摘 要： 分析了3GPP長期演進(jìn)（LTE）標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)創(chuàng)新點和研發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)。LTE作為一個革命性的寬帶移動通信標(biāo)準(zhǔn)，從頻域、空域等維度對空間信道進(jìn)行了深度挖掘，同時采用了自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計和簡潔全I(xiàn)P扁平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而提供了強大的時頻資源。但是面對這樣極度靈活的系統(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)，需經(jīng)艱巨努力才能充分發(fā)揮LTE技術(shù)的預(yù)期潛力。
　　關(guān)鍵詞： 長期演進(jìn)；LTE；IMT-Advanced

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　　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(jī)，并基于這些樣機(jī)進(jìn)行了一系列概念驗證測試。某些比較激進(jìn)的歐美運營商也已經(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)話音市場利潤逐漸降低的今天，為無線通信產(chǎn)業(yè)向移動互聯(lián)網(wǎng)市場擴(kuò)展提供寶貴的機(jī)遇。但同時，LTE作為一個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)新的實質(zhì)和技術(shù)挑戰(zhàn)有一個清醒的認(rèn)識，是多有裨益的。
LTE的技術(shù)創(chuàng)新
　　LTE名為“演進(jìn)”（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。
LTE的技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域
　　總的說來，LTE最重要的技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)在如下幾個方面：
　　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(jìn)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)
　　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僅主要采用空間分集技術(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(fù)發(fā)送一個數(shù)據(jù)流的不同版本，獲得分集增益，用來改善小區(qū)的覆蓋，適用于大間距的天線陣；
??? ◆ 空間復(fù)用：通過在多個天線上并行發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，獲得復(fù)用增益，用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，在指定方向的性能能量集中的波束，獲得賦形增益，用來改善小區(qū)覆蓋，適用于小間距的天線陣；
??? ◆ 空間多址：與空間復(fù)用機(jī)理相似，只是多個并行數(shù)據(jù)流用于多個用戶，而非單個用戶，從而提高系統(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，只支持了空分多址模式。
　　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)，僅保留一層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。
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(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個維度擴(kuò)展：
　　(1)頻域擴(kuò)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(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)一的框架實現(xiàn)。相對雙小區(qū)HSPA+（Duel-cell HSPA+）10 MHz的系統(tǒng)帶寬，LTE支持的帶寬增大到了20 MHz。
　　(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)地在空間分集、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。如圖1所示。

　　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通過增強橫向網(wǎng)絡(luò)連接來解決這個問題，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I(xiàn)P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(wù)。
LTE技術(shù)創(chuàng)新的背景
　　OFDM和MIMO技術(shù)在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始研發(fā)，但直到最近幾年才開始對LTE這樣的寬帶無線移動通信系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。LTE系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新有如下一系列背景：
　　背景一：移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要
　　隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)逐漸成為下一代無線通信的重點。這需要在如下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化：
　　(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(wù)優(yōu)化轉(zhuǎn)向為數(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
　　在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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，而更加依賴業(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這種帶寬大、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(rèn)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。如圖2所示。

　　“寬帶接入移動化”趨勢表現(xiàn)為：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(wù)向同時支持話音業(yè)務(wù)演變；由支持以筆記本電腦為代表的便攜終端，向同時支持以手機(jī)為代表的移動終端演變。
　　“移動通信寬帶化”表現(xiàn)為：由5 MHz以下帶寬向20 MHz帶寬演變；由注重高速移動向低速移動優(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。
　　正是基于通信產(chǎn)業(yè)對“移動通信寬帶化”的認(rèn)識和應(yīng)對“寬帶接入移動化”挑戰(zhàn)的需要，3GPP研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化了LTE技術(shù)。
　　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)化工作為LTE設(shè)定了技術(shù)指標(biāo)、提供了技術(shù)儲備、驗證了設(shè)備可實現(xiàn)性、提供了可供LTE借鑒的經(jīng)驗和教訓(xùn)、對LTE施加了競爭壓力，從各個方面促進(jìn)了LTE項目的發(fā)展。
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)備實現(xiàn)是否能夠發(fā)揮LTE標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期性能，還是一個未知數(shù)。LTE標(biāo)準(zhǔn)定義了比3G標(biāo)準(zhǔn)具備更強的能力，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，并在4個緯度上均可進(jìn)行靈活的調(diào)度和自適應(yīng)，使LTE系統(tǒng)蘊含了更強大的技術(shù)潛力，但如何用好這些資源，管好這個靈活的系統(tǒng)，是一個需要解決的問題。
　　LTE標(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。
　　打個比方：3G系統(tǒng)就像個傻瓜相機(jī)，即使不會照相的人也能照出差強人意的照片。但LTE系統(tǒng)就像個專業(yè)手調(diào)相機(jī)，會照相的人會照出比傻瓜機(jī)好得多的效果，但不會用的人照出的照片可能還不如傻瓜機(jī)。
OFDM/SC-FDMA技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)
　　OFDM/SC-FDMA系統(tǒng)相對CDMA的優(yōu)勢到底在哪里？這并不是一個簡單的問題。針對廣泛宣稱的幾個OFDM技術(shù)的優(yōu)勢，都應(yīng)該辯證地進(jìn)行分析。
　　(1)OFDMA系統(tǒng)比CDMA系統(tǒng)頻譜效率更高
　　這個說法其實在學(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地解決多用戶干擾問題。只是CDMA系統(tǒng)的多用戶干擾問題解決起來略微麻煩一點（如采用聯(lián)合檢測技術(shù)）。另外，即便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
　　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)確實比CDMA系統(tǒng)具有更好的大帶寬實現(xiàn)能力。
　　但是，在帶寬分配靈活性方面，OFDMA也并不像理論上那樣靈活。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(jī)的類型有很大關(guān)系，在采用簡單接收機(jī)時，OFDM+MIMO接收機(jī)的復(fù)雜度確實明顯小于CDMA+MIMO接收機(jī)。如果均采用較高復(fù)雜度的接收機(jī)，則結(jié)論并不如此簡單。
　　(4)OFDMA系統(tǒng)具有更高的調(diào)度增益
　　頻域調(diào)度是OFDMA系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一，但是否能進(jìn)行有效的調(diào)度，則受限于調(diào)度算法的復(fù)雜度。頻分系統(tǒng)的效率極大地取決于調(diào)度算法的優(yōu)化，但LTE系統(tǒng)在時、頻、空、碼、用戶、小區(qū)6個維度的資源分配上對調(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)化問題會進(jìn)一步提高復(fù)雜度。
　　簡言之，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，同時還要避免小區(qū)間干擾，可能還要進(jìn)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(fù)雜度過高；如果采用次優(yōu)的算法則難免對調(diào)度的性能有一些負(fù)面影響。
MIMO技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)
　　MIMO技術(shù)是LTE系統(tǒng)性能提高的主要來源，但對MIMO技術(shù)的真實能力和使用場景，即MIMO技術(shù)能否有效用于室外場景始終存在爭議。傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃習(xí)慣于將基站站點選擇在LOS（視距）信道較多的覆蓋制高點，但這種場景下通常無線信道天線間的相關(guān)性較高，未必有利于MIMO技術(shù)的應(yīng)用(當(dāng)然可以通過采用正交極化天線陣列緩解矛盾)。另外，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，如果這意味著MIMO技術(shù)只能用于小區(qū)中心很有限的區(qū)域，則MIMO技術(shù)在室外環(huán)境的應(yīng)用范圍是值得懷疑的。
　　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。
　　最后，MIMO技術(shù)的應(yīng)用還會帶來一些具體實現(xiàn)的問題。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)雜度之間折中，在發(fā)射信號優(yōu)化程度和測量反饋量之間折中。在RRU(遠(yuǎn)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(fù)雜度、Ir接口（BBU(基帶處理單元)和RRU之間的接口)的實現(xiàn)復(fù)雜度等。
LTE組網(wǎng)技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)
　　如上所述，LTE系統(tǒng)由于缺乏內(nèi)在的小區(qū)間多址能力，使LTE在同頻組網(wǎng)方面相對3G系統(tǒng)面臨更大挑戰(zhàn)。
　　OFDMA本身只是一個小區(qū)內(nèi)多址技術(shù)，不像CDMA系統(tǒng)對小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間的多址都有考慮。當(dāng)然，LTE系統(tǒng)潛在地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)擾碼來實現(xiàn)。
　　但是對于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，但是小區(qū)內(nèi)調(diào)度本身已經(jīng)比較復(fù)雜，目前尚不能完全實現(xiàn)，是否能有效調(diào)度小區(qū)間干擾，則需要做出更多努力。同時，小區(qū)間干擾調(diào)度所需的小區(qū)間干擾測量與X2接口信息交互也給系統(tǒng)提出了更高要求。
　　除此以外，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，這將使干擾結(jié)構(gòu)大為復(fù)雜，很難僅僅依賴干擾調(diào)度解決問題。目前國際上尚未看到OFDMA系統(tǒng)獲得與3G系統(tǒng)相同的大規(guī)模同頻組網(wǎng)能力的成功范例，因此OFDMA系統(tǒng)的同頻組網(wǎng)問題至今仍不能令人放心。
　　最后，LTE系統(tǒng)的使用還可能從觀念到方法上對網(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(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。