LTE的技术创新与挑战

LTE的技术创新与挑战

【摘要】LTE作为一个革命性的宽带移动通信标准，从频域、空域等维度对空间信道进行了深度挖掘，同时采用了自适应系统设计和简洁全IP扁平网络架构，提供了强大的时频资源。面对极度灵活的系统，在如何高效地利用这些时频资源、如何实现真正的同频组网等方面仍存在挑战，需艰巨努力才能充分发挥LTE技术的预期潜力。本文分析了3GPP长期演进（LTE）标准的技术创新点以及研发面临的挑战。
1 引言
随着3GPP LTE（长期演进）技术的标准化接近完成，LTE的研发和产业化已经进入到关键阶段。我国和国际上的主要移动通信厂商均已开发出TD-LTE或FDD LTE研发样机，并基于这些样机进行了一系列概念验证测试。某些比较激进的欧美运营商也已经和一些开发进度较快的设备厂商签订了预商用网络的合同，准备部署城市级别的LTE试验网络。
作为一个具备巨大潜力的创新技术，LTE无疑将在传统话音市场利润逐渐趋薄的今天，为无线通信产业向移动互联网市场扩展提供了宝贵的机遇。但同时，LTE作为一个全面采用了革命性技术的新标准，也给通信产业提出了一系列挑战。因此，在LTE产业化早期，对LTE技术创新的实质和技术挑战有一个清醒的认识是多有裨益的。
2 LTE标准化进展
LTE名为“演进”（Evolution），实为“革命”（Revolution），3G系统采用的核心技术大部分没有被沿用，转而采用了大量的创新型技术和崭新的系统设计。3GPP自2004年11月启动LTE项目以来，3GPP以频繁的会议全力推进LTE的研究工作。仅半年就完成了需求的制定，在2006年9月完成了研究阶段（Study Item，SI）的工作，2008年底基本完成工作阶段（Work Item，WI）的标准制定工作，形成了LTE标准的第一个完成版本——R8版本。截至2009年3月，LTE的核心标准基本趋于稳定，虽然不断还有细节性的更新，但对设备开发已经影响不大。但射频和终端测试方面的规范尚没有完全完成，对LTE系统、终端的研发和测试还有一定影响。
从2009年初开始，3GPP开始LTE R9的标准化工作。R9将是一个“较短”的版本，预计2009年底完成。除了对R8进行修订的同时，R9也将基于LTE核心标准进行一定的增强和应用性扩展，比较重要的工作包括：
（1）双流波束赋形：即在R8 LTE采用的单流波束赋形（Beamforming）基础上和空间复用技术相结合，扩展到双流波束赋形，提高峰值速率。
（2）基于LTE的定位技术：即基于LTE标准的基站定位（Positioning）技术。
（3）基于LTE的家庭基站技术：LTE核心标准对家庭基站（Home eNodeB）已经作了初步的考虑，但还有很大优化空间。R9将针对家庭基站对LTE标准进行进一步优化。
LTE的长期演进——LTE-Advanced技术的研究阶段工作也在紧锣密鼓地进行，基于这项研究，3GPP将在2010年10月向ITU提交IMT-Advanced候选技术提案。在LTE核心标准基础上，LTE-Advanced将在载波聚合（Carrier Aggregation）技术，协同多点（CoMP）技术，中继（Relay）技术，上行MIMO技术几个方面采用技术增强。
3 LTE的技术创新
3.1 LTE的技术创新领域
创新一：采用频分多址系统代替码分系统
LTE系统抛弃了3G系统长期采用的CDMA（码分多址）技术，采用了以OFDMA（正交频分多址）为核心的多支技术。OFDMA技术的关键是在小区内实现了正交传输，使系统可以为特定用户在特定时间内分配一段独享的“干净”带宽，从而为实现更高峰值速率提供了基础。相对而言，CDMA系统即使在小区内部也面临着“用户间干扰”问题，因此在实现高峰值速率时，可能比OFDMA系统难度更大一些。
LTE系统的上行采用了SC-FDMA（单载波频分多址）技术，这是一种OFDMA的改进技术，可以在保持OFDMA正交传输特性的同时，兼顾单载波传输的低峰平比（PAPR）特性，从而获得较好的终端功放效率和较低的功放成本。创新二：采用了MIMO（多天线技术）技术
LTE系统是迄今为止最全面地采用了MIMO技术的无线通信系统，与IEEE 802.16e只采用空间分集技术相比，LTE采用了各种MIMO传输模式，包括：
（1）下行MIMO模式
● 发射分集：通过在多个天线上重复发送一个数据流的不同版本获得分集增益来改善小区的覆盖，适用于大间距的天线阵。
● 空间复用：通过在多个天线上并行发送多个数据流获得复用增益来提高峰值速率和小区吞吐量。
● 波束赋形：通过在多个天线阵元的波干涉，在指定的方向性能能量集中的波束获得赋形增益来改善小区覆盖，适用于小间距的天线阵。
● 空间多址：和空间复用机理相似，多个并行数据流用于多个用户来提高系统用户容量。
（2）上行MIMO模式
空间多址：上行由于受到终端发送天线和发送功放的数量限制只支持空分多址模式。
创新三：扁平网络
LTE系统取消了UMTS系统中的重要网元RNC（中央控制节点），只保留一层RAN节点——eNodeB，eNodeB和核心网通过基于IP路由的S1-flex接口实现了更灵活的多重连接，相邻eNodeB之间通过X2接口实现了Mesh连接。
3.2 LTE技术创新的实质
LTE技术创新的实质是对无线信道资源的进一步深度挖掘和对网络结构的进一步简化。在无线信道资源挖掘方面，主要向2个维度扩展：（1）频域扩展
LTE系统采用了OFDMA/FDMA这个相对CDMA而言更自然的大带宽解决方案，可以通过增加子载波数量的方式直接向更大带宽扩展。采用这种扩展方式，原则上无论何种带宽，均可以通过统一的框架实现。相对双小区HSPA+（Duel-cell HSPA+）10MHz的系统带宽，LTE支持的带宽增大到了20MHz。
（2）空域扩展
LTE系统采用了同一框架的自适应MIMO传输，可以根据信道条件和需要自适应的在空间分集、空分复用、波束赋形、空间复用和单天线发送各种模式之间转换，从而可以最大限度地利用实际信道的容量。相对Duel-cell HSPA+的2天线MIMO，LTE的MIMO传输最大可以支持4天线发送（见图1）。

在网络结构简化方面，LTE为了降低系统的传输延迟，满足用户永远在线（Always Online）的需要，最大限度地简化了纵向网络层次。直观来讲，这种设计相当于拉近了网络和用户的距离，使网络对用户来说更近、更快、更简单、更透明。
纵向网络结构的简化会将很多网络功能（如切换）下放到eNodeB层面。LTE通过增强横向网络连接来解决，即通过新增的X2接口实现相邻小区之间的切换，优化移动性管理。另外，全网采用了全IP结构，网元之间通过路由器实现IP连接，可以更优化地实现IP数据业务。
4 LTE技术创新的背景
背景一：移动互联网业务发展的需要
(1)从话音优化到数据优化
新一代宽带无线系统优化的重点从为话音业务优化转向为数据业务优化，因此系统除了注重窄带业务，更注重提高宽带业务的效率。
(2)从覆盖优化到容量优化
话音业务对系统的主要需求是保证基本业务连续覆盖，而数据业务更注重提高某些“热区”内的业务吞吐量。
(3)从用户容量优化到数据率容量优化
在移动互联网时代，数据业务主要采用流量计费或包月制，因此运营商的营收不仅依赖用户的数量，也更加依赖业务流量的提供能力，因此系统除了要提高用户容量，更注重提高系统的数据率和吞吐量。(4)从均匀容量分布到不均匀容量分布
据预测，未来系统80%～90%的数据业务容量需求将集中在室内和热区内，这种业务容量分布的不均匀为系统均匀覆盖的要求提供了更大的灵活性，系统并不需要像话音蜂窝系统那样追求完全的均匀覆盖，允许在“热区”内和“热区”外有一定性能差异。
上述诸多背景决定了LTE的技术创新方向，即选择OFDMA/MIMO这样的带宽大、峰值速率高、小区内吞吐量高的技术作为核心。
背景二：宽带无线接入和宽带移动通信的融合
近几年来，传统通信产业和传统的IT产业不约而同地认识到无处不在的移动因特网市场的重要性，由于宽带无线接入和宽带移动通信从不同方向向同一市场渗透，使两种技术的界线变得越来越模糊，呈现融合的趋势（见图2）。

（1）宽带接入移动化：由大带宽向可变带宽（有效支持小带宽）演变；由固定接入向支持中低速移动演变；由孤立热点覆盖向支持切换的多小区组网演变；由数据业务向同时支持话音业务演变；由支持以笔记本电脑为代表的便携终端向同时支持以手机为代表的移动终端演变。
（2）移动通信宽带化：由5 MHz以下带宽向20MHz带宽演变；由注重高速移动向为低速移动优化演变；由电路交换/分组交换并重向全分组域演变；由蜂窝网络向兼顾热点覆盖演变；终端形态由以移动终端为主向便携、移动终端并重演变。
背景三：OFDMA和MIMO技术储备成熟
到20世纪末，学术界在实现OFDM，MIMO的理论、算法、软硬件基础方面已经积累了丰富的技术储备。各种国际研究和标准化工作，有些为LTE设定了技术指标，有些为LTE提供了技术储备，有些为LTE验证了设备可实现性，有些提供了可供LTE借鉴的经验和教训，有些对LTE施加了竞争压力，从各个方面促进了LTE项目的发展。
5 LTE面临的技术挑战
LTE标准已经接近完成，但LTE研发刚刚开始，设备实现是否能够发挥LTE标准的预期性能还是一个未知数。LTE标准定义了比3G标准更强的能力，但同时也对设备研发带来了更大挑战，主要包括：
（1）OFDM/SC-FDMA技术带来的挑战。
（2）MIMO技术带来的挑战。（3）LTE组网技术带来的挑战。
OFDM和MIMO系统给LTE系统带来了空前充裕的四维空口资源——频域、时域、码域和空域，在4个纬度上均可进行灵活的调度和自适应，使LTE系统蕴含了更强大的技术潜力，但能不能用好这些资源，管好这个灵活的系统，是一个需要解决的问题。
LTE标准巨大的灵活性，客观上造成了标准对设备开发质量的保证程度比3G低，LTE设备的优化更多地依赖于厂商的研发能力。LTE系统的灵活性更多地依赖MAC层的实现，因此在LTE标准中，单纯物理层技术对设备能力的保障程度较低，系统的性能更依赖于MAC层调度和资源分配算法的优化。
5.1 OFDM/SC-FDMA技术带来的挑战
(1)OFDMA系统比CDMA系统频谱效率更高
这个说法在学术界和产业界并没有定论。如果OFDM可能获得更高的频谱效率，则必然来源于其正交传输的特性，但OFDM系统需要插入CP（循环前缀）来避免用户间干扰，引入了一定的额外开销，因此并非可以无代价地解决多用户干扰问题。CDMA系统的多用户干扰问题解决起来相对麻烦（如采用联合检测技术）。即使OFDMA在小区内可以获得更高的频谱效率，但因其缺乏内在的小区间多址能力，可能造成其在多小区组网情况下取得高频谱效率的难度更大。
(2)OFDMA系统比CDMA系统带宽扩展性强
由于OFDMA系统采用增加子载波数量的方式扩大带宽，且在每个子载波上分别采用频域均衡接收，因此OFDMA系统的接收机复杂度随带宽呈线性增长，在较大系统带宽下复杂度的增加也可以承受。而CDMA系统只能通过提高码片速率来扩大带宽，造成接收机复杂度随带宽成指数增长。因此，OFDMA系统比CDMA系统具有更好的大带宽实现能力。
从带宽分配灵活性上说，OFDMA也并不如理论上灵活。虽然从原理上说，OFDMA系统支持子载波级的带宽分配，但实际上为了降低控制信令开销，系统只能支持子带级的分配。
(3)OFDMA系统更有利于MIMO的实现OFDMA系统由于避免了多径干扰的麻烦，可以采用简单的均衡来纠正信道失真，因此可以避免符号间干扰和MIMO系统的天线间干扰混杂在一起，可以实现较简单的MIMO信号接收。相对而言，在CDMA系统中使用MIMO技术，符号间干扰、多用户干扰、天线间干扰可能混杂在一起，会增大干扰消除的难度。但是，上述结论和接收机的类型有很大关系，在采用简单接收机时，OFDM+MIMO接收机的复杂度确实明显小于CDMA+MIMO接收机。
(4)OFDMA系统具有更高的调度增益
频分系统的效率极大地取决于调度算法的优化，LTE系统在时、频、空、码、用户、小区6个维度的资源分配对调度器复杂度提出了更高要求，另外，多QoS等级和公平性带来的跨层优化问题也会进一步提高复杂度。
一个优化的调度器要能够为多个用户分别选择合适的时隙、合适的资源块、合适的调制编码格式、合适的MIMO格式，满足他们的QoS要求，并兼顾公平性，同时还要回避小区间干扰，进行空间配对（使用多用户MIMO时）。如果采用完全优化的算法则复杂度过高，如果采用次优的算法则会对调度的性能产生负面影响。5.2 MIMO技术带来的挑战
传统蜂窝系统的网络规划习惯于将基站站点选择在LOS（视距）信道较多的覆盖制高点，通常这种场景下的无线信道天线间相关性较高，不利于MIMO技术的应用（可以通过采用正交极化天线阵列缓解矛盾）。多流空间复用和空分多址通常需要在较高SINR（信干噪比）区域才能应用。
在各种无线环境下，都需要在各种MIMO配置之间进行选择，如在空间复用和波束赋形之间选择；在大间距天线阵列和小间距天线阵列之间选择；选择各种具体的天线阵列配置，如阵元数量、是否采用双极化阵列、是否采用光纤拉远等。
在基带复杂度方面，需要在MIMO干扰消除接收机的性能和复杂度之间进行折中，在发射信号优化程度和测量反馈量之间进行折中。在RRU（远端射频单元）实现方面，则需要考虑MIMO系统的RRU实现复杂度，Ir接口（BBU（基带处理单元）和RRU之间的接口）的实现复杂度。
5.3 LTE组网技术带来的挑战
（1）OFDMA本身只是一个小区内多址技术，LTE系统潜在的也支持一定的码分多址操作，即采用低码率信道编码+重复编码+小区扰码来实现。
（2）对于LTE系统来说，更有效的小区间多址依赖于小区间的智能化调度。
（3）LTE系统将大量使用的宏、微小区、室内、家庭基站重叠覆盖，使干扰结构大为复杂，很难仅仅依赖干扰调度解决问题。
（4）LTE系统的使用从观念上到方法上对网规网优技术提出新的挑战。LTE采用的新技术、新特性造成可调的参数成倍增加，MIMO技术对站址的选择也和非MIMO系统有很大不同。LTE/2G/3G联合组网、联合网规网优将使这个问题进一步复杂化。
LTE标准化接近完成，但LTE系统研发仍处于初期阶段，面临很多新的挑战，仍需艰巨努力才能充分发挥LTE技术的预期潜力，展现LTE的技术优势。