大數(shù)據(jù)時代的挑戰(zhàn)和LTE部署策略

2009年12月全球數(shù)據(jù)流量首次超過語音流量以來，移動寬帶的數(shù)據(jù)流量以每年１００％的速度持續(xù)增長。以此推算，從２０１０年到２０２０年，移動寬帶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量增長將達(dá)到１０００倍。相對于平穩(wěn)發(fā)展的語音業(yè)務(wù)，豐富的移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在移動通信網(wǎng)絡(luò)中將占據(jù)絕對的統(tǒng)治地位。可以說在未來的10年，整個移動通信產(chǎn)業(yè)將全面進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代。這一不可阻擋的發(fā)展趨勢，將會帶給整個產(chǎn)業(yè)和社會的生產(chǎn)和生活方式深刻的變革。大數(shù)據(jù)時代帶給移動通信產(chǎn)業(yè)前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。從運營商到制造商，從網(wǎng)絡(luò)到終端，從內(nèi)容到服務(wù)，整個ICT行業(yè)都處在巨大的變革之中。對于運營商而言，這一挑戰(zhàn)尤為嚴(yán)峻。國際經(jīng)驗表明，新興運營商試圖利用這一機(jī)遇實現(xiàn)彎道超車，而領(lǐng)先運營商則利用這一時機(jī)擴(kuò)大優(yōu)勢。例如，韓國運營商LGU+和美國運營商Verizon Wireless就是二者的典范。尤其是LGU+由于采取了激進(jìn)的新技術(shù)（LTE）部署策略，其市場份額由2G/3G時代的7%，躍升到30%，一舉進(jìn)入主流運營商行列。本文通過對大數(shù)據(jù)時代，移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的分析，指出了智能立體網(wǎng)絡(luò)這一主要技術(shù)發(fā)展的趨勢。同時對國內(nèi)LTE建設(shè)的定位，規(guī)劃和部署提出了建議。

大數(shù)據(jù)時代移動接入網(wǎng)絡(luò)的基本特征

大數(shù)據(jù)時代移動接入網(wǎng)絡(luò)的基本特征主要包括數(shù)據(jù)流量指數(shù)增長，海量用戶實時在線，和大量的差異化的用戶和業(yè)務(wù)需求。

海量數(shù)據(jù)

移動數(shù)據(jù)流量增長是大數(shù)據(jù)時代最基本的特征之一。其動力除了越來越多的智能終端的面市和普及，還包括了用戶行為，移動和存儲方式的變革等帶來的流量增長。例如，云存儲不僅會改變用戶習(xí)慣，也會改變數(shù)據(jù)存儲和接入方式，從而成為數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長的新動力。

500億連接

愛立信于2010年提出了全球2020年500億連接的宏偉藍(lán)圖。未來的移動通信網(wǎng)絡(luò)，人與人的通信仍然是其最重要的組成部份。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)應(yīng)用的推廣，人與物和物與物的通信連接將在數(shù)量上占據(jù)主導(dǎo)地位。人們將實實在在生活在一個網(wǎng)絡(luò)社會之中。

大量差異化需求

由于無線連接的多樣化，帶來了對業(yè)務(wù)需求和服務(wù)等級的多樣化。除了對傳輸速率和傳輸時延要求的差異，為了滿足某些新業(yè)務(wù)（例如，車聯(lián)網(wǎng)），對網(wǎng)絡(luò)的可靠性也會提出更高的要求。

圖1 2020年移動通信展望

如何應(yīng)對千倍數(shù)字洪流

在大數(shù)據(jù)時代，移動接入網(wǎng)絡(luò)的首要挑戰(zhàn)是來自無線網(wǎng)絡(luò)容量的挑戰(zhàn)。面對千倍的容量增長，我們應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)對？這是一個全球性問題，需要政府管制機(jī)構(gòu)，產(chǎn)業(yè)界和運營商的共同努力來提供一個綜合的解決方案。這里簡單介紹三個主要手段。

充足的頻率儲備

“頻譜是王”對于移動運營商而言毫不為過。站在一個國家層面，充足的頻率資源，決定了網(wǎng)絡(luò)可以承載移動寬帶數(shù)據(jù)流量的基本面。在2G/3G時代，全球大多數(shù)國家的公用移動通信頻率在300MHZ-400MHz之間。而分析表明，未來網(wǎng)絡(luò)需要大約1500MHz的頻率資源。全球范圍內(nèi)，除了向更高的頻率拓展（例如，3.5GHz），將較低的優(yōu)質(zhì)頻譜分配給公用移動通信也是主要的方向（例如，用于傳統(tǒng)電視業(yè)務(wù)的700MHz）。此外，近來國際上出現(xiàn)的（在時間和地域上）受控頻譜分享的分配方式可以進(jìn)一步提升頻譜利用率。

對于運營商而言，頻率是戰(zhàn)略資源。如何獲得更多的廉價而優(yōu)質(zhì)的頻率資源尤為重要。此外，頻率資源的全球化協(xié)調(diào)程度（Harmonization），也直接導(dǎo)致了全球產(chǎn)業(yè)鏈在特定頻段的健壯程度和國際漫游能力，從而導(dǎo)致移動寬帶數(shù)據(jù)流量在不同頻段的不均衡分布。簡單地說，全球化協(xié)調(diào)頻段由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，自然會得到全球產(chǎn)業(yè)鏈（尤其是高端終端）的優(yōu)先支持，從而獲得數(shù)據(jù)流量的優(yōu)先增長。一個直接的結(jié)果就是，獲得該頻段的運營商將會獲得先天的競爭優(yōu)勢。

另外一個大的趨勢是FDD/TDD融合的趨勢，這里不僅是在終端和系統(tǒng)設(shè)備的融合，也是運營層面的頻譜融合和組網(wǎng)融合。由于頻率資源的稀缺，隨著TD-LTE產(chǎn)業(yè)鏈的逐步成熟，全球TDD頻譜的拍賣價格也日漸走高。國際運營商也不約而同的將原先視為“雞肋”的TDD頻譜作為戰(zhàn)略資源給以重視。從這個角度講，同時運營FDD和TDD制式的融合的網(wǎng)絡(luò)，將會成為未來國際運營商的主流。

新技術(shù)引入

新技術(shù)是獲得容量提升的重要手段之一。2G/3G/4G的發(fā)展歷程充分的體現(xiàn)了這一規(guī)律。在3G商用之前，無線通信技術(shù)的主要研究和產(chǎn)業(yè)化方向，集中在如何提升單鏈路的容量方面，也就是說在給定帶寬的條件下如何實現(xiàn)香農(nóng)公式提出的容量極限。而這一任務(wù)隨著3G商用宣告完成。之后，愛立信從2002年開始4G（LTE-A）研究，重點放在靈活有效的大帶寬接入技術(shù)方面（例如，OFDM/OFDMA），并于2007年開始實質(zhì)性的推進(jìn)3GPP　LTE和LTE-A的標(biāo)準(zhǔn)化工作，截至2011年LTE-A被國際電聯(lián)接納為4G標(biāo)準(zhǔn)而告一段落。至此，無線通信技術(shù)獲得了前所未有的從180KHz到100MHz的靈活的帶寬接入能力。 從而為大幅提高未來系統(tǒng)的容量奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。靈活的帶寬接入技術(shù)，也為未來差異化的業(yè)務(wù)需求提供了必要技術(shù)支撐。

在此基礎(chǔ)上，其他技術(shù)（例如，多天線技術(shù)和多點協(xié)同技術(shù)等）還可以使系統(tǒng)容量獲得一定的提升。但是，總體來看如同其名（即長期演進(jìn)），LTE/LTE-A技術(shù)應(yīng)當(dāng)在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定。

圖2　現(xiàn)代無線通信技術(shù)發(fā)展歷程

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)/智能立體網(wǎng)絡(luò)

在可用帶寬和接入能力接近/達(dá)到極限的情況下，獲得系統(tǒng)容量增長的主要突破口在于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新。特別需要強(qiáng)調(diào)的是智能立體網(wǎng)絡(luò)（異構(gòu)網(wǎng)，Heterogeneous Network）的研究和部署。在未來的智能立體網(wǎng)絡(luò)中，包括了宏蜂窩，微蜂窩，微微蜂窩，也包括了傳統(tǒng)宏站，拉遠(yuǎn)單元，AIR（Antenna Integrated Radio）和基帶池等多種站型。同時，智能立體網(wǎng)絡(luò)將會是傳統(tǒng)意義上的移動寬帶技術(shù)和WiFi技術(shù)，以及FDD/TDD雙工模式融合的網(wǎng)絡(luò)。

有一種觀點認(rèn)為小蜂窩（Small Cell）就是智能立體網(wǎng)絡(luò)，其實并不全面。智能立體網(wǎng)絡(luò)的核心是多種網(wǎng)元之間的協(xié)同和管理。如同智能立體網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，首先需要保證底層的宏蜂窩的完善和穩(wěn)定，在站點密度達(dá)到極限時，通過引入小蜂窩和有效的干擾管理算法，獲得容量顯著提升。因此，缺乏協(xié)同的小蜂窩只能作為網(wǎng)絡(luò)覆蓋的補(bǔ)盲輔助手段，而容量的提升必須依靠高級的干擾管理和協(xié)調(diào)機(jī)制。

多樣化，多頻段，多雙工方式的智能立體網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，部署，優(yōu)化，維護(hù)，運營將是極大的挑戰(zhàn)。因此，對網(wǎng)絡(luò)的智能化和簡單化提出了前所未有的要求。進(jìn)而對SON(自組網(wǎng))的要求十分突出。盡量減少網(wǎng)絡(luò)的人為干預(yù)，將成為運營商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的重要競爭領(lǐng)域。

在以上3個方面，由于鏈路級通信技術(shù)本身的發(fā)展已經(jīng)接近極限，提升的空間有限，除了傳統(tǒng)的增加建站密度，增加帶寬外，滿足100%年流量增長率的主要技術(shù)方向是網(wǎng)絡(luò)層面的技術(shù)革新，也就是智能立體網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。在這一領(lǐng)域，為了實現(xiàn)各網(wǎng)元之間的協(xié)同和管理，對回傳網(wǎng)絡(luò)的性能要求（尤其是非視距的微站的回傳方案），也提出新的挑戰(zhàn)。

最后，強(qiáng)調(diào)一下在智能立體網(wǎng)絡(luò)中多網(wǎng)協(xié)同的問題。應(yīng)當(dāng)說，對于任何一個非新興運營商而言，多網(wǎng)協(xié)同都是無法回避的問題。但是，應(yīng)當(dāng)清楚地看到多網(wǎng)協(xié)同應(yīng)當(dāng)是走向全LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營的過渡階段，而不是運營商追求的終極目標(biāo)。原因顯而易見，

運營和優(yōu)化一個網(wǎng)絡(luò)的成本和復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多網(wǎng)多頻協(xié)同。

用戶體驗隨著LTE網(wǎng)絡(luò)RCS（Rich Communication Service）能力的提升獲得大幅提升，同時由于網(wǎng)絡(luò)間互操作的減少,用戶感知會更加流暢。

通常終端成本會隨著模式的增加而增加。相反，終端支持模式的減少也會使其成本大幅下降。

2012年隨著VoLTE的商用，國際上3GPP2的運營商已經(jīng)向全LTE網(wǎng)絡(luò)邁出了堅實的步伐。

TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)分步部署策略

TD-LTE部署分步走

基于LTE-FDD的推廣和部署經(jīng)驗, 以及GSM和WCDMA的成功經(jīng)驗，我們建議TD-LTE的商業(yè)部署應(yīng)當(dāng)本著由簡入繁，穩(wěn)步推進(jìn)的分步部署原則。如圖３所示，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋層面，首先實現(xiàn)熱點和城區(qū)的連續(xù)覆蓋，技術(shù)上優(yōu)先采用成熟技術(shù)，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和良好的用戶體驗。在網(wǎng)絡(luò)部署中期，逐步擴(kuò)大覆蓋范圍和完善室內(nèi)深度覆蓋，并通過新功能和多載波引入提高系統(tǒng)容量。最后在中長期實現(xiàn)智能立體網(wǎng)絡(luò)，并適時啟動全LTE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和建設(shè)。

圖3 TD-LTE部署分步部署

頻譜利用的考量

如前所述，為了滿足大數(shù)據(jù)時代的挑戰(zhàn)，運營商將會采取FDD/TDD融合發(fā)展的策略來獲得足夠的頻率資源。對于運營商而言，在部署LTE系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮系統(tǒng)演進(jìn)和擴(kuò)容的能力， 例如美國某領(lǐng)先運營商在單一市場的平均LTE頻譜儲備達(dá)到88MHz。前瞻性的頻譜規(guī)劃和部署策略可以借力全球強(qiáng)壯產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢，獲得先天的競爭優(yōu)勢，反之則可能事倍功半。合理的網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃，可以為智能立體網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)打下良好基礎(chǔ)，降低網(wǎng)絡(luò)總體部署成本，并保證在未來的競爭中保持優(yōu)勢。反之，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和頻率戰(zhàn)略不當(dāng)可能引起不必要的重復(fù)建設(shè)和成本上升。最終導(dǎo)致用戶體驗下降和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的滯后，從而錯失發(fā)展良機(jī)。

在頻譜儲備上，由于TD-LTE的有效帶寬(例如，20MHz)僅相當(dāng)于LTE-FDD的一半（10MHz）。如表1所示，TD-LTE系統(tǒng)設(shè)備需要部署較寬的帶寬才可以獲得和FDD系統(tǒng)可比的性能。因此，TD-LTE的頻譜策略需要充分考慮未來市場競爭的需要，否則在網(wǎng)絡(luò)部署的中早期就會在市場競爭中處于劣勢，進(jìn)而不得不重新規(guī)劃，重復(fù)建設(shè)，增加網(wǎng)絡(luò)的部署成本和周期。

表1　運營商4G部署中期競爭態(tài)勢

同時，從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度，適時考慮在較低頻段部署TD-LTE，或者Refarm較低的FDD頻段也是較優(yōu)選擇。例如，目前在全球方興未艾的1800MHz的Refram進(jìn)程。截至2012年10月，全球有30%的LTE網(wǎng)絡(luò)部署在這一頻段。主要原因是這一頻率資源較為豐富（2x75MHz）,且產(chǎn)業(yè)鏈成熟，例如蘋果IPhone 5和IPad 3/4/Mini均支持這一頻段。在政府層面，歐盟已經(jīng)與2011年明確了將1800MHz Refarm給LTE FDD使用。

智能立體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

雖然TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的部署還處在早期的階段，但是良好的規(guī)劃，可以為網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，容量可持續(xù)增長提供堅實的基礎(chǔ)。在實際的操作層面，第一步是實現(xiàn)良好的宏蜂窩連續(xù)覆蓋，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，深入挖潛，獲得容量的最大化。統(tǒng)計結(jié)果表明，典型的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)通過優(yōu)化，其中值速率可以提高3倍，小區(qū)邊緣速率可以提高10倍。

第二步是考慮增加基站密度，通過增加宏站密度，獲得容量提升。這一手段簡單有效。但是當(dāng)密度增加到一定門限時，由于網(wǎng)絡(luò)由功率（覆蓋）受限變成干擾受限，網(wǎng)絡(luò)的總體容量不再會隨著站點密度的增加而增長。

突破這一瓶頸的主要手段也就是第三步，引入智能立體網(wǎng)絡(luò)。例如，小基站（微蜂窩/微微蜂窩）。如何有效部署小基站，如何有效實現(xiàn)宏蜂窩和微蜂窩的協(xié)同以及合理的協(xié)同等級和規(guī)模是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段的重要考慮因素。

在此基礎(chǔ)上，多系統(tǒng)多頻段的分流機(jī)制可以有效降低高負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)壓力。但是，網(wǎng)絡(luò)互操作的復(fù)雜度也隨之上升。用戶體驗則可能有所下降。因此，多網(wǎng)協(xié)同應(yīng)當(dāng)只是走向全LTE網(wǎng)絡(luò)的過度階段，盡量壓縮多網(wǎng)協(xié)同的時間窗口，有利于運營商的核心利益。

結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時代豐富的頻率儲備和擴(kuò)容能力對于LTE的部署至關(guān)重要。在頻譜資源以外，智能立體網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是解決系統(tǒng)容量中長期增長的主要手段。由于移動寬帶數(shù)據(jù)流量的在全球協(xié)同頻段優(yōu)先增長，運營商應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇國際協(xié)同頻段部署LTE系統(tǒng)（例如，2.6GHz的TD-LTE部署），從而分享強(qiáng)壯產(chǎn)業(yè)鏈帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益和商業(yè)紅利。LTE的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，應(yīng)當(dāng)注重系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，確保優(yōu)異的用戶體驗。網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)應(yīng)當(dāng)綜合考慮無線功能要求的逐步引入，為未來智能立體網(wǎng)絡(luò)的部署打好基礎(chǔ)，并為全LTE網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)做好準(zhǔn)備。

作者：陳明 博士 愛立信（中國）通信有限公司