沈嘉： LTE的技术创新和挑战

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沈嘉 LTE的技术创新和挑战
2009年4月2日 14:50  C114中国通信网   

工业和信息化部通信标准研究所高级工程师 沈嘉

沈嘉：感谢C114中国通信网给我这个机会，很高兴今天参加2009LTE技术发展论坛！

今天下午前面三位黄所长、侯总和王秘书谈的主要是产业、市场方面做了很多的分析，我主要是从技术方面跟大家做一些LTE技术的探讨，谈一谈LTE技术的创新，以及带来的一些挑战。

首先，讲一下LTE创新的背景，为什么在这样一个时间点，会有LTE的创新。那么，LTE技术创新的实质，究竟这个创新会带来什么事情。同时，也会讲一讲 这个技术面临的一些挑战，比如说OFDM、MIMO这样新的技术使用以后会有什么挑战，以及组网技术的挑战。最后，会非常简短地谈一下LTE进一步的演 进，就是LTE-Advanced将要带来的进一步的创新。

那么，LTE的创新何在？LTE我们都知道，名字虽然是演进，但是是一个实质的技术，进行它和原来的基于CDMA的3G系 统，实际上从传输技术到上层的协议，再到组网上面，都有很大的不同。上行是单载波OFDMA的技术，下行是OFDM的技术。OFDM这个技术是在任何一个时隙是没有人和它共享，这和CDMA系统是一样的，这实际上是一个能量叠加的系统，在任何一个时隙频带里面都会有自干扰的问题，这是主要的创新。

上行，实际上也是一个类似于OFDMA的频分系统，只不过是做了一些改进，使它有一个单载波的特性。比如说手机的功放效率和成本能够降低，总的来说核心都是OFDMA的技术。

第二个创新的技术是MIMO这个多天线的技术，下行使用得比较充分是多址MIMO，分别解决各种各样的问题，比如说解决覆盖。另外一个解决覆盖的技术，可能是我们说的波束赋形，就是智能天线的技术。比如说大间距天线比较适合波束分级，小减天线比较适合波束赋形。还有一个是空间复用，这是为了提高用户容量。 上行比较简单一点，因为考虑到了控制复杂度的问题，这是空间多址的技术。
    LTE的第三个主要的创新，是关于扁平的网络，原来的3G系统在无线接入网，除了eNodeB还有一个RNC的节点，但是现在取消掉了，现在只有一个 eNodeB，也就是说一个eNodeB可以连接多个网关，还有在相应的几个eNodeB之间有多个接口，这个以前是没有的。

三个创新的实质是什么了？首先，这个创新是对于无线信道资源进一步深度的挖掘。我们做移动通信干的事情就是把无线通信当中的信道资源挖掘出来，因为这是带宽受限，资源非常紧张的，所以我们要挖掘资源，LTE也逃不开这样的思路。我们现在从HSPA系统的传统的5兆带宽，一直到双载波的HSPA可以达到10 兆的带宽，那么到了LTE可以扩展到20兆的带宽。

空域的系统基本上是2天线的系统，但是到了LTE可以达到4天线的，所以在空域和频域都有很大的进展。HSPA无论是在空域还是频域都是一个统一的框架， 而不是像多载波2个在一起，或者是4个在一起，而是一个完全可扩展的带宽。从空域来说，Node是一个灵活的调整，所以它相对来说是比较完整的宽带的 MIMO的解决方案。

另外一个实质是网络层结构的简化。无线空口技术更加进步和复杂，但是从网络层来看，它是趋于简化的努力。一个是纵向的简化，就是RNC节点，取消以后形成 了一个完全扁平的网络。这对于用户来讲是一个什么样的效果呢？就是核心网离我更近了，我只是隔了一个eNodeB这样的节点。同时，我的传输更快，我跟网 络的接力是2跳的接力。同时也更加简单，也更加透明，这样比较有利于我们IP、Internet的应用。但是，横向上实现了更灵活的互联，比如说实现了全 IP的路由，各个网络节点之间跟Internet没有什么太大的区别。那么横向的移动性操作，某种程度上下放，依赖相邻基站之间的接口，也可以实现局部切换的机制。
像前面谈到LTE的创新是什么样的创新，下面谈一下为什么会在这样一个时间点，会出现LTE这样一个技术创新，我个人认为有三个背景。

第一个背景是移动互联网业务发展的需要。因为到了最近这4、5年，应该说移动互联网的业务，成为了各个运营商，包括整个产业，都认为是移动通信发展一个主要的方向。那么，这个趋势就会带来这么几方面的优化，比如说一个是从话音优化到数据优化，就是这个系统从原来提供话音到提供数据业务。你原来要提供窄带的 业务，现在你要提供一个高效的宽带传输，这是一个优化的方向。另外一个优化的方向，是从覆盖的优化到容量的优化，原来大家都是语音业务，唯一的指标是说你覆盖好还是不好，但是现在我们除了语音的业务的连续保障以外，要提高热内的容量，不愿意说热点，因为大家说热点就觉得是很小的点，比如说一个房间或者是一 个会议室。我们提一个热区的概念，可能是若干个小区，是业务比较高的区域。

第三个优化是从用户容量优化到数据率的容量。运营商的业务容量除了用户的容量，不停发展更多的数量，现在到了业务流量的增长。最后一个是从均匀的容量分布到不均匀的容量分布。很多人说LTE的问题，说峰值速率很高，但是小区中心和小区边缘的差异性很大。也许某种程度上配合了业务的分布，因为对于对于数据业务本身的分配就是不均匀的，它不像打电话。未来80%到90%的数据业务的容量都集中在室内或者是热区的范围内，这也是根据用户的使用习惯是比较配合的。大家很少说在大街上搬个笔记本电脑上网。

这样业务分布得不均匀，实际上提出了系统到底要不要提供业务的能力，也许某种程度上可以容忍一定的不均匀性。所以，这是业务的发展趋势，互换这样的一种技术。

第二个背景，实际上是产业上的背景。到了2003、2004年的时候，尤其是WiMAX出现，出现了宽带无线接入和宽带通信产业两个产业融合的趋势。

第三个背景是技术储备成熟。虽然你希望做像LTE这样的系统，但是如果你没有真正适应这个技术的一些技术储备，实际上你也做不成。所幸的是，从上个世纪 80、90年代，OFDM、MIMO这样的技术逐渐逐渐成熟，到可以实现，到芯片的发展使得这个技术逐渐增强，一直到软硬件、算法上等已经积累的丰富的技 术储备。所以，到了03、04年，OFDM、MIMO这样的技术已经可以拿出来商用了，已经可以拿出来做标准和产业化了。

我们再展开说一下宽带移动通信和宽带接入的融合。我们都知道传统的移动通信，比如说3G是以话音为主的，强调高速移动，比较窄的带宽，比如说5G/Hz，使用传统的终端，比如说Wi-Fi为主。还有使用移动的终端，比如说笔记本电脑。一方面宽带无线接入通过做WiMAX支持话音、支持移动终端等向中间 Internet的市场来渗透。相应地，传统的移动通信也做一些应对，比如说把带宽加到更高，20G/Hz，变成一个全分组域，放弃掉电路域，实现全IP 的网络，热点覆盖，支持便携终端，最后都汇集到移动互联网的市场上。上级，带来最后的结果是LTE的任务，我个人认为主要是在2G和3G网络上叠加一个水 平接入的网络。因为2G和3G来说从语音业务来看是很好的网络的，它主要的任务在于叠加一个数据接入的网络。

下面谈一下技术带来的一些挑战。因为这样很好的技术可以带来很多的增益，但是这个事情是公平的，不能说只有好处没有挑战，这样一个新的技术，也会给我们的研发、产业带来很多的挑战。虽然说现在LTE的标准基本上已经完成了，但是LTE的设备研发，应该说还处在一个比较初期的阶段。要发挥这个技术的潜力和使用这个技术的性能还有很长的时间。

那么，LTE比3G标准更强大的同时，带来了两个挑战，一个是OFDM的挑战，一个是MIMO的挑战，还有组网能力的挑战。总的来说这挑战可以这么定义，LTE这个系统提供了非常充沛的时域、空域、频域的资源，而且它可以非常灵活地使用这个资源。但是，从某种程度上你可以说过于灵活了，你要用好这个资源是非常困难的。另外一方面，灵活的系统怎么用好也是一个问题。从标准的层面，LTE的标准和设备的保障程度要比3G低。因为3G没有那么多的灵活性，你 只要按照标准把这个设备做出来，你的设备和他的设备不会有太大的差别。但是，LTE的系统因为它非常依赖于系统的调度和系统的分配，可能大家都做出来，你 的算法没有人家的算法好，可能就会差很多。
另外一个是物理层技术对于设备的保障能力也非常重要。作为3G来讲，你的物理层的技术对于LTE来讲也是核心，你在物理层面可以用，但是怎么有好， 主要是在MAC层上面，那么这个算法怎么用好就显得非常重要。3G系统像一个傻瓜相机，就是你用得好不好这个照片也不会差多少，但是LTE像一个单反了相 机，如果你用不好，可能还没有3G这个傻瓜相机照得好。但是，如果你是一个好的摄影师，可能照出来的照片比3G的傻瓜相机照得好很多。

下面我简单地说一下这三个挑战，单载波的OFDMA相对于CDMA的效率好在哪？很多人说OFDMA的效率高，但是据我的观点是没有定论，从学术界也没有 一个严格的证明，从3GPP做LTE的标准当中，在选择OFDM作为LTE的技术的同时，曾经在文件中说过OFDM系统相对于CDMA系统没有优势，但是 只有在更高的频谱效率上会比CDMA有优势。OFDM是加入了一些CP和开销来解决干扰的问题。

第二个是说OFDM的带宽扩展性强，这个某种程度上是真实的。CDMA这样的系统不是不能扩展到大的带宽，但是它是通过载波捆绑的效果实现的，OFDM天 生具有这样的灵活的能力，它不会产生捆绑得越高，复杂度越高。MIMO某种程度上实现很简单，但是也有一些争论，这取决于接收机是多复杂的接收机。最后一个是调度增益，虽然我一个用户的带宽不宽，但是我可以通过调度满足增益。但是，这要取决于你的调度能不能做有效的调度。

简单地说，频分的系统效率的高低，很大程度上取决于调度算法的优化问题。那么，调度算法会带来一个挑战，因为刚才说到了，LTE这个系统资源非常多，时 域、频域、空域的，所以6个资源的分配可能对于调度器提出了复杂的要求。另外从高层需要有一个QoS等级和公平性带来的跨层优化问题会进一步的提高复杂度。你要为这么多的用户分别选择他适合的时隙、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，可能还要进行空间配对。当然，我们现在采用一些次优的算法保证低复杂度，但是性能和复杂度是一个折中的关系。另外，这样非常灵活的资源分配，意味着你要做大量的测量、大量的反馈，各种各样反馈和测量的量非常大。

下面说一下MIMO技术的挑战。MIMO技术的真实能力和使用场景，应该说现在存在一些争论。有一些论点说MIMO这个技术本来就是室内覆盖用的，室内的 散射比较丰富，室外就不好用。但是这是仿真，所以需要一些增益，但是这需要现场实验的验证。另外，我们传统的网络规划，习惯于把站点设计在一些覆盖比较好的，视野开阔的点上，但是这对于MIMO不一定是一个非常好的选择。当然，目前的正交极化的天线，某种程度上可以缓解这个矛盾。但是，MIMO的空间复用 的信道比要求是比较高的，所以它通常用于小区的中心区域，这个面积有多大，还有待测试。

另外一个问题是对于MIMO的选择，在室外场景我们是使用复用还是数量做光纤拉远？这都需要测试。

从实现来说，这方面是基带的复杂度，信号本身处理量可能要翻倍，另外因为带来了天线之间的干扰，干扰消除接收机的复杂度也会上升。发射信号优化程度取决于你测量反馈的精度和程度。还有一个RRU实现射频的问题，由于你的处理量非常大，那么BBU和RRU的接口的复杂度非常大。另外，LTE的双模、多模的问 题，会带来宽带RRU、多模RRU的问题。

最后，说一下LTE组网技术的挑战。空间组网永远是空间系统的挑战，从这个角度来说，CDMA多设计里面就是对于小区有一个扰码的设计，但是OFDMA没有 这个设计。小区间的多址依赖于小区间的智能化调度，但是小区内的调度本身已经非常复杂，实现起来难度很大，那么小区之间的调度更复杂。另外LTE会比较重 视微基站、室内基站、家庭基站的重叠覆盖，看看调度是不是可以解决这样复杂的问题。

目前从国际上来看，还没有看到用OFDMA系统或者是3G系统大规模的同频组网的案例。另外谈到了前面的网规网优的新的挑战，还有和2G、3G联合组网的问题。

最后，讲一下LTE-Advanced进一步的演进。LTE-Advanced是在LTE的基础上，是为了满足IMT-Advanced的需求，占领长期 演进的制高点，3GPP做的技术演进。核心的技术就是LTE，是一个强兼容的关系，并没有实质的概念，只是在外延上继续创新。在LTE的基础上，进一步在 空域和频域上分布扩展。比如说频域上我可以捆绑多个20兆的载波形成更高的带宽，比如说40兆、60兆。在空域上继续增加天线，但是如果天线已经加不上去 了，就采用CUMT等进行提高。
频域的扩展可能要捆绑几个载波，空域上来说，这个CoMP实际上就是我们说的光纤拉远基站，Relay就是无线的接力，使它拉近跟用户之间的距离。那么R9也会有一定的变化，比如说和我们的MIMO进行结合，另外还有LTE的定位技术和家庭基站的优化也在讨论当中。

最后总结一下，目前LTE的标准化接近完成，但是LTE的技术还充满着挑战，要继续努力才可以发挥出LTE的技术预期的潜力，展现LTE的技术优势。 LTE-Advanced在技术核心即LTE，基本不会影响LTE标准的稳定性，在LTE技术的成熟和优化仍然任重道远。