摘 要： 分析了3GPP长期演进（LTE）标准的技术创新点和研发所面临的挑战。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，从而提供了强大的时频资源。但是面对这样极度灵活的系统，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，需经艰巨努力才能充分发挥LTE技术的预期潜力。
　　关键词： 长期演进；LTE；IMT-Advanced

　　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降低的今天，为无线通信产业向移动互联网市场扩展提供宝贵的机遇。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。
LTE的技术创新
　　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。
LTE的技术创新领域
　　总的说来，LTE最重要的技术创新体现在如下几个方面：
　　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
　　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仅主要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，用来改善小区的覆盖，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，用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，在指定方向的性能能量集中的波束，获得赋形增益，用来改善小区覆盖，适用于小间距的天线阵；
    ◆ 空间多址：与空间复用机理相似，只是多个并行数据流用于多个用户，而非单个用户，从而提高系统用户容量。
　　(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，只支持了空分多址模式。
　　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)，仅保留一层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。
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+）10 MHz的系统带宽，LTE支持的带宽增大到了20 MHz。
　　(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地在空间分集、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。如图1所示。

　　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这个问题，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。
LTE技术创新的背景
　　OFDM和MIMO技术在20世纪90年代就已经开始研发，但直到最近几年才开始对LTE这样的宽带无线移动通信系统进行标准化。LTE系统的技术创新有如下一系列背景：
　　背景一：移动互联网业务发展的需要
　　随着移动互联网业务逐渐成为下一代无线通信的重点。这需要在如下几个方面进行优化：
　　(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
　　在移动互联网时代，数据业务主要采用流量计费或包月制，因此运营商的营收不仅依赖用户的数量，而更加依赖业务流量的提供能力，因此系统除了要提高用户容量，更注重提高系统的数据率和吞吐量。
　　(4)从均匀容量分布到不均匀容量分布
　　据预测，未来系统80%～90%的数据业务容量需求将集中在室内和热区内，这种业务容量分布的不均匀为系统均匀覆盖的要求提供了更大的灵活性，系统并不需要像话音蜂窝系统那样追求完全的均匀覆盖，允许在“热区”内和“热区”外有一定性能差异。
　　上述诸多背景决定了LTE的技术创新方向，即选择OFDMA/MIMO这种带宽大、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。如图2所示。

　　“宽带接入移动化”趋势表现为：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。
　　“移动通信宽带化”表现为：由5 MHz以下带宽向20 MHz带宽演变；由注重高速移动向低速移动优化演变；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。
　　正是基于通信产业对“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化”挑战的需要，3GPP研发和标准化了LTE技术。
　　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为LTE设定了技术指标、提供了技术储备、验证了设备可实现性、提供了可供LTE借鉴的经验和教训、对LTE施加了竞争压力，从各个方面促进了LTE项目的发展。
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标准具备更强的能力，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，并在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，但如何用好这些资源，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。
　　打个比方：3G系统就像个傻瓜相机，即使不会照相的人也能照出差强人意的照片。但LTE系统就像个专业手调相机，会照相的人会照出比傻瓜机好得多的效果，但不会用的人照出的照片可能还不如傻瓜机。
OFDM/SC-FDMA技术带来的挑战
　　OFDM/SC-FDMA系统相对CDMA的优势到底在哪里？这并不是一个简单的问题。针对广泛宣称的几个OFDM技术的优势，都应该辩证地进行分析。
　　(1)OFDMA系统比CDMA系统频谱效率更高
　　这个说法其实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。只是CDMA系统的多用户干扰问题解决起来略微麻烦一点（如采用联合检测技术）。另外，即便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系统确实比CDMA系统具有更好的大带宽实现能力。
　　但是，在带宽分配灵活性方面，OFDMA也并不像理论上那样灵活。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。如果均采用较高复杂度的接收机，则结论并不如此简单。
　　(4)OFDMA系统具有更高的调度增益
　　频域调度是OFDMA系统的主要优势之一，但是否能进行有效的调度，则受限于调度算法的复杂度。频分系统的效率极大地取决于调度算法的优化，但LTE系统在时、频、空、码、用户、小区6个维度的资源分配上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会进一步提高复杂度。
　　简言之，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，同时还要避免小区间干扰，可能还要进行空间配对(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难免对调度的性能有一些负面影响。
MIMO技术带来的挑战
　　MIMO技术是LTE系统性能提高的主要来源，但对MIMO技术的真实能力和使用场景，即MIMO技术能否有效用于室外场景始终存在争议。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，但这种场景下通常无线信道天线间的相关性较高，未必有利于MIMO技术的应用(当然可以通过采用正交极化天线阵列缓解矛盾)。另外，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，如果这意味着MIMO技术只能用于小区中心很有限的区域，则MIMO技术在室外环境的应用范围是值得怀疑的。
　　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。
　　最后，MIMO技术的应用还会带来一些具体实现的问题。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折中，在发射信号优化程度和测量反馈量之间折中。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)的实现复杂度等。
LTE组网技术带来的挑战
　　如上所述，LTE系统由于缺乏内在的小区间多址能力，使LTE在同频组网方面相对3G系统面临更大挑战。
　　OFDMA本身只是一个小区内多址技术，不像CDMA系统对小区内、小区间的多址都有考虑。当然，LTE系统潜在地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。
　　但是对于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，但是小区内调度本身已经比较复杂，目前尚不能完全实现，是否能有效调度小区间干扰，则需要做出更多努力。同时，小区间干扰调度所需的小区间干扰测量与X2接口信息交互也给系统提出了更高要求。
　　除此以外，LTE系统将大量使用的宏、微小区、室内、家庭基站重叠覆盖，这将使干扰结构大为复杂，很难仅仅依赖干扰调度解决问题。目前国际上尚未看到OFDMA系统获得与3G系统相同的大规模同频组网能力的成功范例，因此OFDMA系统的同频组网问题至今仍不能令人放心。
　　最后，LTE系统的使用还可能从观念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。
　　LTE标准化接近完成，但LTE系统研发仍处于初期阶段，面临很多新的挑战，仍需艰巨努力才能充分发挥LTE技术的预期潜力，展现LTE的技术优势。