LTE的技術創(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)設計和簡潔全IP扁平網(wǎng)絡架構，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技術的預期潛力。本文分析了3GPP長期演進（LTE）標準的技術創(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)進度較快的設備廠商簽訂了預商用網(wǎng)絡的合同，準備部署城市級別的LTE試驗網(wǎng)絡。

作為一個具備巨大潛力的創(chuàng)新技術，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技術創(chuàng)新的實質(zhì)和技術挑戰(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)采用的核心技術大部分沒有被沿用，轉(zhuǎn)而采用了大量的創(chuàng)新型技術和嶄新的系統(tǒng)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(wěn)定，雖然不斷還有細節(jié)性的更新，但對設備開發(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(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(xié)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(chuàng)新

3.1  LTE的技術創(chuàng)新領域

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，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(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。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，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?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）技術

LTE系統(tǒng)是迄今為止最全面地采用了MIMO技術的無線通信系統(tǒng)，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(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

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技術創(chuàng)新的實質(zhì)

LTE技術創(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(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）。

圖1  LTE相對3G，在頻域和空域進一步挖掘了信道資源

在網(wǎng)絡結構簡化方面，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)絡層次。直觀來講，這種設計相當于拉近了網(wǎng)絡和用戶的距離，使網(wǎng)絡對用戶來說更近、更快、更簡單、更透明。

縱向網(wǎng)絡結構的簡化會將很多網(wǎng)絡功能（如切換）下放到eNodeB層面。LTE通過增強橫向網(wǎng)絡連接來解決，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結構，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。