LTE的技术挑战与系统优化

【摘要】文章分析了3GPP长期演进(LTE)标准的技术创新点和研发方面面临的挑战。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,在如何高效的利用这些时频资源、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。

【关键词】长期演进 LTE

收稿日期:2010年3月8日

产业界对LTE系统的研发已经开始,但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:

OFDM/SC-FDMA技术带来的挑战;

MIMO技术带来的挑战;

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。

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。

1LTE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。

1.1 LTE的技术创新领域

总的说来,LTE最重要的技术创新主要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)技术

LTE系统是迄今为止最全面的采用了MIMO技术的无线通信系统,与IEEE 802.16e只主要采用了空间分集技术相比,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,在指定的方向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:和空间复用机理相似,只是多个并行数据流用于多个用户,而非单个用户,用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),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。

1.2 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+)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。如图1所示。

图1LTE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,可以更优化的实现IP数据业务。

2 调度技术的挑战与优化方向

自适应调度是LTE系统的主要技术特征之一,但是否能进行有效的调度,也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,同时还要回避小区间干扰,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。

因此调度技术的高效、低复杂度实现,是LTE系统研发面临的一大挑战,也是重要的优化方向之一。

2.1频域调度

频域调度是OFDM系统的主要技术优势之一。理论上,OFDM系统可以通过为每个用户选择信道质量最好的资源块,获得系统容量增益。但是,在实际的LTE系统中是否获得预期的频域调度增益,取决于调度算法优化与否。

频域调度的准确性首先依赖准确的信道质量测量。尤其是下行调度,主要依赖终端侧对信道质量的测量,一旦终端测量的误差较大,基站很难进行准确的调度。

其次,频域调度的增益取决于调度的频域粒度和时域周期。频率选择的粒度越细、周期越短,则频选调度的增益越大,但同时调度器的复杂度也越大。目前LTE设备的频选调度的时频域粒度均较粗,距离充分发挥频域调度的性能优势还有一定差距。