多元化的4G - 经管之家

1025

收藏 2014-09-25

　　五年前如果问第4代无线通信是什么，答案可能有多种：WiMAX、UMB或是LTE。这三种标准背后所代表的公司组织都挺强，一个是IEEE，一个是3GPP2，一个是3GPP。它们的的空中接口协议互不兼容，所采用的技术和信道格式差别甚大。当时，各自的势头都很猛，搞得蜂窝通信运营商、设备厂商和终端厂商不知需要支持多少种网络和产品。到了现在，胜者只剩下一个：LTE/LTE-Advanced已经是4G的同义词。运营商和厂商的担子似乎减轻了许多：标准终于走向世界大同了。但是仔细一看，问题可没那么简单。
　　LTE制定之初(版本8，或者称3.9G)吸取了WCDMA标准的经验，对新技术的引入十分慎重，大部分的功能是必选的，即终端必须具备的。另外，协议的书写也力求短小精悍。这些做法为LTE的标准推进和商业化部署赢得了宝贵的时间，与WiMAX和UMB的标准延迟减低在一年以内。随着4G标准的日趋明朗，原来致力于WiMAX和UMB研究开发的公司和科研人员纷纷转向了LTE/LTE-Advanced。这一点仅仅从参加3GPP的公司和代表数就能看出。几年前，整个无线接入网(RAN)的5个技术工作组的参会代表每次加起来不过400人，而现在翻了一番，要找能容纳800多人同时几组分别开会的酒店都挺难。3GPP现在已经是名副其实的国际主流标准组织，形成百花齐放的景象。研发资源在LTE的集中使得更多新技术的融入成为可能，LTE在版本10(LTE-Advanced)或者说是真正的4G增添了载波聚合(Carrier aggregation)，增强的下行和上行多天线技术(Enhanced downlink/uplink MIMO)，增强的小区间干扰协调(eICIC)，无线中继(relay)。到了LTE 版本11，又增添了多点协作处理(CoMP)，增强的载波聚合等。这样一来，协议的页数迅速地加厚。当然，这些新功能许多都是可选的，为4G系统的实现提供了更多的灵活性。
　　技术的多元化，对应地就需要运营商和生产厂商对每种技术的应用场景和实现特点有深刻的了解，下面举几个例子。比如，载波聚合的主要目的是增加终端的数据速率，有效利用零散频谱和进行频域上的小区间干扰。LTE-Advanced最多可以支持5个载波的聚合，每个载波最宽为20 MHz。设计优化的对象是2个载波的聚合，可以是连续载波的聚合，带内的载波聚合(例如都在800 MHz附近)或是带间的载波聚合(例如一个在800 MHz左右，另一个在1900 MHz左右)。对于频谱资源丰富的运营商，载波聚合是提高系统总吞吐量的最直接途径。由于参与聚合的载波组合情况庞杂，相应的性能指标比较繁琐，即使对于同一种聚合类型，例如带内载波聚合，其射频要求也有若干种，分别体现了硬件实现的不同难易程度。所以，各个运营商应具体分析已拥有的频谱，竞标新频谱所需的费用，并考虑4G的设备投资和运维的成本，合理规划聚合的方式。频谱聚合需要增加终端的射频器件单元，不可避免地会提升终端的功耗，而节能和器件研发/生产的成本密切相关，终端生产厂商可以根据各自产品的市场定位，选择合适的载波配置。
　　又如，增强的多天线技术通过利用空间信道的维度来提高系统的频谱效率。这里面的种类也很多。对于下行多天线技术，如果空间信道复用是不同用户之间的，则基站端需要部署较多的天线，相应的信号处理更加复杂，租用天线场地的成本也会增加，这些大多应由运营商来承担，通常部署在宏基站上;如果空间信道复用是相同用户的各个传输层的，则基站侧和终端侧都需要布置多个天线，而且要保证天线之间的空间隔离度，所以终端和系统的成本会显著增加，其中对终端的影响更大，一般只有高端的Pad或者笔记本电脑才具备。对于上行多天线技术，同样道理，如果空间信道的复用是在不同用户间的，则只需要基站的接收器和调度器的增强，对终端的成本影响很小;而如果空间复用在同个用户，则终端的实现难度会大大提高，不仅在信号处理复杂度方面，更重要的是多天线发射带来的功耗加倍。
　　将多天线技术拓展到多个小区的天线，即形成多点协作处理。这里面又有多种选择，根据网络的回传链路的数据容量，时延情况和同步要求，从高到低，相应的多点协作处理分别可以是最复杂/高级的相干联合传输，或者是动态传输节点切换，或是动态协作传输。总的来讲，这些技术对终端的影响较小，而对系统侧有较高的要求，例如回传链路的设备投资，跨小区的资源调度器的实现，运营商和系统设备商需要做好权衡。
　　增强的小区间干扰协调体现了4G网络的异构特点，广覆盖的宏基站与小覆盖的低功率节点同频组网。低功率节点由于使用与宏站不同的小区ID，可以实现小区分裂的功效，从而将宏站的数据分流给低功率节点，增加整个异构网络的容量。低功率节点可以是毫微站 pico node 或是家庭基站 Home eNB，Eww140925gl 前者以室外场景为主，由运营商统一部署，需要网络规划和优化，而后者是服务室内的签约用户，由用户按照实际需要在家庭中合适的位置布置。它们的干扰情形有很大区别。相比由清一色的宏站构成的同构网，异构网中节点间的干扰更为严重，所以合理的信道子帧配置是一个关键。异构网中的另一个特殊节点就是无线中继。LTE版本10标准化的中继节点相当于一个带有无线回传链路的毫微站，由于回传不需要布线，中继节点的部署十分灵活，甚至可以放在路灯上，能有效地解决盲区的覆盖。而且因为回传与接入链路(中继到终端)采用同一频谱，运营商无需为回传链路单独分配频谱，这更增加了部署的灵活性。当然，无线回传毕竟速率不如有线回传，中继系统的容量无法与一般的毫微站异构网相比，但LTE-Advanced提供了多个候选，供厂商根据实际情况择取最合适的。
　　在LTE版本11，物联网的内容也被包含进来了，具体在对低成本的机器间通信终端的研究。这类终端主要用于智能电表，通信的特点是低速率，小数据包，长周期，海量用户数，低速运动或者静止，一般放置于地下室，传播路损严重。这方面的应用虽然超出了运营商传统的业务范围，但随着物联网的兴起，通信产业的商业模式将更多样化，4G也一直促进对新的业务模型的研究和标准化。
　　针对4G技术的多元化，3GPP在研究工具上不断提升水平，一个突出的体现是系统仿真的日臻全面和完善。现在的LTE/LTE-A系统的计算机仿真，都由近百个基站和成千个终端组成，传播信道实时地生成，运算量巨大，一般得在多个服务器上并行处理，目的就是为了较真实地模拟实际系统的运行，更准确地来估计一个技术所能带来的性能增益。
　　我们国家领土辽阔，地域形式，部署场景和用户群体呈现多样性，多元化的4G对我国发展4G提供了较多的选择。相信在中国，4G会比3G更成功。
　　作者系袁弋非，国家“千人计划”入选者，曾任职朗讯贝尔实验室。参与研制业界第一个带智能天线的3G基带芯片，在4G无线系统仿真方面有很深造诣。
　　(本帖由荷叶非花整理自《千人智库》）