LTE的技术创新与挑战

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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）。

图2 移动通信和宽带无线接入的融合

（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。