開發(fā)可行運(yùn)營模式，實(shí)現(xiàn)LTE潛力

?為滿足移動(dòng)通信市場數(shù)據(jù)流量指數(shù)級(jí)增長的需要，運(yùn)營商們?cè)诒３窒鄬?duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)成本的同時(shí)正紛紛轉(zhuǎn)向LTE技術(shù)。由于LTE把無線網(wǎng)絡(luò)智能管理功能放在了eNodeB之內(nèi)，因而傳統(tǒng)監(jiān)測工具已不再具備接入和監(jiān)測能力。鑒于此，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，新一代移動(dòng)通信技術(shù)和性能監(jiān)測解決方案應(yīng)運(yùn)而生。
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圖1: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型 – 經(jīng)濟(jì)學(xué)模型
[左圖圖示內(nèi)容：]
Voice Dominant:語音業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Traffic: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量
Revenues & Traffic Decoupled: 收益與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量關(guān)系
Revenues: 收益
Data Dominant: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Time: 時(shí)間
[右圖圖示內(nèi)容：]
Traffic Volume: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量
Voice Dominant: 語音業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Netwokr Cost (existing Technologies): 網(wǎng)絡(luò)成本(現(xiàn)有技術(shù))
Revenue: 收益
Portability: 業(yè)務(wù)移植
Network Cost (LTE/SAE): 網(wǎng)絡(luò)成本(LTE/SAE)
Data Dominant: 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主導(dǎo)
Time: 時(shí)間
LTE效率挑戰(zhàn)
?? Apple iPhone和類似設(shè)備的推出，導(dǎo)致移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量大幅上升。在第一批HSPA覆蓋區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)流量迅速超過了語音業(yè)務(wù)，其中50%以上流量更是與iPhone的使用有關(guān)。在大多數(shù)國家，由于競爭激烈，許多運(yùn)營商被迫提供統(tǒng)一費(fèi)率的移動(dòng)寬帶套餐，其結(jié)果是盡管移動(dòng)寬帶需求猛增，但平均每個(gè)用戶收入(ARPU)卻保持不變。一部iPhone或與iPhone類似的智能手機(jī)生成的流量要相當(dāng)于30部語音/短信型手機(jī)所生成的流量，而一張筆記本電腦無線網(wǎng)卡生成的流量則相當(dāng)于450部語音/短信型手機(jī)所生成的流量。因此，預(yù)計(jì)到2013年，移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)將占到所有移動(dòng)業(yè)務(wù)份額的80%以上。為在這種新環(huán)境中生存，運(yùn)營商們必需降低或使運(yùn)營費(fèi)用(OPEX)保持不變，而同時(shí)又需要能夠提供大幅增長的業(yè)務(wù)流量。
?? 為了建立一種商業(yè)模式以減弱業(yè)務(wù)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)成本造成的影響，運(yùn)營商們正迅速把自己的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到高效的全I(xiàn)P分組交換矩陣網(wǎng)絡(luò)（all-IP packet switched matrices）。僅僅在一年前，4G還被作為四種技術(shù)之間的競爭而被提及，即LTE、WiMAX、UMA和UMB。隨著縈繞著4G技術(shù)煙霧逐漸被澄清，LTE技術(shù)最終勝出。UMA和WiMAX仍將作為小規(guī)模使用的技術(shù)存在，而UMB技術(shù)則在2008年11月被高通公司廢棄。隨著基于3GPP和CDMA的技術(shù)有了明確的演進(jìn)道路，LTE將提供一種通用的4G技術(shù)，并在可預(yù)見的未來，實(shí)現(xiàn)獨(dú)一的、相互兼容的全球通信構(gòu)架。
通信革命
?? LTE技術(shù)在保證與現(xiàn)有的3GPP和CDMA網(wǎng)絡(luò)共存的基礎(chǔ)上，在其無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)中都引入了重大變革。早期2.5G和3G的無線接入網(wǎng)現(xiàn)在都輔以演進(jìn)型UTRAN (E-UTRAN)。2.5G和3G基站將被新的eNodeB所取代，而核心網(wǎng)則會(huì)被EPC替代。這一網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與E-UTRAN和其它接入網(wǎng)被統(tǒng)稱為系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(SAE)。SAE提供了兩個(gè)新的功能單元：移動(dòng)管理實(shí)體(MME)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)信令控制；SAE網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)處理用戶平面。

強(qiáng)健的接入技術(shù)?
圖2: 把信號(hào)分擔(dān)到多個(gè)副載波中改善了信號(hào)的強(qiáng)健性

Transmitter: 發(fā)射機(jī)
Receiver: 接收機(jī)
Interference: 干擾
?? LTE采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，摒棄了傳統(tǒng)的ATM連接方式。eNodeB越過無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)，采取直接與MME和SGW相連的方式。正交頻分復(fù)用(OFDM)無線接入技術(shù)被用于下行鏈路而單載波頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)則被上行鏈路所采用。采用基于單載波的OFDM技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的信道條件。它可以根據(jù)與信道條件有關(guān)的反饋信息，實(shí)現(xiàn)用戶到副載波的自適應(yīng)指配。這樣，細(xì)化后信號(hào)中即使發(fā)生了很小比例的數(shù)據(jù)丟失，也不會(huì)對(duì)信號(hào)的接收和感知產(chǎn)生負(fù)面的影響。
多入多出(MIMO)天線技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于上行鏈路和下行鏈路。通過把多部發(fā)射機(jī)和接收機(jī)植入天線中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以使用一系列副載波實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳送，從而保證在發(fā)生干擾時(shí)不受到影響。LTE的調(diào)制解調(diào)方案 – 64-QAM/16-QAM/QPSK – 保證了在距離增大時(shí)信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在用戶發(fā)生干擾或收到其它過強(qiáng)信號(hào)影響時(shí)，基站會(huì)為受干擾的數(shù)據(jù)流分配更多的帶寬和功率。
全I(xiàn)P業(yè)務(wù)
?? LTE中的語音通信采用IP語音(VoIP)實(shí)現(xiàn)，要求時(shí)延低于150毫秒(ms)。LTE在無線側(cè)交互中只引入了不到10ms的非常低的時(shí)延，從而滿足了這一要求。在有線側(cè)，無論是VoIP被叫實(shí)體、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、還是IPTV服務(wù)器等等，用戶與設(shè)備間端到端的時(shí)延則要高出一個(gè)量級(jí)，為接近100 ms。
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圖3: 元層診斷圖

SON Diagnostics: SON診斷

節(jié)約運(yùn)營成本
?? 在運(yùn)營和效率方面，LTE把通信網(wǎng)絡(luò)提升到全新的水平。許多主要運(yùn)營工作都自動(dòng)完成，如配置、優(yōu)化和問題識(shí)別，以最大限度地降低相關(guān)的運(yùn)營成本。這些自主的自動(dòng)化流程由諸如MME及運(yùn)營和管理中心(OMC)這樣的二級(jí)實(shí)體設(shè)備控制，這些設(shè)備控制和管理著某個(gè)網(wǎng)段或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)發(fā)生的本地行為。傳統(tǒng)診斷功能將被移植到元層診斷方式中，其具體包括：
自行配置: 中央配置服務(wù)器把新網(wǎng)元自動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)起來。針對(duì)如DHCP和NETCONF等協(xié)議擴(kuò)展設(shè)置運(yùn)營和安全參數(shù)，只需要很少或根本不需要人員干預(yù)。
自行優(yōu)化: 對(duì)于重復(fù)的優(yōu)化任務(wù)，如相鄰小區(qū)列表優(yōu)化、覆蓋和容量優(yōu)化、移動(dòng)強(qiáng)健性優(yōu)化和移動(dòng)負(fù)載均衡優(yōu)化，均在eNodeB第一層使用強(qiáng)大的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的算法內(nèi)部完成。
? 自動(dòng)問題識(shí)別和自我修復(fù): 使用一套嚴(yán)格定義的規(guī)則和精心選定的KPI，在第一級(jí)響應(yīng)層就自動(dòng)識(shí)別和處理常見問題。當(dāng)整個(gè)小區(qū)發(fā)生中斷時(shí)，可以使用預(yù)先定義的相鄰小區(qū)管理策略予以補(bǔ)償。
高效運(yùn)營模式的需求
?? 盡管全球達(dá)成一致把LTE作為通向4G的唯一技術(shù)，并在網(wǎng)絡(luò)部署速度和經(jīng)費(fèi)方面帶來了巨大的機(jī)會(huì)，但可行的LTE運(yùn)營模式仍在探討過程中。特別是，LTE運(yùn)營和維護(hù)需求給監(jiān)測系統(tǒng)帶來了重大的挑戰(zhàn)。首先，它需要能監(jiān)測大量的數(shù)據(jù)。一臺(tái)用戶設(shè)備(UE)終端最多可以支持100 Mbits/s，一個(gè)小區(qū)最高可以支持330 Mbits/s的數(shù)據(jù)速率。這使得10 Gbits/s有線接口成為標(biāo)準(zhǔn)接口。
?? 第二，摒棄RNC意味著將不會(huì)再有RNC和eNodeB之間接口上的測量報(bào)告。而這個(gè)接口在以前一直用來捕獲重要數(shù)據(jù)，如每條連接消耗多少帶寬及重傳控制。一種替代方案是接入空中接口，但這種方式卻又需要配備復(fù)雜昂貴的頻譜分析工具。幸運(yùn)的是，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商們開始提供標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤或日志端口，來接入eNodeB內(nèi)部隱藏的流程。
? 監(jiān)測系統(tǒng)所面臨的第三個(gè)挑戰(zhàn)則源自LTE中去掉了電路交換，以實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。被保護(hù)的64kByte信道將消失。行為特點(diǎn)差異非常大的各種業(yè)務(wù)都將實(shí)時(shí)地使用同一個(gè)傳輸架構(gòu)傳送，因此部署高效的QoS監(jiān)測工具就先的尤為重要。多家運(yùn)營商正推動(dòng)實(shí)現(xiàn)LTE插件標(biāo)準(zhǔn)(VoLGA – 通用接入承載的LTE語音)，以期繼續(xù)在LTE接入網(wǎng)上使用電路交換業(yè)務(wù)，足以說明這一挑戰(zhàn)之大。即使這一標(biāo)準(zhǔn)成功實(shí)現(xiàn)，但由于LTE中絕大部分業(yè)務(wù)是XoIP，用戶平面診斷在4G中的重要程度較以前也要大大提高。

? 自動(dòng)自行優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)(SON)功能是4G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中的關(guān)鍵要素。它們提供了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和解析以及精心設(shè)計(jì)的調(diào)試、驗(yàn)證和認(rèn)證程序，以保證SON運(yùn)行。自動(dòng)化功能能夠大大減少長期內(nèi)要求的維護(hù)工作量。但它們只在90%的時(shí)間內(nèi)有效，因此必須監(jiān)測和診斷這些功能。此外，SON由基于一定規(guī)則的專家系統(tǒng)組成，在一致性測試和驗(yàn)收測試中必需驗(yàn)證這些系統(tǒng)。
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圖4: LTE RAN測試策略
數(shù)據(jù)采集時(shí)間?備注?RAN服務(wù)器?追蹤端口上的RAN代理?Uu探頭?Dol (%)
24/7/365???僅S1 CP和X2?X???10
24/7/365???基于Uu、X2和S1 CP關(guān)聯(lián)，進(jìn)行永久監(jiān)測和KPI計(jì)算?X?X??50
定期“按需調(diào)試”???按需監(jiān)測eNodeB子集，進(jìn)行調(diào)試及分析根本原因
??RAN服務(wù)器/OSS，根據(jù)點(diǎn)擊拓?fù)淠Ｐ?，配置按需檢索操作
??監(jiān)測Uu、X2 S1CP和S1UP?X?X??80
戰(zhàn)術(shù)性“基于場景的調(diào)試”???選擇少量的相關(guān)eNodeB
??使用Uu探頭，基于場景進(jìn)行監(jiān)測
??監(jiān)測Uu、X2 S1CP和S1UP????

開發(fā)監(jiān)測和測試戰(zhàn)略
?? 圖4說明了從各種無線接入網(wǎng)(RAN)診斷策略的分析中，我們可以看到數(shù)據(jù)采集成本和時(shí)間與洞察深度(DOI)之間的矛盾。安裝了無源探頭的RAN以無源方式嗅探控制平面，捕獲S1和X2接口上轉(zhuǎn)發(fā)的信令消息。這種方法成本低、方便，可以實(shí)現(xiàn)一年365天、一周7天、全天24小時(shí)運(yùn)行。但是，如其右欄所示，其提供的DOI約為最完善的方法的10%。
??? RAN代理方法在兩種工作模式下提供了額外的DOI。在低負(fù)荷模式下，數(shù)據(jù)跟蹤、日志和計(jì)數(shù)器從專有的eNodeB跟蹤端口中提取。一般情況下，還包括來自Uu接口的空中接口運(yùn)營相關(guān)的數(shù)據(jù)。然后這些信息由RAN代理處理，以KPI和計(jì)數(shù)器的形式通過S1回程發(fā)回中央監(jiān)測系統(tǒng)，然后可以與S1、CP和X2接口上的探頭系統(tǒng)所采集到的信息關(guān)聯(lián)起來。跟蹤接口上提供的其它數(shù)據(jù)可以把DOI提升到高達(dá)50%。這種方法提供的診斷能力取決于跟蹤端口的功能和性能，這在不同制造商之間差異非常大。
??? 在高負(fù)荷模式下，RAN代理提供完整的呼叫跟蹤和數(shù)據(jù)包解碼功能及KPI和計(jì)數(shù)器。需要回程傳送的數(shù)據(jù)量明顯要大于低負(fù)荷模式，正因如此，這種方法通常作為運(yùn)維活動(dòng)的一部分使用，而不是一周七天、全天24時(shí)使用。在測試、調(diào)試或優(yōu)化活動(dòng)期間，專家通常會(huì)親臨現(xiàn)場，運(yùn)行系統(tǒng)。在需要把數(shù)據(jù)與其它遠(yuǎn)程接口關(guān)聯(lián)起來時(shí)，專家會(huì)手動(dòng)把數(shù)據(jù)傳回中央監(jiān)測系統(tǒng)。也可以遠(yuǎn)程運(yùn)行高負(fù)荷模式RAN代理，在非高峰時(shí)間內(nèi)安排上傳大量的測試數(shù)據(jù)。高負(fù)荷RAN代理方法的DOI可以高達(dá)80%。
??? 在上述方法無法提供足夠信息來解決問題時(shí)，可以把Uu探頭連接到公共公用無線接口(CPRI)上。Uu探頭可以監(jiān)測Uu接口的物理層以及更高層，并可以把這些數(shù)據(jù)與其它接口的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。此外，CPRI接口上收集的空中接口信息完全獨(dú)立于eNodeB跟蹤端口上提供的空中接口信息，后者的是已經(jīng)基于eNodeB本身的基帶處理過的信息。
自上而下方法與自下而上方法
???? 調(diào)試LTE網(wǎng)絡(luò)的基本方法有兩種。自上而下方法是指先從應(yīng)用層開始，考察各種性能指標(biāo)，如語音質(zhì)量或頁面加載時(shí)間等。例如，如果語音質(zhì)量有問題，那么將識(shí)別和分類各個(gè)事務(wù)，并與每個(gè)事務(wù)中的消息關(guān)聯(lián)起來。調(diào)試工具根據(jù)IMSI/IMEI和其它指標(biāo)過濾事件，直接接入消息細(xì)節(jié)。

???? 自下而上方法則需要查看各個(gè)幀的問題，如丟包或幀偏移，然后向上查看它們屬于哪些連接。調(diào)試工具提供了每條協(xié)議消息的分布、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖形窗口和數(shù)字窗口，按時(shí)間以圖形方式顯示事件，直接進(jìn)入消息細(xì)節(jié)及從單個(gè)消息向上鉆取到整個(gè)呼叫流程。
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圖5: LTE診斷架構(gòu)
[圖示內(nèi)容：]
Tektronix LTE Test System: 泰克LTE測試系統(tǒng)
Tektronix Ethernet Probes: 泰克以太網(wǎng)探頭
Tektronix High Speed IP Probe: 泰克高速IP探頭
Tektronix Air Interface Probe: 泰克空中接口探頭
測試結(jié)構(gòu)布局
? 圖5概括了我們建議的被動(dòng)監(jiān)測測試系統(tǒng)的架構(gòu)。其基本理念是圍繞三個(gè)關(guān)鍵網(wǎng)元，即：eNodeB、MME和SGW，同時(shí)覆蓋其每個(gè)周邊接口。
?? 為確定eNodeB運(yùn)行情況，接入第一層和第二層無線接口信息至關(guān)重要。經(jīng)濟(jì)高效測試的關(guān)鍵是能夠?qū)崟r(shí)提供信息，并用清楚精確的圖形表示這些信息，允許用戶立即識(shí)別被觀察的行為是否滿足要求的性能指標(biāo)。供應(yīng)商們正日益采用CPRI代替天線和基站之間昂貴的RF連接。通過eNodeB上的CPRI端口，可以支持多級(jí)物理層分析，并使用戶全面了解RF層的運(yùn)行情況。
??? 通過CPRI端口采集關(guān)鍵空中接口的數(shù)據(jù)，可以使運(yùn)營商深入挖掘eUTRAN網(wǎng)絡(luò)的物理層。RF參數(shù)測量提供了物理層分析功能，如輸入功率和接收帶寬、時(shí)鐘和時(shí)間偏移及頻率偏移等。通過對(duì)輸入功率、接收帶寬和時(shí)鐘、時(shí)間和頻率偏移等參數(shù)的測量，就可以進(jìn)行對(duì)RF的連接分析。通過使用時(shí)域和頻域信令、資源模塊、OFDM符號(hào)和副載波使用情況等圖形化視圖，可以檢驗(yàn)資源使用的情況。當(dāng)然，還可以通過使用CQI、HARQ、BER和CRC測量分析功能，來考察信道質(zhì)量和錯(cuò)誤控制。
向上分析OSI模型的下一層--MAC層也只能通過CPRI方式進(jìn)行。調(diào)度器功能保證eNodeB根據(jù)可用的小區(qū)容量、無線條件和要求的服務(wù)質(zhì)量為用戶分配相應(yīng)的頻率和時(shí)間資源，這對(duì)保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行至關(guān)重要。監(jiān)測調(diào)度器性能可以提供關(guān)鍵信息，用以確定可以怎樣修改調(diào)度算法，從而提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)性能。
???? 將S1和X2接口控制和用戶平面關(guān)聯(lián)分析與CPRI鏈路上的Uu分析相結(jié)合，可以360°全方位了解eNodeB運(yùn)行情況。把用戶平面、信令信息和無線參數(shù)結(jié)合起來的圖表可以幫助優(yōu)化工程師確定RF問題對(duì)上層用戶平面數(shù)據(jù)承載性能的影響。同時(shí)，小區(qū)級(jí)圖表展示了小區(qū)性能如何隨負(fù)荷及流量模式的不同而變化。通過把多個(gè)接口上的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，就可以簡便地計(jì)算各網(wǎng)元相關(guān)時(shí)延。在LTE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳送時(shí)及在LTE和其它技術(shù)之間切換時(shí)，可以跟蹤用戶呼叫和會(huì)話。
???? 自動(dòng)把被監(jiān)測接口上的用戶呼叫和活動(dòng)關(guān)聯(lián)起來，可以概括了解每個(gè)呼叫及最重要的屬性。通過向下鉆取比特級(jí)細(xì)節(jié)的功能，用戶可以深入到希望考察指標(biāo)的一個(gè)呼叫子集上。對(duì)于特別關(guān)心的呼叫跟蹤幀，可以導(dǎo)出并進(jìn)一步執(zhí)行用戶平面質(zhì)量分析。
???? 通過應(yīng)用對(duì)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布掃描功能，用戶可以迅速識(shí)別到被監(jiān)測LTE接口上捕獲到的那些突發(fā)的或發(fā)生頻次奇高的某條消息或異常釋放原因等。通過觀察這一事件在不同時(shí)間的分布情況，用戶可以迅速查看到問題是與某個(gè)事件有關(guān)(如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重啟)，還是均勻分布在整個(gè)測試周期中。通過從各條消息和事件“向下鉆取”到相關(guān)呼叫跟蹤，使得用戶根據(jù)自己已有的經(jīng)驗(yàn)就能夠迅速地對(duì)影響到的時(shí)間進(jìn)行調(diào)查分析。
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圖6: 使用泰克K2Air LTE空中接口監(jiān)測儀獲得的LTE第一層/第二層相關(guān)無線信息
?? 如果想更具體地監(jiān)測LTE性能，可以使用KPI，通過映射多個(gè)參數(shù)和呼叫階段之間的復(fù)雜關(guān)系。KPI為了解不同參數(shù)之間的相互影響提供了關(guān)鍵洞察能力。借助LTE KPI，用戶可以確定多個(gè)業(yè)務(wù)方面的性能，如移動(dòng)性管理(附著失敗、切換、跟蹤和位置更新成功/失敗)、業(yè)務(wù)管理(無線承載分析、吞吐量分析)和無線性能(連接建立時(shí)間、重傳數(shù)、資源分配)。KPI標(biāo)識(shí)出存在問題的區(qū)域，然后有效地映射業(yè)務(wù)問題與網(wǎng)絡(luò)問題之間的關(guān)系。
前景展望
? 理論上，LTE擁有我們進(jìn)入4G所需的一切功能，但想讓它發(fā)揮效用，我們還有很長的路要走。轉(zhuǎn)向LTE類似于我們十年前從固話窄帶ISDN傳送轉(zhuǎn)向基于DSL的寬帶上網(wǎng)。運(yùn)營商面臨的主要變化是開發(fā)一種運(yùn)營模式，這種模式首次在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中提供了IP級(jí)效率。復(fù)雜的自動(dòng)功能、龐大的加密用戶平面業(yè)務(wù)、基于無數(shù)種業(yè)務(wù)組合的復(fù)雜QoS和QoE約定、復(fù)雜的OFDM/MIMO無線接口、等等，都必須予以處理。問題將會(huì)不斷被發(fā)現(xiàn)，而新的方法也必將被制定出來以解決這些問題。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)4G龐大的潛在優(yōu)勢。