陈山枝，秦 飞

（大唐电信科技产业集团 北京 100191）

1 背景

2012年1月，ITU-R通过了第4代移动通信技术标准建议书 ITU-R M.2012[1]，LTE-Advanced成为 IMT-Advanced移动通信技术标准之一，包括以我国为主提交的TD-LTE-Advanced和LTE-Advanced FDD两种技术。大唐电信科技产业集团（以下简称大唐电信）等国内企业主导了TD-LTE-Advanced标准的制定，并确保了TD-SCDMA的平滑演进。

未来的移动宽带发展呈现两大趋势：从移动宽带数据业务发生的场景看，主要发生在室内和热点地区；从未来移动通信发展的潜在频率看，满足未来移动宽带数据需求的潜在频率主要集中在3 GHz以上的高频段。为了满足未来移动宽带数据业务需求，高频段、大容量、小覆盖系统成为最重要的技术趋势。

LTE/LTE-Advanced R8到R11版本的特性研究主要针对宏覆盖场景，虽然在产品形态上支持Macro/Micro/Pico以及Femto等针对不同覆盖距离的设备，但标准设计的重点是面向移动场景，并没有针对宽带数据业务需求以及高频段热点场景进行针对性的设计。

从2010年开始，以大唐电信为代表的中国企业率先开展了基于TDD的LTE-Hi的技术及标准研究，以解决未来无线移动宽带数据业务在室内和热点场景的需求。在2012年3GPP针对R12及后续研究方向的研讨会上，针对室内热点高频的小小区（small cell）成为LTE R12研究方向的热点议题[2]，LTE-Hi成为未来无线移动宽带网络演进发展的方向。

2 未来无线移动宽带业务需求

移动互联网的飞速发展和智能终端的快速普及，带来移动业务流量的指数增长。未来移动宽带业务主要有以下几个特点。

（1）移动宽带数据业务流量飞速增长，主要发生在室内和热点场景

近年来，随着信息技术的飞速发展、智能终端的大量普及，人们生活、工作的各个领域对于移动宽带业务的需求呈井喷式增长，根据CCSA最新的业务预测报告[3]，到2015年，我国移动数据业务的总流量相对于2010年将增长约40倍，如图 1所示。从业务类型看，移动宽带业务呈现全IP化、业务类型多样化以及以高速率大流量数据业务为主的特点。从业务发生的场景统计，在全球主要运营商的数据业务中，移动话音业务的60%、数据业务的70%发生在室内和热点地区；根据预测，未来室内及热点业务将占总业务量的90%。因此，提高系统流量、支持室内及热点场景业务是解决移动数据流量增长问题的关键。

（2）运营商利润和流量增长不成正比

在移动流量飞速增长的同时，运营商利润并没有实现同比增长。目前，大多数运营商对移动数据业务流量采用类似包月的收费模式，而且包月流量逐年成倍增加，但费用并没有明显提高。由国际电信联盟和联合教科文组织联合成立的宽带发展委员会颁布的2015年全球宽带发展目标，明确给出了用于宽带接入的开销占居民收入的比例建议，具体为：发达国家小于2%，发展中国家小于5%[4]。以我国移动通信手机数据流量包月制度为例，目前通常为GB级别的流量包月，按照总流量增长趋势，可以预测到2020年至少需要支持TB级别的流量包月，这就要求单位比特的成本降低为现在水平的1/1 000～1/500，这为运营商网络建设和网络运营成本带来了巨大的挑战。

（3）未来移动宽带频段分配主要面向高频段

3.4～3.6 GHz频段是2007年世界无线电大会（WRC-07）划分给移动通信使用的重要频段之一，全球范围内，该频段的商用已经提上日程，欧洲部分国家已经开始商用部署。例如，香港电讯盈科英国子公司UK Broadband已经决定采用3.5 GHz频段部署TD-LTE网络。在WRC-12会议上，确定了下届WRC-15议程1.1将针对未来移动宽带发展需求为IMT分配新的频率。3 GHz以下，已经很难找到足够的频段满足未来移动宽带业务的需求；而3 GHz以上，3.4～3.6 GHz有可能进一步扩充到C波段其他部分（3.6～4.2 GHz）。部分国家也在考虑将5 GHz以上空闲频段分配给IMT。可见，未来移动通信发展的潜在频率主要集中在3 GHz以上的高频段，而TDD制式在高频段、大带宽、小覆盖方面具有天然的优势。

（4）移动宽带成为全球发展趋势

基于移动宽带网络的各种业务和应用蓬勃发展，移动宽带应用被业界广泛接受，移动和宽带融合满足未来各种场景下的移动数据业务需求议程成为必然趋势；全球范围内，美国、欧洲、日韩等国家和地区相继发布了国家宽带计划，将移动宽带未来的发展提高到战略高度。

3 LTE-Hi的提出、定位和技术需求

从业界观点看，满足未来移动宽带发展的有两类技术路线：一种为MBB=LTE+Wi-Fi，另外一种为MBB=LTE+LTE高频热点增强，如图2所示。虽然Wi-Fi已形成完整的产业链，而超高速本地接入标准IEEE 802.11ac/ad的标准化工作也已经基本完成，支持的带宽较宽，峰值速率可以达到1 GHz，但由于使用非授权频段，节点部署随意性较强，运营商无法做到可管可控，在干扰管理、移动性管理、功耗管理以及用户QoS支持方面存在很大问题，不能满足移动宽带业务长远发展的需要。为了支持无线移动宽带的长远发展，在现有LTE技术的基础上，针对高频热点进行进一步增强，是支持未来移动宽带可持续发展的长远之计。

面对未来移动宽带业务的需求和发展态势，工业和信息化部2010年底开始组织大唐电信等国内各大厂商和运营商成立专门的课题研究组，开展专题研究。鉴于我国在3GPP已经取得的标准化成果和技术地位，提出了以3GPP路线为主，开发并推动基于TD-LTE的无线移动宽带接入技术，以满足室内热点数据业务增长需求的技术路线。即我国明确了以基于TD-LTE的室内热点高频高速率技术为未来重要的技术方向，并在2011年将该系统命名为LTE-Hi。LTE-Hi的Hi具有多重含义，如hotspot and indoor、higher frequency、high bandwidth、higher performance。LTE-Hi系统的定位是基于TD-LTE，建立小覆盖、高吞吐量、低移动性、架构优化的低成本室内热点无线通信解决方案，满足该场景的大数据量需求。

基于第2节的分析，LTE-Hi进一步的技术需求包括以下几个方面。

·支持密集部署和高系统容量。需要针对热点场景用户密度高、话务量高的特点，支持多小区密集部署，提高单位面积的吞吐量，并尽量提高单小区的容量。

·后向兼容性。设计上尽量维持现有LTE/SAE设计，即现有版本的LTE终端能够接入新系统中。同时，考虑到不同场景的需求和工作频率，允许非后向兼容增强。

·数据业务路由简化。核心网要具有必要的控制、计费等功能；而用户本地数据业务可以不经过核心网，互联网业务也可以直接通过本地接入互联网。

·支持用户自主安装配置和灵活组网。LTE-Hi基站需要简化安装和配置过程，降低运营和维护的复杂度和成本；此外需要考虑自动建立与归属运营商核心网的联系，完成认证与鉴权过程；自动选择恰当的频点和带宽等参数。

·可管可控可运营。作为电信运营商网络，可管可控和可运营为基本需求，包括：对网络设备的可管可控，主要为OAM相关特性；对终端行为的可管可控，包括终端行为和终端业务的可管可控。

·降低体积和功耗。LTE-Hi的体积和功耗应当接近于Wi-Fi的接入点，而在运营商部署方面则需要支持多运营商、较低的制造成本、较小的体积。

·满足移动业务QoS需求。能提供一种简单、灵活、低成本的室内覆盖方案，业务QoS需求与现有LTE系统一致，可以进一步增强本地分流业务QoS和移动性。

·增加规模效益，持续降低接入点的成本。在新的工作频段上，针对小覆盖场景特点，可以考虑优化射频指标方式，包括放宽干扰指标、降低灵敏度等，以降低接入点的成本。

4 LTE-Hi关键技术

基于未来移动宽带业务应用对系统的需求，高频段热点小覆盖场景具有与LTE广覆盖系统不同的特性，包括组网场景、传播特性、信道特性、业务特性和相关需求等，针对未来蜂窝网络高频段、大带宽、小覆盖以及多频段多层次异构组网的特性，基于TD-LTE系统的LTE-Hi系统在多个方面开展关键技术研究，以满足未来无线移动宽带发展的需求。本文着重介绍部分LTE-Hi关键技术，作为无线移动宽带网络演进方向，LTE-Hi系统还有许多特性和技术有待进一步开发和研究。

4.1 TDD上下行自适应技术

与FDD相比，TDD双工方式具有可灵活进行上下行比例配置的优势，非常适合IP分组业务等非对称业务的传输。通过基于业务情况进行灵活的上下行资源比例调整，能够有效地提升小区和用户吞吐量，降低业务传输时延，提升用户体验。此外，在小区业务负载较低时，通过配置更多的上行子帧实现网络节能。

TD-LTE支持7种上下行子帧分配方式，其中下行资源比例占无线帧中的40%～90%，上下行配置信息通过系统广播告知终端。网络修改上下行分配方式需要通过寻呼信道触发终端读取新的系统信息，不能很快速地进行上下行资源的重配。这种设计主要面向宏蜂窝的应用，在宏蜂窝中，由于接入的用户较多，且包括话音、数据等多样的业务需求，因此从整个小区来看，业务突发性不强，且业务对上下行的资源需求不会随时间剧烈变化。此外，在宏小区中，由于基站天线架高，相邻基站与基站之间的信号传播损耗很小，因此如果相邻基站同时进行不同方向的传输，交叉时隙干扰（即本区基站上行接收邻区基站下行发射信号干扰，或邻区终端下行接收本区终端上行发射信号的干扰）的存在将显著地降低网络的性能。考虑到业务特性以及干扰特性，在现有以宏网络为主的TD-LTE组网中，通常采用小区间严格同步的方式，并配置相同的上下行子帧。因此现有的TD-LTE并不能充分发挥TDD技术根据业务进行灵活上下行资源配置的优势。

与TD-LTE系统相比，LTE-Hi系统的应用场景具有如下显著特征：

·高频段、小覆盖，信号的路径损耗更大，仅支持较小的小区覆盖；

·以数据业务为主，单小区用户数较少，业务突发性强，随时间的波动大；

·密集的多小区组网；

·较多的室内覆盖场景；

·基站发射功率低，大多数场景和终端相当。

在这种组网场景下，路径损耗大、基站发射功率低、大量的室内热点小区部署等减弱了小区之间的干扰，使得在小区间应用不同的上下行配置成为可能。由于该场景中，单小区业务突发性更强且随时间波动剧烈，非常适用于基于业务动态调整上下行的资源比例，满足不同小区的差异化业务需求以及同一小区业务随时间变化的需求，充分发挥TDD技术的优势。

根据业务情况实时调整上下行资源比例，能够提升小区以及用户的吞吐量，降低业务传输时延，提高用户感知，降低网络能耗等。为了达到这一目标，需要开展的关键技术研究包括以下两种。

·TDD业务自适应：从性能评估入手，根据评估结果设计合理的技术方案，支持子帧的重配置。

·TDD小区间干扰：分析各种场景下应用增强TDD业务自适应的可行性以及相应的干扰水平，并设计合理的技术方案以降低小区之间的干扰，扩大业务自适应的应用范围。

4.2 多小区干扰协调技术

如何最小化TDD 基站间的干扰，保证网络系统的稳定性和顽健性，对提升系统性能有非常重要的作用。由于TD-LTE高频高速热点基站具有灵活可动的特点，决定了干扰问题出现的突发性和可变性，在复杂的网络环境下需要实时地对干扰进行控制和协调，集中控制节点的协调或基站间分布式的自适应协商都是可能的干扰协调方式。干扰协调和干扰消除包括从频域和时域上的协调和消除，通过避免相邻基站间复用频域或时域上的资源，最小化对相邻基站的干扰和影响；也可以采用底层技术进行干扰协调和消除，如功率协调、物理层干扰消除技术、空口同步技术等。

频域上，通过集中控制或分布式控制方式，协调各基站的频域资源分配，减小对邻基站的干扰。集中控制方式指通过OAM或其他高层节点对接入网络的基站进行频率协调，为相邻基站分配间隔较大的频点；分布式控制方式指通过感知无线电等技术，基站通过频率搜索和干扰检测等方式，获取可用的频率信息，通过自适应方式实现最优频点选择。还有一种分布控制方式是通过基站间的信息交互实现频率协调，可用于基站间的直接信息交互或通过高层节点转发的信息交互。

时域上，通过集中控制方式或基站间的信息交互协调方式，协调各基站的子帧使用情况，具体包括设置空子帧、MBSFN子帧等，使每个基站都可以获取邻基站的子帧配置，必要时可获取邻基站子帧的使用情况，对干扰情况严重的用户，尽量使用邻基站的空子帧进行调度和资源配置，最小化邻基站的干扰，从而保证用户的服务质量和网络性能。

功率上，基于用户位置、多小区上行干扰情况、用户业务类型控制用户的发射功率、调制编码方式，将功率控制和自适应调制编码结合起来，实现有效的上行干扰抑制；同时研究控制信令的编码压缩技术，研究控制信令的有效可靠传输。

同步协调也是保证TDD系统多小区组网正常工作的重要技术之一，小区之间可以通过空口监听方式实现小区间同步，当小区间干扰较大时，适当通过集中式或者分布式的协调方法调整时钟，保证不存在过大的上下行干扰。

4.3 热点MIMO增强技术

MIMO技术对于提高无线链路的峰值速率与系统频谱利用率具有十分重要的意义，但是TD-LTE系统中现有的MIMO技术主要是针对宏小区场景设计的，无法体现对高频段/室内/热点环境特点的优化，因而不能充分地发挥其在热点覆盖场景中的优势。LTE R10虽然将MIMO增强作为一个重点工作方向，但由于受到其设计目标及宏小区覆盖的一些特殊要求的限制，将现有的LTE MIMO技术方案的设计思路用于热点覆盖场景并不是最优的。热点覆盖场景中，尤其是室内应用场景中，一般具有较丰富的散射/反射路径，相对于宏小区而言，信噪比较高，而且终端移动性较低。这些因素对于MIMO技术的应用是十分有利的，因此从应用场景到业务需求，都迫切需要针对热点场景优化的MIMO方案。

基于热点覆盖场景中MIMO信道的特性，结合现有的LTE MIMO技术框架，热点覆盖场景中的MIMO技术增强需要重点对以下几方面进行优化设计。

·高阶MIMO：主要针对非相关场景，研究新型的预编码与码本设计机制或对现有码本进行扩充，以更好地支持高阶MIMO传输。载波频段的提高，有利于天线阵列的小型化，而热点覆盖场景中天线阵列的布置较为灵活，因此有条件使用更大规模的天线阵列，支持更高阶的MIMO传输。

·上行MIMO增强：热点覆盖场景中，接入点与终端之间的间距较小，因此发送上行信号时，对功放效率的限制可适当放松。在此基础上，上行码本的设计可以更为灵活，将注意力更多地集中于改善MIMO的传输容量上。

·CSI反馈增强：热点覆盖场景中，终端的移动性普遍较低，因此CSI反馈机制还可以进一步优化。例如采用逐步细化的反馈方式，在信道的相关时间内，逐次上报具有不同分辨率的CSI信息，以便于在网络侧进行更精准的调度与预编码/波束成形。针对TDD系统，有必要继续深入研究基于信道互易性的反馈技术。此外，还可以考虑引入显式信道反馈机制，降低终端复杂度，提升基站预编码性能。

·RS设计：如果引入更高阶的MIMO技术，则需要定义新的参考符号。针对热点场景移动速度低、时延扩展小的特点，高阶MIMO的RS设计应当同时考虑支持MIMO传输的测量需求以及系统对参考符号开销的约束条件，利用信道的时域和频域相关性，在保证测量精度的前提下尽可能控制其对系统效率的影响。

·控制信令与反馈信道：引入上述技术之后，需要定义新的增强的控制信令及相应的控制流程与反馈信道和控制信道，以支持增强的MIMO技术。

4.4 高频新载波设计

LTE/LTE-Advanced物理层最初的设计针对蜂窝覆盖，要求最大支持100 km的覆盖半径，最高350 km/h的移动速度[5]；LTE-Hi针对高频段、小覆盖场景，覆盖半径通常在100 m以内，用户通常为静止或者移动速度在3 km/h以下。这样，原有物理层底层设计，如子载波间隔设计、CP长度、同步精度、多址方式、调制编码方式等在高频热点场景下冗余度较大，系统效率不高。为了更大地提高系统容量和频谱效率，针对LTE/LTE-Advanced在高频段热点更长远的发展需求，将开展非兼容载波设计，突破现有LTE/LTE-Advanced的约束。

新载波设计主要考虑以下方面。

（1）新的 OFDM 设计

新的OFDM设计包括支持更大的系统带宽 （>100 MHz）、适合的子载波间隔（室内场景可以适当增加子载波间隔以支持大带宽）、合适的CP长度、热点场景下的时延（通常扩展在几百纳秒范围）、合适的子帧长度，室内允许适当扩展子帧长度、降低调度开销等。

（2）上行 OFDMA 技术

在现有LTE/LTE-Advanced系统上行多址方式设计中，由于宏覆盖场景下上行功率受限，采用了DFT-S-OFDM技术，降低上行信号PAPR，以满足上下行覆盖的平衡需求。室内热点场景下，小区覆盖半径通常在100 m内，热点基站的发射功率通常在24 dBm以下，上行功率受限的特性并不明显，针对高频热点场景也可以使用OFDMA技术。上行OFDMA技术主要有以下优势：

·降低终端成本，OFDMA处理复杂度明显低于DFT-S-OFDM；

·上下行对等设计，终端和基站共用芯片设计成为可能，从而大大降低高频热点基站成本；

·OFDMA方式下，允许上行灵活的频域调度，带来频率选择性增益，进一步提高系统容量。

4.5 绿色节能技术

保护环境，应对气候变化是全世界面临的共同课题。在电信领域，由于能源价格的提升，网络运营商越来越重视对环境的责任和运营成本的控制。节能技术包括网络侧节能和终端侧节能两个方面。

（1）网络侧节能

LTE-Hi着重解决室内热点区域覆盖和高速数据传输问题，基站用于热点区域覆盖且具有灵活部署的特性，网络侧节能显得尤为重要。网络侧的节能方法主要有以下几种。

·根据用户分布和业务需求，合理控制热点区域基站的开关，以最合理的基站数量满足用户需求；同时在密集组网场景下开展基站间的覆盖协作技术，在业务需求量降低时，可以通过基站间协调让部分基站下行处于静默态，同时扩大剩余基站的覆盖范围。

·基站根据数据量需求，提供最合理的传输带宽，这可以通过基站上下行带宽灵活配置实现。

·降低天线端口数，直接关闭部分PA实现节能。

·根据业务特性和数据量，基站的部分子帧不进行数据收发，以节约网络侧和终端侧的能耗。

（2）终端侧节能

终端侧节能关系到电池消耗、用户体验、节能环保等多个方面，本课题同时面向技术设计和样机开发的特点，终端侧节能技术研究包括两个方面。

①基于技术优化实现

对于基于技术优化实现终端侧节能，有如下3种方式。

·DRX机制：除了LTE的DRX设计，在本课题的场景中可以考虑更大的DRX周期或基于业务特性的DRX机制，实现较为精准的终端能耗控制。

·子帧静默：通过MBSFN子帧配置、blank子帧配置等方式，使终端在特定子帧可以不进行接收和解码，降低终端能耗。

·其他优化：如PDCCH优化，通过多子帧调度等方式，降低终端接收和解码的开销。

②在设备开发中实现

在设备开发中实现终端侧节能，通过合理的系统架构设计、模块设计和优化等降低终端能耗。

4.6 优化的网络接入方式

高频高速热点接入系统针对室内热点场景，以大带宽、数据业务为主，终端为固定和低速移动，支持本地接入和游牧。热点区域传输具有数据量大、业务发生区域集中的特点，如果采用LTE广域覆盖系统架构，核心网的负担相当大。LTE Femto针对室内热点接入场景引入了LIPA架构，数据面通道从UE到HeNB再通过LGW直接访问到家庭网络，不需要经过核心网功能实体，控制面通道仍要经过核心网实体[6]。在当前的网络应用和测试中，大量用户下控制面信令对核心网的冲击是很大的，一个典型的例子是移动QQ软件的大量突发小数据分组和信令对网络的冲击，这已经促使了很多应用层程序优化、设备实现优化和核心网优化。同时，高频高速热点接入设备除了需要和LTE宏网络融合组网外，还存在和其他现有3G甚至2G网络联合组网的需求，这种情况下，运营商并没有部署SAE核心网络。LTE-Hi无线接入系统脱离现有LTE的EPS核心网架构，支持灵活的网络接入方式，是从互联网角度对无线移动网络的优化，是对无线移动宽带网络的深入诠释。

网络接入方式优化的方向为用户面和控制面都采用本地IP接入的方式，用户数据可以直接在本地IP接入，而控制面对QoS、移动性等按照宽带IP网络思路进行简化，同时网络侧基于现有IP系统，采用现有IP网络技术接入2G/3G/4G宏网络的核心网，进行用户的加密、鉴权、计费等功能。

优化的网络接入架构如图3所示，在系统架构逻辑实体中，HSS/HLR、在线/离线CS以及AAA服务器通常为现有核心网模块或者新增功能模块，GW和AP可以合设。

5 LTE-Hi发展路线与建议

LTE-Hi作为无线移动宽带网络演进方向，需要政府主导、国内研究机构和产业公司共同努力，在标准化和产业化各方面进行规划和推动。

（1）标准策略和技术路线

LTE-Hi各项关键技术研究成果，需要考虑产业发展和频率分配的情况，有步骤地向国际标准组织进行标准推进。在ITU和3GPP标准化组织推进的策略和技术路线如下。

ITU主要推动频率的划分和使用，主要目标为针对WRC-15议题1.1，推动更多的高频段（3 GHz）为IMT分配业务，并开展C波段IMT和卫星共存研究的工作，促进全球统一的TDD划分。

3GPP主要推动LTE-Hi相关技术在LTE-Advanced R12及后续版本中的立项研究和标准化，重点推动TDD相关特性，并保证TDD系统独立组网的能力。

（2）产业化路线

面对室内热点场景无线移动宽带需求和Wi-Fi产业的竞争压力，尽快推出LTE-Hi产品，满足市场需求非常关键。LTE-Hi产业化建议采用先易后难的步骤，前期尽快推出产品占领市场，后期分步骤逐渐增加特性，提升产品竞争力。

6 结束语

基于TDD的LTE-Hi技术，以其高频段大容量、适应热点覆盖、组网灵活、高效率高质量支持移动数据业务以及和运营商蜂窝网络良好兼容等特征，能够很好地满足未来移动宽带业务的需求，将成为未来无线移动宽带网络演进的重要方向。

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.未来10年IMT业务市场预测,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