址）技術，采用了以OFDMA（正交頻分多址）為核心的多支技術。OFDMA技術的關鍵是在小區內實現了正交傳輸，使系統可以為特定用戶在特定時間內分配一段獨享的“干凈”帶寬，從而為實現更高峰值速率提供了基礎。相對而言，CDMA系統即使在小區內部也面臨著“用戶間干擾”問題，因此在實現高峰值速率時，可能比OFDMA系統難度更大一些。
LTE系統的上行采用了SC-FDMA（單載波頻分多址）技術，這是一種OFDMA的改進技術，可以在保持OFDMA正交傳輸特性的同時，兼顧單載波傳輸的低峰平比（PAPR）特性，從而獲得較好的終端功放效率和較低的功放成本。創新二：采用了MIMO（多天線技術）技術
LTE系統是迄今為止最全面地采用了MIMO技術的無線通信系統，與IEEE 802.16e只采用空間分集技術相比，LTE采用了各種MIMO傳輸模式，包括：
（1）下行MIMO模式
● 發射分集：通過在多個天線上重復發送一個數據流的不同版本獲得分集增益來改善小區的覆蓋，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送多個數據流獲得復用增益來提高峰值速率和小區吞吐量。
● 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，多個并行數據流用于多個用戶來提高系統用戶容量。
（2）上行MIMO模式
空間多址：上行由于受到終端發送天線和發送功放的數量限制只支持空分多址模式。
創新三：扁平網絡
LTE系統取消了UMTS系統中的重要網元RNC（中央控制節點），只保留一層RAN節點——eNodeB，eNodeB和核心網通過基于IP路由的S1-flex接口實現了更靈活的多重連接，相鄰eNodeB之間通過X2接口實現了Mesh連接。
3.2 LTE技術創新的實質
LTE技術創新的實質是對無線信道資源的進一步深度挖掘和對網絡結構的進一步簡化。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，均可以通過統一的框架實現。相對雙小區HSPA+（Duel-cell HSPA+）10MHz的系統帶寬，LTE支持的帶寬增大到了20MHz。
（2）空域擴展
LTE系統采用了同一框架的自適應MIMO傳輸，可以根據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送各種模式之間轉換，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天線發送（見圖1）。

在網絡結構簡化方面，LTE為了降低系統的傳輸延遲，滿足用戶永遠在線（Always Online）的需要，最大限度地簡化了縱向網絡層次。直觀來講，這種設計相當于拉近了網絡和用戶的距離，使網絡對用戶來說更近、更快、更簡單、更透明。
縱向網絡結構的簡化會將很多網絡功能（如切換）下放到eNodeB層面。LTE通過增強橫向網絡連接來解決，即通過新增的X2接口實現相鄰小區之間的切換，優化移動性管理。另外，全網采用了全IP結構，網元之間通過路由器實現IP連接，可以更優化地實現IP數據業務。
4 LTE技術創新的背景
背景一：移動互聯網業務發展的需要
(1)從話音優化到數據優化
新一代寬帶無線系統優化的重點從為話音業務優化轉向為數據業務優化，因此系統除了注重窄帶業務，更注重提高寬帶業務的效率。
(2)從覆蓋優化到容量優化
話音業務對系統的主要需求是保證基本業務連續覆蓋，而數據業務更注重提高某些“熱區”內的業務吞吐量。
(3)從用戶容量優化到數據率容量優化
在移動互聯網時代，數據業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量，也更加依賴業務流量的提供能力，因此系統除了要提高用戶容量，更注重提高系統的數據率和吞吐量。(4)從均勻容量分布到不均勻容量分布
據預測，未來系統80%～90%的數據業務容量需求將集中在室內和熱區內，這種業務容量分布的不均勻為系統均勻覆蓋的要求提供了更大的靈活性，系統并不需要像話音蜂窩系統那樣追求完全的均勻覆蓋，允許在“熱區”內和“熱區”外有一定性能差異。
上述諸多背景決定了LTE的技術創新方向，即選擇OFDMA/MIMO這樣的帶寬大、峰值速率高、小區內吞吐量高的技術作為核心。
背景二：寬帶無線接入和寬帶移動通信的融合
近幾年來，傳統通信產業和傳統的IT產業不約而同地認識到無處不在的移動因特網市場的重要性，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，使兩種技術的界線變得越來越模糊，呈現融合的趨勢（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組網演變；由數據業務向同時支持話音業務演變；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；由蜂窩網絡向兼顧熱點覆蓋演變；終端形態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技術儲備成熟
到20世紀末，學術界在實現OFDM，MIMO的理論、算法、軟硬件基礎方面已經積累了豐富的技術儲備。各種國際研究和標準化工作，有些為LTE設定了技術指標，有些為LTE提供了技術儲備，有些為LTE驗證了設備可實現性，有些提供了可供LTE借鑒的經驗和教訓，有些對LTE施加了競爭壓力，從各個方面促進了LTE項目的發展。
5 LTE面臨的技術挑戰
LTE標準已經接近完成，但LTE研發剛剛開始，設備實現是否能夠發揮LTE標準的預期性能還是一個未知數。LTE標準定義了比3G標準更強的能力，但同時也對設備研發帶來了更大挑戰，主要包括：
（1）OFDM/SC-FDMA技術帶來的挑戰。
（2）MIMO技術帶來的挑戰。（3）LTE組網技術帶來的挑戰。
OFDM和MIMO系統給LTE系統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度和自適應，使LTE系統蘊含了更強大的技術潛力，但能不能用好這些資源，管好這個靈活的系統，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備開發質量的保證程度比3G低，LTE設備的優化更多地依賴于廠商的研發能力。LTE系統的靈活性更多地依賴MAC層的實現，因此在LTE標準中，單純物理層技術對設備能力的保障程度較低，系統的性能更依賴于MAC層調度和資源分配算法的優化。
5.1 OFDM/SC-FDMA技術帶來的挑戰
(1)OFDMA系統比CDMA系統頻譜效率更高
這個說法在學術界和產業界并沒有定論。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的特性，但OFDM系統需要插入CP（循環前綴）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系統的多用戶干擾問題解決起來相對麻煩（如采用聯合檢測技術）。即使OFDMA在小區內可以獲得更高的頻譜效率，但因其缺乏內在的小區間多址能力，可能造成其在多小區組網情況下取得高頻譜效率的難度更大。
(2)OFDMA系統比CDMA系統帶寬擴展性強
由于OFDMA系統采用增加子載波數量的方式擴大帶寬，且在每個子載波上分別采用頻域均衡接收，因此OFDMA系統的接收機復雜度隨帶寬呈線性增長，在較大系統帶寬下復雜度的增加也可以承受。而CDMA系統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增長。因此，OFDMA系統比CDMA系統具有更好的大帶寬實現能力。
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，系統只能支持子帶級的分配。
(3)OFDMA系統更有利于MIMO的實現OFDMA系統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系統的天線間干擾混雜在一起，可以實現較簡單的MIMO信號接收。相對而言，在CDMA系統中使用MIMO技術，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，上述結論和接收機的類型有很大關系，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系統具有更高的調度增益
頻分系統的效率極大地取決于調度算法的優化，LTE系統在時、頻、空、碼、用戶、小區6個維度的資源分配對調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化問題也會進一步提高復雜度。
一個優化的調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，同時還要回避小區間干擾，進行空間配對（使用多用戶MIMO時）。如果采用完全優化的算法則復雜度過高，如果采用次優的算法則會對調度的性能產生負面影響。5.2 MIMO技術帶來的挑戰
傳統蜂窩系統的網絡規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性較高，不利于MIMO技術的應用（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）區域才能應用。
在各種無線環境下，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，在發射信號優化程度和測量反饋量之間進行折中。在RRU（遠端射頻單元）實現方面，則需要考慮MIMO系統的RRU實現復雜度，Ir接口（BBU（基帶處理單元）和RRU之間的接口）的實現復雜度。
5.3 LTE組網技術帶來的挑戰
（1）OFDMA本身只是一個小區內多址技術，LTE系統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+小區擾碼來實現。
（2）對于LTE系統來說，更有效的小區間多址依賴于小區間的智能化調度。
（3）LTE系統將大量使用的宏、微小區、室內、家庭基站重疊覆蓋，使干擾結構大為復雜，很難僅僅依賴干擾調度解決問題。
（4）LTE系統的使用從觀念上到方法上對網規網優技術提出新的挑戰。LTE采用的新技術、新特性造成可調的參數成倍增加，MIMO技術對站址的選擇也和非MIMO系統有很大不同。LTE/2G/3G聯合組網、聯合網規網優將使這個問題進一步復雜化。
LTE標準化接近完成，但LTE系統研發仍處于初期階段，面臨很多新的挑戰，仍需艱巨努力才能充分發揮LTE技術的預期潛力，展現LTE的技術優勢。