摘 要： 分析了3GPP長期演進（LTE）標準的技術創新點和研發所面臨的挑戰。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，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，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，需經艱巨努力才能充分發揮LTE技術的預期潛力。
關鍵詞： 長期演進；LTE；IMT-Advanced
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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降低的今天，為無線通信產業向移動互聯網市場擴展提供寶貴的機遇。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。
LTE的技術創新
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。
LTE的技術創新領域
總的說來，LTE最重要的技術創新體現在如下幾個方面：
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
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僅主要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，用來改善小區的覆蓋，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，用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，在指定方向的性能能量集中的波束，獲得賦形增益，用來改善小區覆蓋，適用于小間距的天線陣；
??? ◆ 空間多址：與空間復用機理相似，只是多個并行數據流用于多個用戶，而非單個用戶，從而提高系統用戶容量。
(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，只支持了空分多址模式。
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)，僅保留一層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。
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+）10 MHz的系統帶寬，LTE支持的帶寬增大到了20 MHz。
(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地在空間分集、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。如圖1所示。
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這個問題，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。
LTE技術創新的背景
OFDM和MIMO技術在20世紀90年代就已經開始研發，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進行標準化。LTE系統的技術創新有如下一系列背景：
背景一：移動互聯網業務發展的需要
隨著移動互聯網業務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行優化：
(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，而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這種帶寬大、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。如圖2所示。
“寬帶接入移動化”趨勢表現為：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。
“移動通信寬帶化”表現為：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。
正是基于通信產業對“移動通信寬帶化”的認識和應對“寬帶接入移動化”挑戰的需要，3GPP研發和標準化了LTE技術。
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為LTE設定了技術指標、提供了技術儲備、驗證了設備可實現性、提供了可供LTE借鑒的經驗和教訓、對LTE施加了競爭壓力，從各個方面促進了LTE項目的發展。
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標準具備更強的能力，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，并在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，但如何用好這些資源，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。
打個比方：3G系統就像個傻瓜相機，即使不會照相的人也能照出差強人意的照片。但LTE系統就像個專業手調相機，會照相的人會照出比傻瓜機好得多的效果，但不會用的人照出的照片可能還不如傻瓜機。
OFDM/SC-FDMA技術帶來的挑戰
OFDM/SC-FDMA系統相對CDMA的優勢到底在哪里？這并不是一個簡單的問題。針對廣泛宣稱的幾個OFDM技術的優勢，都應該辯證地進行分析。
(1)OFDMA系統比CDMA系統頻譜效率更高
這個說法其實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。只是CDMA系統的多用戶干擾問題解決起來略微麻煩一點（如采用聯合檢測技術）。另外，即便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系統確實比CDMA系統具有更好的大帶寬實現能力。
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。如果均采用較高復雜度的接收機，則結論并不如此簡單。
(4)OFDMA系統具有更高的調度增益
頻域調度是OFDMA系統的主要優勢之一，但是否能進行有效的調度，則受限于調度算法的復雜度。頻分系統的效率極大地取決于調度算法的優化，但LTE系統在時、頻、空、碼、用戶、小區6個維度的資源分配上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會進一步提高復雜度。
簡言之，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，同時還要避免小區間干擾，可能還要進行空間配對(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難免對調度的性能有一些負面影響。
MIMO技術帶來的挑戰
MIMO技術是LTE系統性能提高的主要來源，但對MIMO技術的真實能力和使用場景，即MIMO技術能否有效用于室外場景始終存在爭議。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，但這種場景下通常無線信道天線間的相關性較高，未必有利于MIMO技術的應用(當然可以通過采用正交極化天線陣列緩解矛盾)。另外，多流空間復用和空分多址通常需要在較高SINR（信干噪比）區域才能應用，如果這意味著MIMO技術只能用于小區中心很有限的區域，則MIMO技術在室外環境的應用范圍是值得懷疑的。
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。
最后，MIMO技術的應用還會帶來一些具體實現的問題。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折中，在發射信號優化程度和測量反饋量之間折中。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)的實現復雜度等。
LTE組網技術帶來的挑戰
如上所述，LTE系統由于缺乏內在的小區間多址能力，使LTE在同頻組網方面相對3G系統面臨更大挑戰。
OFDMA本身只是一個小區內多址技術，不像CDMA系統對小區內、小區間的多址都有考慮。當然，LTE系統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+重復編碼+小區擾碼來實現。
但是對于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，但是小區內調度本身已經比較復雜，目前尚不能完全實現，是否能有效調度小區間干擾，則需要做出更多努力。同時，小區間干擾調度所需的小區間干擾測量與X2接口信息交互也給系統提出了更高要求。
除此以外，LTE系統將大量使用的宏、微小區、室內、家庭基站重疊覆蓋，這將使干擾結構大為復雜，很難僅僅依賴干擾調度解決問題。目前國際上尚未看到OFDMA系統獲得與3G系統相同的大規模同頻組網能力的成功范例，因此OFDMA系統的同頻組網問題至今仍不能令人放心。
最后，LTE系統的使用還可能從觀念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。