LTE-Hi：無線移動寬帶網絡演進路線

陳山枝，秦 飛

（大唐電信科技產業集團 北京 100191）

1 背景

2012年1月，ITU-R通過了第4代移動通信技術標準建議書 ITU-R M.2012[1]，LTE-Advanced成為 IMT-Advanced移動通信技術標準之一，包括以我國為主提交的TD-LTE-Advanced和LTE-Advanced FDD兩種技術。大唐電信科技產業集團（以下簡稱大唐電信）等國內企業主導了TD-LTE-Advanced標準的制定，并確保了TD-SCDMA的平滑演進。

未來的移動寬帶發展呈現兩大趨勢：從移動寬帶數據業務發生的場景看，主要發生在室內和熱點地區；從未來移動通信發展的潛在頻率看，滿足未來移動寬帶數據需求的潛在頻率主要集中在3 GHz以上的高頻段。為了滿足未來移動寬帶數據業務需求，高頻段、大容量、小覆蓋系統成為最重要的技術趨勢。

LTE/LTE-Advanced R8到R11版本的特性研究主要針對宏覆蓋場景，雖然在產品形態上支持Macro/Micro/Pico以及Femto等針對不同覆蓋距離的設備，但標準設計的重點是面向移動場景，并沒有針對寬帶數據業務需求以及高頻段熱點場景進行針對性的設計。

從2010年開始，以大唐電信為代表的中國企業率先開展了基于TDD的LTE-Hi的技術及標準研究，以解決未來無線移動寬帶數據業務在室內和熱點場景的需求。在2012年3GPP針對R12及后續研究方向的研討會上，針對室內熱點高頻的小小區（small cell）成為LTE R12研究方向的熱點議題[2]，LTE-Hi成為未來無線移動寬帶網絡演進發展的方向。

2 未來無線移動寬帶業務需求

移動互聯網的飛速發展和智能終端的快速普及，帶來移動業務流量的指數增長。未來移動寬帶業務主要有以下幾個特點。

（1）移動寬帶數據業務流量飛速增長，主要發生在室內和熱點場景

近年來，隨著信息技術的飛速發展、智能終端的大量普及，人們生活、工作的各個領域對于移動寬帶業務的需求呈井噴式增長，根據CCSA最新的業務預測報告[3]，到2015年，我國移動數據業務的總流量相對于2010年將增長約40倍，如圖 1所示。從業務類型看，移動寬帶業務呈現全IP化、業務類型多樣化以及以高速率大流量數據業務為主的特點。從業務發生的場景統計，在全球主要運營商的數據業務中，移動話音業務的60%、數據業務的70%發生在室內和熱點地區；根據預測，未來室內及熱點業務將占總業務量的90%。因此，提高系統流量、支持室內及熱點場景業務是解決移動數據流量增長問題的關鍵。

（2）運營商利潤和流量增長不成正比

在移動流量飛速增長的同時，運營商利潤并沒有實現同比增長。目前，大多數運營商對移動數據業務流量采用類似包月的收費模式，而且包月流量逐年成倍增加，但費用并沒有明顯提高。由國際電信聯盟和聯合教科文組織聯合成立的寬帶發展委員會頒布的2015年全球寬帶發展目標，明確給出了用于寬帶接入的開銷占居民收入的比例建議，具體為：發達國家小于2%，發展中國家小于5%[4]。以我國移動通信手機數據流量包月制度為例，目前通常為GB級別的流量包月，按照總流量增長趨勢，可以預測到2020年至少需要支持TB級別的流量包月，這就要求單位比特的成本降低為現在水平的1/1 000～1/500，這為運營商網絡建設和網絡運營成本帶來了巨大的挑戰。

（3）未來移動寬帶頻段分配主要面向高頻段

3.4～3.6 GHz頻段是2007年世界無線電大會（WRC-07）劃分給移動通信使用的重要頻段之一，全球范圍內，該頻段的商用已經提上日程，歐洲部分國家已經開始商用部署。例如，香港電訊盈科英國子公司UK Broadband已經決定采用3.5 GHz頻段部署TD-LTE網絡。在WRC-12會議上，確定了下屆WRC-15議程1.1將針對未來移動寬帶發展需求為IMT分配新的頻率。3 GHz以下，已經很難找到足夠的頻段滿足未來移動寬帶業務的需求；而3 GHz以上，3.4～3.6 GHz有可能進一步擴充到C波段其他部分（3.6～4.2 GHz）。部分國家也在考慮將5 GHz以上空閑頻段分配給IMT。可見，未來移動通信發展的潛在頻率主要集中在3 GHz以上的高頻段，而TDD制式在高頻段、大帶寬、小覆蓋方面具有天然的優勢。

（4）移動寬帶成為全球發展趨勢

基于移動寬帶網絡的各種業務和應用蓬勃發展，移動寬帶應用被業界廣泛接受，移動和寬帶融合滿足未來各種場景下的移動數據業務需求議程成為必然趨勢；全球范圍內，美國、歐洲、日韓等國家和地區相繼發布了國家寬帶計劃，將移動寬帶未來的發展提高到戰略高度。

3 LTE-Hi的提出、定位和技術需求

從業界觀點看，滿足未來移動寬帶發展的有兩類技術路線：一種為MBB=LTE+Wi-Fi，另外一種為MBB=LTE+LTE高頻熱點增強，如圖2所示。雖然Wi-Fi已形成完整的產業鏈，而超高速本地接入標準IEEE 802.11ac/ad的標準化工作也已經基本完成，支持的帶寬較寬，峰值速率可以達到1 GHz，但由于使用非授權頻段，節點部署隨意性較強，運營商無法做到可管可控，在干擾管理、移動性管理、功耗管理以及用戶QoS支持方面存在很大問題，不能滿足移動寬帶業務長遠發展的需要。為了支持無線移動寬帶的長遠發展，在現有LTE技術的基礎上，針對高頻熱點進行進一步增強，是支持未來移動寬帶可持續發展的長遠之計。

面對未來移動寬帶業務的需求和發展態勢，工業和信息化部2010年底開始組織大唐電信等國內各大廠商和運營商成立專門的課題研究組，開展專題研究。鑒于我國在3GPP已經取得的標準化成果和技術地位，提出了以3GPP路線為主，開發并推動基于TD-LTE的無線移動寬帶接入技術，以滿足室內熱點數據業務增長需求的技術路線。即我國明確了以基于TD-LTE的室內熱點高頻高速率技術為未來重要的技術方向，并在2011年將該系統命名為LTE-Hi。LTE-Hi的Hi具有多重含義，如hotspot and indoor、higher frequency、high bandwidth、higher performance。LTE-Hi系統的定位是基于TD-LTE，建立小覆蓋、高吞吐量、低移動性、架構優化的低成本室內熱點無線通信解決方案，滿足該場景的大數據量需求。

基于第2節的分析，LTE-Hi進一步的技術需求包括以下幾個方面。

·支持密集部署和高系統容量。需要針對熱點場景用戶密度高、話務量高的特點，支持多小區密集部署，提高單位面積的吞吐量，并盡量提高單小區的容量。

·后向兼容性。設計上盡量維持現有LTE/SAE設計，即現有版本的LTE終端能夠接入新系統中。同時，考慮到不同場景的需求和工作頻率，允許非后向兼容增強。

·數據業務路由簡化。核心網要具有必要的控制、計費等功能；而用戶本地數據業務可以不經過核心網，互聯網業務也可以直接通過本地接入互聯網。

·支持用戶自主安裝配置和靈活組網。LTE-Hi基站需要簡化安裝和配置過程，降低運營和維護的復雜度和成本；此外需要考慮自動建立與歸屬運營商核心網的聯系，完成認證與鑒權過程；自動選擇恰當的頻點和帶寬等參數。

·可管可控可運營。作為電信運營商網絡，可管可控和可運營為基本需求，包括：對網絡設備的可管可控，主要為OAM相關特性；對終端行為的可管可控，包括終端行為和終端業務的可管可控。

·降低體積和功耗。LTE-Hi的體積和功耗應當接近于Wi-Fi的接入點，而在運營商部署方面則需要支持多運營商、較低的制造成本、較小的體積。

·滿足移動業務QoS需求。能提供一種簡單、靈活、低成本的室內覆蓋方案，業務QoS需求與現有LTE系統一致，可以進一步增強本地分流業務QoS和移動性。

·增加規模效益，持續降低接入點的成本。在新的工作頻段上，針對小覆蓋場景特點，可以考慮優化射頻指標方式，包括放寬干擾指標、降低靈敏度等，以降低接入點的成本。

4 LTE-Hi關鍵技術

基于未來移動寬帶業務應用對系統的需求，高頻段熱點小覆蓋場景具有與LTE廣覆蓋系統不同的特性，包括組網場景、傳播特性、信道特性、業務特性和相關需求等，針對未來蜂窩網絡高頻段、大帶寬、小覆蓋以及多頻段多層次異構組網的特性，基于TD-LTE系統的LTE-Hi系統在多個方面開展關鍵技術研究，以滿足未來無線移動寬帶發展的需求。本文著重介紹部分LTE-Hi關鍵技術，作為無線移動寬帶網絡演進方向，LTE-Hi系統還有許多特性和技術有待進一步開發和研究。

4.1 TDD上下行自適應技術

與FDD相比，TDD雙工方式具有可靈活進行上下行比例配置的優勢，非常適合IP分組業務等非對稱業務的傳輸。通過基于業務情況進行靈活的上下行資源比例調整，能夠有效地提升小區和用戶吞吐量，降低業務傳輸時延，提升用戶體驗。此外，在小區業務負載較低時，通過配置更多的上行子幀實現網絡節能。

TD-LTE支持7種上下行子幀分配方式，其中下行資源比例占無線幀中的40%～90%，上下行配置信息通過系統廣播告知終端。網絡修改上下行分配方式需要通過尋呼信道觸發終端讀取新的系統信息，不能很快速地進行上下行資源的重配。這種設計主要面向宏蜂窩的應用，在宏蜂窩中，由于接入的用戶較多，且包括話音、數據等多樣的業務需求，因此從整個小區來看，業務突發性不強，且業務對上下行的資源需求不會隨時間劇烈變化。此外，在宏小區中，由于基站天線架高，相鄰基站與基站之間的信號傳播損耗很小，因此如果相鄰基站同時進行不同方向的傳輸，交叉時隙干擾（即本區基站上行接收鄰區基站下行發射信號干擾，或鄰區終端下行接收本區終端上行發射信號的干擾）的存在將顯著地降低網絡的性能。考慮到業務特性以及干擾特性，在現有以宏網絡為主的TD-LTE組網中，通常采用小區間嚴格同步的方式，并配置相同的上下行子幀。因此現有的TD-LTE并不能充分發揮TDD技術根據業務進行靈活上下行資源配置的優勢。

與TD-LTE系統相比，LTE-Hi系統的應用場景具有如下顯著特征：

·高頻段、小覆蓋，信號的路徑損耗更大，僅支持較小的小區覆蓋；

·以數據業務為主，單小區用戶數較少，業務突發性強，隨時間的波動大；

·密集的多小區組網；

·較多的室內覆蓋場景；

·基站發射功率低，大多數場景和終端相當。

在這種組網場景下，路徑損耗大、基站發射功率低、大量的室內熱點小區部署等減弱了小區之間的干擾，使得在小區間應用不同的上下行配置成為可能。由于該場景中，單小區業務突發性更強且隨時間波動劇烈，非常適用于基于業務動態調整上下行的資源比例，滿足不同小區的差異化業務需求以及同一小區業務隨時間變化的需求，充分發揮TDD技術的優勢。

根據業務情況實時調整上下行資源比例，能夠提升小區以及用戶的吞吐量，降低業務傳輸時延，提高用戶感知，降低網絡能耗等。為了達到這一目標，需要開展的關鍵技術研究包括以下兩種。

·TDD業務自適應：從性能評估入手，根據評估結果設計合理的技術方案，支持子幀的重配置。

·TDD小區間干擾：分析各種場景下應用增強TDD業務自適應的可行性以及相應的干擾水平，并設計合理的技術方案以降低小區之間的干擾，擴大業務自適應的應用范圍。

4.2 多小區干擾協調技術

如何最小化TDD 基站間的干擾，保證網絡系統的穩定性和頑健性，對提升系統性能有非常重要的作用。由于TD-LTE高頻高速熱點基站具有靈活可動的特點，決定了干擾問題出現的突發性和可變性，在復雜的網絡環境下需要實時地對干擾進行控制和協調，集中控制節點的協調或基站間分布式的自適應協商都是可能的干擾協調方式。干擾協調和干擾消除包括從頻域和時域上的協調和消除，通過避免相鄰基站間復用頻域或時域上的資源，最小化對相鄰基站的干擾和影響；也可以采用底層技術進行干擾協調和消除，如功率協調、物理層干擾消除技術、空口同步技術等。

頻域上，通過集中控制或分布式控制方式，協調各基站的頻域資源分配，減小對鄰基站的干擾。集中控制方式指通過OAM或其他高層節點對接入網絡的基站進行頻率協調，為相鄰基站分配間隔較大的頻點；分布式控制方式指通過感知無線電等技術，基站通過頻率搜索和干擾檢測等方式，獲取可用的頻率信息，通過自適應方式實現最優頻點選擇。還有一種分布控制方式是通過基站間的信息交互實現頻率協調，可用于基站間的直接信息交互或通過高層節點轉發的信息交互。

時域上，通過集中控制方式或基站間的信息交互協調方式，協調各基站的子幀使用情況，具體包括設置空子幀、MBSFN子幀等，使每個基站都可以獲取鄰基站的子幀配置，必要時可獲取鄰基站子幀的使用情況，對干擾情況嚴重的用戶，盡量使用鄰基站的空子幀進行調度和資源配置，最小化鄰基站的干擾，從而保證用戶的服務質量和網絡性能。

功率上，基于用戶位置、多小區上行干擾情況、用戶業務類型控制用戶的發射功率、調制編碼方式，將功率控制和自適應調制編碼結合起來，實現有效的上行干擾抑制；同時研究控制信令的編碼壓縮技術，研究控制信令的有效可靠傳輸。

同步協調也是保證TDD系統多小區組網正常工作的重要技術之一，小區之間可以通過空口監聽方式實現小區間同步，當小區間干擾較大時，適當通過集中式或者分布式的協調方法調整時鐘，保證不存在過大的上下行干擾。

4.3 熱點MIMO增強技術

MIMO技術對于提高無線鏈路的峰值速率與系統頻譜利用率具有十分重要的意義，但是TD-LTE系統中現有的MIMO技術主要是針對宏小區場景設計的，無法體現對高頻段/室內/熱點環境特點的優化，因而不能充分地發揮其在熱點覆蓋場景中的優勢。LTE R10雖然將MIMO增強作為一個重點工作方向，但由于受到其設計目標及宏小區覆蓋的一些特殊要求的限制，將現有的LTE MIMO技術方案的設計思路用于熱點覆蓋場景并不是最優的。熱點覆蓋場景中，尤其是室內應用場景中，一般具有較豐富的散射/反射路徑，相對于宏小區而言，信噪比較高，而且終端移動性較低。這些因素對于MIMO技術的應用是十分有利的，因此從應用場景到業務需求，都迫切需要針對熱點場景優化的MIMO方案。

基于熱點覆蓋場景中MIMO信道的特性，結合現有的LTE MIMO技術框架，熱點覆蓋場景中的MIMO技術增強需要重點對以下幾方面進行優化設計。

·高階MIMO：主要針對非相關場景，研究新型的預編碼與碼本設計機制或對現有碼本進行擴充，以更好地支持高階MIMO傳輸。載波頻段的提高，有利于天線陣列的小型化，而熱點覆蓋場景中天線陣列的布置較為靈活，因此有條件使用更大規模的天線陣列，支持更高階的MIMO傳輸。

·上行MIMO增強：熱點覆蓋場景中，接入點與終端之間的間距較小，因此發送上行信號時，對功放效率的限制可適當放松。在此基礎上，上行碼本的設計可以更為靈活，將注意力更多地集中于改善MIMO的傳輸容量上。

·CSI反饋增強：熱點覆蓋場景中，終端的移動性普遍較低，因此CSI反饋機制還可以進一步優化。例如采用逐步細化的反饋方式，在信道的相關時間內，逐次上報具有不同分辨率的CSI信息，以便于在網絡側進行更精準的調度與預編碼/波束成形。針對TDD系統，有必要繼續深入研究基于信道互易性的反饋技術。此外，還可以考慮引入顯式信道反饋機制，降低終端復雜度，提升基站預編碼性能。

·RS設計：如果引入更高階的MIMO技術，則需要定義新的參考符號。針對熱點場景移動速度低、時延擴展小的特點，高階MIMO的RS設計應當同時考慮支持MIMO傳輸的測量需求以及系統對參考符號開銷的約束條件，利用信道的時域和頻域相關性，在保證測量精度的前提下盡可能控制其對系統效率的影響。

·控制信令與反饋信道：引入上述技術之后，需要定義新的增強的控制信令及相應的控制流程與反饋信道和控制信道，以支持增強的MIMO技術。

4.4 高頻新載波設計

LTE/LTE-Advanced物理層最初的設計針對蜂窩覆蓋，要求最大支持100 km的覆蓋半徑，最高350 km/h的移動速度[5]；LTE-Hi針對高頻段、小覆蓋場景，覆蓋半徑通常在100 m以內，用戶通常為靜止或者移動速度在3 km/h以下。這樣，原有物理層底層設計，如子載波間隔設計、CP長度、同步精度、多址方式、調制編碼方式等在高頻熱點場景下冗余度較大，系統效率不高。為了更大地提高系統容量和頻譜效率，針對LTE/LTE-Advanced在高頻段熱點更長遠的發展需求，將開展非兼容載波設計，突破現有LTE/LTE-Advanced的約束。

新載波設計主要考慮以下方面。

（1）新的 OFDM 設計

新的OFDM設計包括支持更大的系統帶寬 （>100 MHz）、適合的子載波間隔（室內場景可以適當增加子載波間隔以支持大帶寬）、合適的CP長度、熱點場景下的時延（通常擴展在幾百納秒范圍）、合適的子幀長度，室內允許適當擴展子幀長度、降低調度開銷等。

（2）上行 OFDMA 技術

在現有LTE/LTE-Advanced系統上行多址方式設計中，由于宏覆蓋場景下上行功率受限，采用了DFT-S-OFDM技術，降低上行信號PAPR，以滿足上下行覆蓋的平衡需求。室內熱點場景下，小區覆蓋半徑通常在100 m內，熱點基站的發射功率通常在24 dBm以下，上行功率受限的特性并不明顯，針對高頻熱點場景也可以使用OFDMA技術。上行OFDMA技術主要有以下優勢：

·降低終端成本，OFDMA處理復雜度明顯低于DFT-S-OFDM；

·上下行對等設計，終端和基站共用芯片設計成為可能，從而大大降低高頻熱點基站成本；

·OFDMA方式下，允許上行靈活的頻域調度，帶來頻率選擇性增益，進一步提高系統容量。

4.5 綠色節能技術

保護環境，應對氣候變化是全世界面臨的共同課題。在電信領域，由于能源價格的提升，網絡運營商越來越重視對環境的責任和運營成本的控制。節能技術包括網絡側節能和終端側節能兩個方面。

（1）網絡側節能

LTE-Hi著重解決室內熱點區域覆蓋和高速數據傳輸問題，基站用于熱點區域覆蓋且具有靈活部署的特性，網絡側節能顯得尤為重要。網絡側的節能方法主要有以下幾種。

·根據用戶分布和業務需求，合理控制熱點區域基站的開關，以最合理的基站數量滿足用戶需求；同時在密集組網場景下開展基站間的覆蓋協作技術，在業務需求量降低時，可以通過基站間協調讓部分基站下行處于靜默態，同時擴大剩余基站的覆蓋范圍。

·基站根據數據量需求，提供最合理的傳輸帶寬，這可以通過基站上下行帶寬靈活配置實現。

·降低天線端口數，直接關閉部分PA實現節能。

·根據業務特性和數據量，基站的部分子幀不進行數據收發，以節約網絡側和終端側的能耗。

（2）終端側節能

終端側節能關系到電池消耗、用戶體驗、節能環保等多個方面，本課題同時面向技術設計和樣機開發的特點，終端側節能技術研究包括兩個方面。

①基于技術優化實現

對于基于技術優化實現終端側節能，有如下3種方式。

·DRX機制：除了LTE的DRX設計，在本課題的場景中可以考慮更大的DRX周期或基于業務特性的DRX機制，實現較為精準的終端能耗控制。

·子幀靜默：通過MBSFN子幀配置、blank子幀配置等方式，使終端在特定子幀可以不進行接收和解碼，降低終端能耗。

·其他優化：如PDCCH優化，通過多子幀調度等方式，降低終端接收和解碼的開銷。

②在設備開發中實現

在設備開發中實現終端側節能，通過合理的系統架構設計、模塊設計和優化等降低終端能耗。

4.6 優化的網絡接入方式

高頻高速熱點接入系統針對室內熱點場景，以大帶寬、數據業務為主，終端為固定和低速移動，支持本地接入和游牧。熱點區域傳輸具有數據量大、業務發生區域集中的特點，如果采用LTE廣域覆蓋系統架構，核心網的負擔相當大。LTE Femto針對室內熱點接入場景引入了LIPA架構，數據面通道從UE到HeNB再通過LGW直接訪問到家庭網絡，不需要經過核心網功能實體，控制面通道仍要經過核心網實體[6]。在當前的網絡應用和測試中，大量用戶下控制面信令對核心網的沖擊是很大的，一個典型的例子是移動QQ軟件的大量突發小數據分組和信令對網絡的沖擊，這已經促使了很多應用層程序優化、設備實現優化和核心網優化。同時，高頻高速熱點接入設備除了需要和LTE宏網絡融合組網外，還存在和其他現有3G甚至2G網絡聯合組網的需求，這種情況下，運營商并沒有部署SAE核心網絡。LTE-Hi無線接入系統脫離現有LTE的EPS核心網架構，支持靈活的網絡接入方式，是從互聯網角度對無線移動網絡的優化，是對無線移動寬帶網絡的深入詮釋。

網絡接入方式優化的方向為用戶面和控制面都采用本地IP接入的方式，用戶數據可以直接在本地IP接入，而控制面對QoS、移動性等按照寬帶IP網絡思路進行簡化，同時網絡側基于現有IP系統，采用現有IP網絡技術接入2G/3G/4G宏網絡的核心網，進行用戶的加密、鑒權、計費等功能。

優化的網絡接入架構如圖3所示，在系統架構邏輯實體中，HSS/HLR、在線/離線CS以及AAA服務器通常為現有核心網模塊或者新增功能模塊，GW和AP可以合設。

5 LTE-Hi發展路線與建議

LTE-Hi作為無線移動寬帶網絡演進方向，需要政府主導、國內研究機構和產業公司共同努力，在標準化和產業化各方面進行規劃和推動。

（1）標準策略和技術路線

LTE-Hi各項關鍵技術研究成果，需要考慮產業發展和頻率分配的情況，有步驟地向國際標準組織進行標準推進。在ITU和3GPP標準化組織推進的策略和技術路線如下。

ITU主要推動頻率的劃分和使用，主要目標為針對WRC-15議題1.1，推動更多的高頻段（3 GHz）為IMT分配業務，并開展C波段IMT和衛星共存研究的工作，促進全球統一的TDD劃分。

3GPP主要推動LTE-Hi相關技術在LTE-Advanced R12及后續版本中的立項研究和標準化，重點推動TDD相關特性，并保證TDD系統獨立組網的能力。

（2）產業化路線

面對室內熱點場景無線移動寬帶需求和Wi-Fi產業的競爭壓力，盡快推出LTE-Hi產品，滿足市場需求非常關鍵。LTE-Hi產業化建議采用先易后難的步驟，前期盡快推出產品占領市場，后期分步驟逐漸增加特性，提升產品競爭力。

6 結束語

基于TDD的LTE-Hi技術，以其高頻段大容量、適應熱點覆蓋、組網靈活、高效率高質量支持移動數據業務以及和運營商蜂窩網絡良好兼容等特征，能夠很好地滿足未來移動寬帶業務的需求，將成為未來無線移動寬帶網絡演進的重要方向。

1 Recommendation ITU-R M.Detailed Specifications of the Terrestrial Radio Interfaces of InternationalMobileTelecommunications Advanced(IMT-Advanced),2012

2 Keynote Speech Materials from 3GPP Workshop on R12 and Beyond,2012

3 CCSA TC5 WG6.未來10年IMT業務市場預測,2012

4 Broadband Commission.Broadband Targets for 2015,2011

5 3GPP TR36.913V10.0.0.Requirements for Further Advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)(LTEAdvanced),2011

6 3GPP TR23.809V10.0.0.Local IP Access and Selected IP Traffic Offload(LIPA-SIPTO),2011