LTE的技术创新与挑战

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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）。

图1 LTE相对3G，在频域和空域进一步挖掘了信道资源

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