TD-LTE产业现况及运用前景
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本文作者：任伟缪洪兵施渊籍付涛作者单位：南京熊猫电子股份有限公司宽带移动通信研发部
一、引言
LTE［1］(LongTermEvolution，长期演进计划)是3GPP标准化组织针对新一代宽带无线通信系统的技术发展需求，从2004年开始制定的新一代宽带无线通信技术标准，其目标是制定一个能够与IEEE802.16X抗衡的并且具备高数据传输速率、低延迟以及具有优化的分组传输能力的无线接入技术，简称E-UTRAN或LTE。与同时期的其他宽带无线传输技术类似，LTE的物理层采用了基于OFDMA技术以及MIMO技术以获得宽带数据传输的目的。
LTE在实验阶段获得了充分的实验验证，经理想环境下的实际验证，LTE可以达到下行传输速率为100Mbps，上行50Mbps的理想结果，并且提供从1.5MHz到20MHz的动态频谱分配，频谱效率提升到当前3G系统的2-4倍。同时，在网络架构方面，为了满足宽带及低延迟传输的要求，LTE通过优化网络架构降低网络部署的复杂度，优化后的接入网络用户面单向数据传输延迟低于10ms，控制面延迟低于100ms。基于3GPP标准化组织的积极推进及相关产业的跟进，LTE技术相比于已有的宽带传输技术，以其先进的传输及及控制体制、扁平化的网络结构、快速灵活的业务部署能力等特点，获得了世界范围内的一致推崇，是第四代移动通信标准的主要候选技术之一［7］。
近年来，国内外科研机构及相关企业陆续开展了针对LTE的产业部署及推广，从终端芯片到接入网络设备、从核心系统控制到业务部署，全面带动了产业的发展。仅以终端LTE基带处理芯片为例，允诺提供测试芯片的国内外厂商多达18家。传统的电信设备提供商，如华为、中兴、大唐以及国外厂商如高通、爱立信、诺基亚等均加大LTE技术研发的投入，提供LTE新产品，获得未来LTE产业部署中的话语权。
可以预见，未来10年内的世界通信产业不同于3G时代围绕WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000以及WiMAX竞争的格局，第四代移动通信将是LTE(TDD和FDD两种制式)以及IEEE802.16m两大阵营竞争的格局，而从产业跟进的情况来看，LTE已经占得先机。由于td-lte延续了我国在TD-SCDMA体制上的技术优势，在国内将获得优先扶持发展，因此，加快推动TD-LTE的研发更显得迫在眉睫。
二、TD-LTE产业现状
自2008年爆发金融危机以来，我国推出了一系列经济刺激计划。其中对通信产业产生较大影响的标志性事件分别是发放3G牌照，全面开展3G网络部署及商用。另外一件标志性事件是通过实施一系列重大科技项目开展技术公关与突破，由工信部牵头组织的科技重大专项就包括“新一代宽带无线移动通信系统”。“新一代宽带无线移动通信系统”重大专项的实施，承接了TD-SCDMA标准研发已经取得的成果，并在此基础上实行纵深研发及横向拓展。该专项围绕“宽带”和“无线”两个核心概念展开，分别在IMT-Advanced、LTE、TD-SCDMA、BWM及超宽带短距离接入及传感网等四个方向展开。上述四个方向中，IMT-Advanced侧重从第四代移动通信关键技术及标准化展开研发，主要支持国内的标准研究机构开展关键技术研究，支持如中国移动、中国联通、中国电信的研究院，如华为、中兴、大唐等技术研究及标准化推进，如清华大学、北京邮电大学、东南大学、电子科技大学等传统的无线通信技术研发高校及中科院、中电集团研究所等。LTE方向侧重开展产业布局，针对通信产业需求开展关键设备及技术公关，分别从芯片、终端、接入网系统设备、核心网设备、射频及测试仪表等方向提供支持，目标是完善LTE产业链，推动产业快速成熟壮大。在LTE的两种体制中支持中，国家重大专项分别支持了TD-LTE和FDD-LTE产业的发展，但是更多侧重偏向于TD-LTE。该方向的研发资金投入占整个专项的大部分比例，由此可见国家对LTE整体布局的思考。传统的通信设备制造商承担了大部分项目的研发，华为、中兴、大唐、普天、上海贝尔等均获得了项目支持。
TD-SCDMA方向侧重于完善已有的产业链，针对TD-SCDMA产业发展中的薄弱环境开展技术公关及研发，部署的项目一般为设备研发类项目。在BWM及短距离超宽带方面，主要支持典型的宽带应用示范，如无线城市，以及基于IEEE802.11的G比特传输等。传感网项目则在推进过程中，结合“感知中国”的项目部署，加快推动了物联网技术的发展，是整个布局中和LTE并列的两大亮点之一。
LTE的产业和3G产业类似，其发展过程中离不开产业链各个环节的均衡发展，从近三年来的产业状况来看，各个环境的发展状况大致可以总结如下:首先是LTE的系统设备研发，系统设备的研发主要集中在传统的大型设备制造企业，此外还包括如诺基亚、爱立信等传统的外资企业。系统设备研发主要面向LTE宏基站及核心测试系统开展研发，由于宏基站的研发相对于终端而言，芯片方案较为成熟，对性能的苛刻要求可以通过扩展芯片处理能力获得，因此系统设备关键集中在对系统设备的整体研发流程控制及性能提升上。基于TI、飞思卡尔等芯片提供商的芯片解决方案的LTE系统设备已经实现从方案设计、预商用到商用阶段的转变，目前基本上都能够提供用于实验部署的系统设备。
与LTE对应的是SAE，侧重研发各类核心网控制设备。该部分研发属于系统设备需要考虑的。传统的网关研发厂商已经能够提供该类测试产品，进而基于此类产品，开展系统集成测试。目前在中国移动“6+1”的试点部署中，已经能够见到该类设备的部署。第二类是终端系统的研发。从3G的发展历程来看，终端始终是制约整个产业发展的瓶颈。在LTE阶段同样不例外。由于终端的设计需要从工艺、能耗、性能等多个角度开展优化设计，给终端架构设计、芯片设计带来了挑战。目前，已有多家芯片研发厂商完成LTE基带处理芯片留片，并有少量CPE及数据卡可供测试使用，但是还看不到高度集成化的终端设备出现。此外，面对高数据量处理，能耗问题是困扰所有设备商的难题。
围绕整个产业的其他产品研发，包括测试仪表研发、射频芯片研发等，配合系统部署的如安全芯片、协议栈软件等，任何一个环节的缺失均可能导致整个产业推进的失败。但是可喜的是，LTE吸引了所有3G产业链成员的加入，并且有新的厂商跟进开展研发，如面向家庭基站的研发吸引了如MINDSPEED、OCTASTIC等芯片公司积极加入，此外，传统的WiFi设备商以及直放站厂商均开始关注基于LTE的网络扩容问题。可以预见，基于LTE的广阔应用前景，宽带无线移动通信网络将形成一个比3G更大的市场，并由更多的科研院所、厂商、运营商加入的庞大产业链提供运营支持。
三、TD-LTE关键技术
3GPP确定的LTE接入网仅由演进型节点B(eNodeB)组成，提供到UE的E-UTRA控制平面和用户平面的协议终止点。eNodeB之间通过X2接口进行互联，以此提供UE在LTE_ACTIVE状态下于不同eNodeB之间切换的能力。LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接，并支持多对多的连接方式。LTE技术的出现不是在传统的通信网络基础上简单优化升级，而是一次技术的革命。在整个LTE系统架构中，创新的技术分布在物理层、高层协议栈、网络架构甚至包括业务系统。在LTE系统中，引入的新技术包括频域多址技术OFDM/SC-FDMA，MIMO技术，高阶调制技术，HARQ技术，链路自适应AMC技术，快速MAC调度技术，以及扁平化的网络架构及全IP化的分组业务支持等。针对专网应用的高可靠、低延迟、灵活部署等特点，本文重点阐述扁平化架构和中继技术、SON技术。
1．扁平化架构
在LTE系统中，为了改善系统和载体设置的响应时间、降低分组传送时延，实现与其他接入网络的最优互通，网络结构变得扁平化。在原有3G网络中去掉了RNC，原来RNC中的RRM功能也部分下移至eNodeB中。eNodeB具有现在3GPPR5/R6/R7的NodeB功能和大部分RNC功能，包括物理层功能，MAC，RRC，调度，无线接入控制，移动性管理等。eNodeB通过X2接口互相合作完成小区间资源分配和调度以及相应的功控。与核心网的连接则依靠与Iu接口相似的S1接口来实现。［2］相比于传统复杂的网络部署方案，扁平化网络架构带来的是更少的网络实体，缩短了信令和数据传送的时间并改善了效率。诸如电力、矿井、军用通信中要求的高可靠和低延时要求，恰恰在LTE的演进过程中通过降低网络节点赘余和设备内部及网络节点间操作时间的方式逐步实现。在满足高带宽的同时，尽可能的克服无线链路产生的不确定性，提供毫秒级的通信延迟指标。面对终端用户进行专网组网部署时，通过复杂的协议设计和高性能的硬件支撑带来的设备数量和操作复杂性上的降低，很大程度上在保证高指标的移动通信性能的情况下减少了工程难度。
2．中继技术(Relay)
目前，针对第四代移动通信网络TD-LTE，我国开放使用的频段还集中分布在穿透性能较差的高频段部分。因此为了支持不均衡的负载区域以及差异明显的覆盖效果。利用中继技术实现的回程链路(Backhaul)受到了包括运营商的广泛关注。［3］中继技术的实质是在网络覆盖区域中引入中继节点，通过中继接力的方法提升小区覆盖能力、吞吐量，进行有效的盲区覆盖和室内覆盖。另外在一些特殊的场景中，比如高速移动的车辆、船舶上等，实现移动性设备的集中接入和群组移动性管理。不仅如此，通过时分工作方式尽可能抵消自身干扰的中继节点可以快速灵活的进行临时部署，提供应急场景的通信能力，灾难中自恢复的应急部署的能力。中继技术的备受关注是产业需求的必然结果，目前通信网络的现状越发趋向于不均衡的状态。尤其是在人员或设备集中分布的区域以及一些距离部署基站相对较远的地区，传统通信信号的覆盖并不能满足高负荷或超远距离覆盖的要求。而由于场景上的特殊性，在一些井下通信，室内通信场景中，通信信号的直接覆盖和穿透能力也达不到LTE对于高速率数据服务支持的要求。因此，中继技术的应用不能不说是为特定场景进行定制部署和规划提供了一个有效地方案。
3．SON技术
SON(Self-OrganizingNetworks自组织网络)的特点可以集中归纳为两个独立的类别:自配置和自优化。下图展示了在活动周期中，无线接入网在这两个类别中的各项内容。自配置是使无线通信网络接入节点(eNodeB)实现自动初始化的最重要功能特点。它在功能上简化了基础组网的安装和配置程序。自配置过程发生在eNodeB开机并且已经和骨干网络进行了有效的连接后。在射频端的收发器还没有开始工作之前，eNodeB首先获得一个IP地址，以此来进行eNodeB自身的鉴权。然后通过下载最新的软件并与MME建立安全的连接，S1接口就可以自动完成初始化。同时，eNodeB开始和邻小区的eNodeB开始进行交互，以此建立X2接口所涉及的一系列参数。在eNodeB的射频收发器开启后，自配置过程会开启自动初始化的无线配置功能，为运行状态做好准备。［4］自优化过程中主要有以下几个子特点:移动负载均衡、移动鲁棒性优化、小区间干扰协调、小区中断监测和补偿以及功率消耗的优化。在eNodeB的自优化过程中，它将根据侦测到的中断，调整自身的天线电倾角、水平角和功率，对中断进行补偿。在解决小区边缘吞吐量方面，邻小区会通过X2接口进行相互协同来实现资源块在时域上的共享，最终提高小区边缘的通信能力。［5］在一些私有网络中，例如甲板通信和井下通信等，eNodeB的配置和优化工作并不是可以随时进行的，并且针对这些私有网络，开展传统的覆盖优化、容量增扩、软件更新，并派遣专业人员到场实施不是一个经济有效的方案。SON技术趋于成熟的协议版本很大程度上减少了专业人力的投入和不必要的技术支持开销。并且设备自身将拥有一定程度的自愈合能力，可以针对一些特殊的信道环境变化和应急场景快速有效的调整软硬件参数，为一些偏僻和有操作难度的场景提供更可靠的解决方案。
四、TD-LTE技术专网应用策略
1．TD-LTE与TD-SCDMA、WCDMA产业的融合
基于性能、功耗、工艺的多方面考虑，目前LTE的终端设备至少在2017年左右才可以进展到成熟的商用阶段。因此在2017年以前，较为可行的方式是用TD-LTE作为无线骨干网的解决方案，TD-SCDMAFemtocell或者WCDMAFemtocell作为接入网解决方案，利用成熟的TD-SCDMA终端及WCDMA终端作为终端解决方案，最终为行业用户提供完整的解决方案。
2．平台融合，发展综合通信，完成从单纯的通信产业向综合的通信信息产业的升级
(1)TD-LTE中所应用的各种信道编码(物理层)技术可以用到各种短波、超短波、卫星等各种通信领域，掌握了TD-LTE的技术平台原则上就可以将短波、超短波、卫星等通信技术融合在一起，结合现代的信息处理技术(如图像处理技术、信息安全技术、总线控制技术)，构成真正意义上的综合通信信息化产品，如态势感知管理系统、应急救灾管理系统等。
(2)4G是3G技术的进一步演化，是多种技术的融合，不仅包括转同的移动通信领域的技术，如蜂窝通信、卫星通信、集群通信等，还包括宽带无线接入领域的新技术及广播电视领域的技术。欧洲的4G研究组织WINNER项目组已经把4G系统认定为一个综合的通信系统。
3．TD-LTE技术与物联网技术的融合
(1)基于TD-LTE的物联网技术实际上是在TD-LTE网络的基础上，通过全球唯一的物品编码实现全球范围的产品跟踪与追随，提高设备管理的效率，降低物流成本，由于传统UHF频段的RFID技术在传输距离和抗干扰性方面都有着很大的局限性，而目尚在运行的GSM网络和3G网络都不能满足全面实现物联的通信容量要求，因此物联网技术对于高频谱利用率、高带宽的移动通信系统的需求就显得尤为迫切。［8］a)基于LTE+物联网技术的汽车电子基于TD-LTE的汽车电子将提供包括车载娱乐、远程维护以及改进型的导航应用，届时3D路况实时显示、远程故障检测、维护与技术支持，车载线上游戏与社区互动等功能都将呈现在汽车用户面前。另外，在高带宽、低延迟、高移动性(大于300千米/小时)支持的网络特点支持下，高清IPTV和视频监控业务也可以在高时速的汽车上实现。b)基于TD-LTE技术的物联网在煤炭行业中的应用通过在矿井内、井上调度台以及指挥中心等节点构成的通信架构上，进行基于LTE技术的无线网络搭建，对现有的矿点、站点、用户等煤炭物流固定节点加装称重计量传感器，实现载重数据向中心数据服务器传输的功能，并通过视频回传快速的将现场作业的图像信息反应到主站侧。另外在运载设备上，通过加装RFID感知设备，可以实现实时的车辆信息、牌照号码、车主等相关信息回传，有效的监控物流实况。在出现矿井事故或其他需要进行远程井下工程指挥的时候，通过移动式接入的LTE终端，井下工作人员可以及时的将现场图像传输到主控制台，并接收控制台的指挥信息，有序进展，避免误操作。
(2)中国移动在香港举办的GSMA大会上以“开放、合作、共赢”为主题展示了TD-LTE技术，并提供了TD-LTE的全方位互动体验。同时，中国移动已经和深圳市签约，建设“智慧城市”，在现有的技术试验网基础上实现道路和城区连续覆盖，并建立一些行业内部的专网应用示范。而针对专用网络和一些特殊场景，依托于TD-LTE的专网应用业务也已经走近了应用阶段。下面是应用业务的两个例子:a)便携式移动会议系统TD-LTE网络的固有特性造就了其承载大流量低延时业务的性能优势。而作为移动通信网络的新标准，TD-LTE使高速率的通信业务的便携应用成为可能。高清视频通话和会议在带宽需求上是传统的GSM/GPRS，甚至现在商用的3G网络所不能满足的，在单路高清视频达到1-2Mbps流量，多路视频会议超过5Mbps时，这些移动通信网络的业务承载能力就相形见绌了。在TD-LTE的支持下，便携式移动会议系统将在防汛防旱指挥、突发事件现场指挥，企业内部远程车载视频会议甚至家庭视频通话等应用中营造出巨大的开发空间。［6］b)智能机器人在复杂环境工作的机器人是未来在特殊行业特殊场景，解决特殊问题的高新技术解决方案。针对一些狭小地形、有毒有害、灾难现场，使用智能机器人进行现场的实时数据采集和跨地远程控制是人工智能、自动控制、移动通信等多领域发展的大势所趋。因此作为智能物联网的一个突破点，智能机器人在高速率、高可靠的移动通信网络支持下，将完美的展现出其复杂任务的处理能力，胜任在生产生活、救灾指挥、科研攻关等多场合的应用需求。［6］
4．LTE是通信技术的大融合，全世界都在走向LTE，产业链支撑力度强
在4G标准方面，由于WiMAX在协议方面、算法方面以及硬件平台方面与LTE标准都有着很高程度的相似性，因此在未来的5～10年内，同为时分TDD系列的WiMAX的802.16m标准将和TD-LTE最终融合成为一个统一的标准。另外目前逐渐成熟的WiMAX技术中包括商用经验和技术标准的很多方面都可以最终应用到LTE的演进过程中。针对现行的3G网络来说，早在2008年，作为异构程度最高的CDMA2000EV-DORev.A网络也已经由业界巨头摩托罗拉成功实现了和LTE的初步分组业务交换的切换。WC-DMA和TD-SCDMA向LTE演化的进程更加不言而喻，通过平滑的演进过程，新一代LTE网络将有望于5年内走入商用和专用领域。
五、总结和展望
本文首先介绍了LTE目前的产业现状。通过阐述国家针对宽带无线通信的重大专项的立项目标和走向，诠释了国家对于LTE技术在未来的五至十年中，应用于公网和专网前景的看好。在国家的大力扶持下，作为第四代移动通信的主要候选技术，TD-LTE已经吸引了国内外众多具有高实力研发团队的企业以及科研院所在资金、技术和人才方面的大力投入。这也为以LTE技术为核心，将宽带无线通信系统发散性地渗透到不限于电信行业的各个领域奠定了坚实的基础。文中分析了TD-LTE产业链中系统设备、终端设备的发展状况，说明了LTE未来发展中即将形成的更为庞大的产业链规模以及背景支持。
基于LTE的先进技术与专网的切合点在文中也有了简要的说明，针对专网通信的高带宽、低延时、特殊环境工作、融合网络等要求，列举了包括扁平化网络架构、中继模式传输、SON技术等。通过从系统网络架构、设备的工作模式以及自动化的软件实现等方面，结合专网部署中可能遇到的特殊覆盖环境、特殊工作环境、技术支持方式等问题进行分析。可以看出，LTE相比于以往的移动通信网络，对于专网的需求有着更加切合的技术点和工程点对应。
在未来的五至十年中，LTE将沿着异构网络产业融合、逐步升级产业结构的方向坚定不移的发展下去。无论是传统意义的移动通信领域，还是结合物联网构建的“智慧城市”、“智能家居”、“远程控制”等概念，都预示着对LTE技术的巨大需求。而目前通信业界对于网络标准大统一的美好期望，也促使行业内部为LTE一统4G时代而努力，相信在未来的某一天我们可以看到基于LTE技术的通信网络遍布生产、生活的每一个角落，真正意义的消除时间、空间带给人类通信需求的巨大屏障。
