趙思聰，黃磊，申濱，黃曉舸

（重慶郵電大學移動通信重點實驗室，重慶 400065）

綜述

LTE-U：未來移動通信系統(tǒng)發(fā)展的助推劑

趙思聰，黃磊，申濱，黃曉舸

（重慶郵電大學移動通信重點實驗室，重慶 400065）

LTE-U（LTE in unlicensed spectrum） 是 近 來 3GPP 標 準 化 組 織 討 論 研 究 的 用 于 緩 解 授 權(quán) 頻 段 通 信 壓 力的新興技術(shù)。 首先對 LTE-U 技術(shù)進行概述，隨后分析了 LTE-U 的工作頻譜和設計要求，同時總結(jié)了其可能的部署場景和運行模式，然后對部署 LTE-U 存在的難點和現(xiàn)有的應用解決方案的相關(guān)研究進行了詳細闡述，最后對未來的研究方向進行了展望。

LTE；LTE-U；非授權(quán)頻段；共存

1 引言

通信改變世界，移動通信重塑生活。經(jīng)過幾十年的不斷變革和演進，移動通信技術(shù)成為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分。目前已步入 4G 時代，4G 移動通信 系統(tǒng)能夠提供給 用 戶 最 大 100 Mbit／s 的 下 載 速 度 。但 從 當 下 的 發(fā) 展 趨 勢來看，未來將是萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時代。有行業(yè)報道稱：全球的移動數(shù)據(jù) 流量每年都在成倍增長，預計到 2020 年，這個 數(shù) 值 將 增 長 到 1 000 倍［1］。無 處 不 在 的 物 聯(lián) 網(wǎng) 和 蓬 勃 發(fā)展的移動互聯(lián)網(wǎng)將是下一代 5G 移動通信系統(tǒng)發(fā)展的主要驅(qū)動力。業(yè)界普遍認為，5G 移動通信系統(tǒng)將具有超高的頻譜利用率，在傳輸速率和資源利用率等方面較 4G 移動通信系統(tǒng)提高一個量級或更高，其無線覆蓋范圍、傳輸能力、系統(tǒng)安全和用戶體驗也將得到顯著提高。

要達到 5G 移動通信系統(tǒng)的性能要求，加大傳 輸帶寬、提 高 頻 譜 利 用 率 和 擴 大 通 信 系 統(tǒng) 容 量 是 關(guān) 鍵［2］。但 是 ，以 上幾點都是承載于無線頻譜之上的，運營商的通信系統(tǒng)皆部署于授權(quán)頻段，而授權(quán)頻段極其有限且成本高昂。德國電信 曾 花 費 77 億 美 元 才 競 拍 到 10 MHz 的 頻 寬 ，可 見 授 權(quán) 頻段的價值。然而，同樣非常適合無線傳輸?shù)姆鞘跈?quán)頻段可用帶寬非 常 大，而且 目 前 部署于 非 授 權(quán)頻段的 WLAN 等無線系統(tǒng)在某些場景和地理區(qū)域中對頻譜的使用率極低，使得大量的非授權(quán)頻段的頻譜處于閑置狀態(tài)。諸多公司在2013 年 12 月 3-6 日 舉 行 的 3GPP RAN#62 次 全 會 上 提 出了 “ 非 授 權(quán) 頻 譜 上 的 LTE”（LTE in unlicensed spectrum，LTE-U）的概念，旨在利用非授權(quán)頻段緩解移動通信壓力。這一概念的提出，從提高頻譜效率的角度拉近了人們與 5G移動通信時代的距離。本文對 LTE-U 的背景、技術(shù)要求和研究現(xiàn)狀進行詳細闡述，并對未來的研究方向進行展望。

2 LTE-U 概述

為了應對移動設備和多樣化移動應用的出現(xiàn)而引發(fā)的數(shù)據(jù)流量壓力，工業(yè)界和學術(shù)界都在集思廣益，努力探索研究提升通信系統(tǒng)容量的解決方案，以保證給用戶提供高水平的通信服務。在授權(quán)頻段挖掘更多的容量是運營商的首選，因為排他使用的授權(quán)頻段能夠提供更加安全、可靠的高質(zhì)量通信，但授權(quán)頻段資源匱乏。LTE 系統(tǒng)中大部分先進技術(shù)就是為了提高授權(quán)頻段的頻譜效率而生的，但在部署非常密集的地區(qū)，由于頻譜資源有限，再多的先進技術(shù)同時發(fā)力依然顯得捉襟見肘，這就促使運營商不得不考慮開發(fā)利用那些使用率很低但資源非常豐富的非授權(quán)頻 段 。由 此 ，如 圖 1 所 示 的 蜂 窩 ／Wi-Fi交 互 工 作 （cellular／Wi-Fi interworking）［3］的 部 署 形 式 應 運 而 生 ，它 能 讓 運 營 商在 授 權(quán) 頻 段 部 署 LTE 的 同 時 ，在 非 授 權(quán) 頻 段 部 署 Wi-Fi來提高系統(tǒng)容量，緩解授權(quán)頻段的通信壓力。但這種部署形式 下 的 LTE 和 Wi-Fi是 兩 個 獨 立 的 系 統(tǒng) ，需 采 用 異 步 無 線接入技術(shù)（RAT）實現(xiàn)通信管理，另外還必須修改空口協(xié)議，這樣不僅使得資源分配變得異常復雜，而且用戶的業(yè)務連續(xù)性也難以保證。

圖1 蜂 窩／Wi-Fi交 互 工 作 架 構(gòu)

圖2 LTE-U 相 對 Wi-Fi在 覆 蓋 范 圍 上 的 提 升

圖3 LTE-U 相 對 Wi-Fi在 系 統(tǒng) 容 量 上 的 提 升

鑒于蜂窩／Wi-Fi交互工作方式存在的問題，3GPP 在 LTE R13 中 引 入 了 LTE-U 技 術(shù)［4，5］。LTE-U 是 指 在 非 授 權(quán) 頻 段 部署 LTE系 統(tǒng) ，以 提 供 授 權(quán) 頻 段 的 協(xié) 助 接 入 （licensed assisted access，LAA）［6］。 LTE-U 可 以 利 用 現(xiàn) 有 的 載 波 聚 合 （carrier aggregation，CA）技術(shù) ，將授權(quán)載波 和 非 授 權(quán) 載 波 聚 合 ，允 許 用戶在同一 LTE 網(wǎng)絡架構(gòu)下同時通過授權(quán)和非授權(quán)頻段接入系統(tǒng)。相比蜂窩／Wi-Fi交互工作的方式，LTE／LTE-U 的部署形式能夠提供更大的覆蓋面積和更可觀的系統(tǒng)容量。同時基于同一演進的分組核心網(wǎng)，用戶可以在授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段無縫切換。對于運營商來說，LTE-U 能實現(xiàn)同步的網(wǎng)絡管理，使用相同的認證方案，獲得更高的資源利用率和更低的運營成本。 對于無線用戶來說，LTE-U 可以提供更好的使用體驗，亦即更高的數(shù)據(jù)率、業(yè)務連續(xù)性、無處不在的移動性及更高的可靠性。圖2和圖3分別展示了相同發(fā)射功率和傳輸配置 下 LTE-U 相 對 Wi-Fi在 覆 蓋 面 積 和 系 統(tǒng) 容 量 上 的 提 升［7］。

LTE-U 有 很 多 優(yōu) 勢 ，但 要 實 現(xiàn) 該 技 術(shù) 也 存 在 諸 多 難點。首先就是如何解決它與已部署于非授權(quán)頻段上的無線系 統(tǒng) 的 共 存 問 題 ，如 Wi-Fi系 統(tǒng) 。當 前 的 Wi-Fi系 統(tǒng) 遵 循 帶有 回 退 機 制 的 、基 于 競 爭 的 媒 體 接 入 控 制 （MAC）協(xié) 議［8］。如果不加限制，LTE-U 可能會一直占用信道，使得 Wi-Fi節(jié)點感知到信道忙而長期處于退避狀態(tài)。 此外，本身不具備信道 感 知 能 力 的 LTE-U 系 統(tǒng) 在 每 次 接 入 信 道 時 會 強 行 把Wi-Fi擠 掉 ，使 得 Wi-Fi系 統(tǒng) 不 能 正 常 工 作 。 因 此 ，為 了 能讓 LTE-U 和 Wi-Fi在 非 授 權(quán) 頻 段 上 和 諧 共 存 ，需 要 設 計 公平高效的資源管理和系統(tǒng)接入方案。其次，也必須考慮LTE-U 背 景 下 的 流 量 轉(zhuǎn) 移 問 題 。 不 同 于 傳 統(tǒng) 的 異 構(gòu) 網(wǎng) ，LTE-U 需 要 保 護 Wi-Fi的 性 能 ，在 非 授 權(quán) 頻 段 運 行 時 要根 據(jù) Wi-Fi的 運 行 情 況 自 動 調(diào) 整 業(yè) 務 分 流 ，這 樣 會 使 得性 能很不 穩(wěn) 定 ，難以保證服務質(zhì) 量 （QoS）。因 此 ，LTE 系統(tǒng)必須在保證服務質(zhì)量和非授權(quán)頻段的分流大小之間進行權(quán)衡。最后，不同于授權(quán)頻段存在歸屬權(quán)的特點，同一個非授權(quán)頻段上也可能會有多個運營商接入使用，多運營商之間如何高效共享非授權(quán)頻譜也是一個不可忽視的難題。

3 LTE-U 工作頻譜

從醫(yī)療監(jiān)護到對講機再到無線局域網(wǎng)，非授權(quán)頻段給生產(chǎn)生活帶來了很大的便捷。美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）開 放 了 很 多 頻 段 作 為 非 授 權(quán) 頻 段 使 用 ， 如 2.4 GHz 的 工業(yè) 、 科 學 和 醫(yī) 療 （ISM） 頻 段 ，5 GHz 的 信 息 基 礎 設 施（U-NII）頻 段 以 及 最 新 提 出 的 60 GHz 的 毫 米 波 （mmWave）頻段等。

目 前 ，2.4 GHz 頻 段 被 ZigBee、藍 牙 和 Wi-Fi等 多 個 無線系統(tǒng)共享使用，在部署相對密集的區(qū)域顯得擁堵不堪，而 5 GHz 頻 段 僅 有 Wi-Fi（IEEE 802.11a）在 使 用 ，可 用 資源 非 常 豐 富 。此 外 ，5 GHz 超 高 頻 波 具 有 高 傳 輸 損 耗 的 特點，只適用于小范圍的數(shù)據(jù)傳輸。近來，利用高頻載波獲取更高的系統(tǒng)容量引起越來越多的無線運營商和技術(shù)廠商的關(guān)注。28～60 GHz毫米波頻段目前作為非授權(quán)頻段用于本 地 多 點 分 布 服 務 。但 是 ，28 GHz 頻 段 實 際 上 并 沒 有 被 充分利用，F(xiàn)CC 正考慮將這一頻段劃分為授權(quán)頻段，以便更高 效 地 利 用 它 們 。60 GHz 頻 段 附 近 有 更 多 的 資 源 ，可 以 提供 高 帶 寬 的 多 媒 體 服 務［9］。然 而 ，在 60 GHz 附 近 進 行 通 信需要非常復雜的物理層和空口設計?？傮w來說，為了使部署 變 得 簡單 易 實 現(xiàn) ，3GPP 更 多 的 是考 慮 將 LTE-U 部 署 在5 GHz左 右 的 非 授 權(quán) 頻 段 。圖 4 給 出 了 主 要 國 家 和 地 區(qū) 在5 GHz 附 近 的 頻 譜 分 布 情 況［10］。

在 美 國 ， 頻 率 段 5.15～5.35 GHz （UNII-1，UNII-2A）、5.47～5.725 GHz（UNII-2C）和 5.725～5.85 GHz（UNII-3）是作為非授權(quán)頻段開放使用的。此外，F(xiàn)CC 正在考慮新增一些頻段（如 UNII-2B 和 UNII-4）作為非授權(quán)頻段使用。在歐洲 ，5.15～5.35 GHz 和 5.47～5.725 GHz 僅 開 放 給 無 線 接 入系統(tǒng)（WAS）使用。目前，歐盟委員會提議開放現(xiàn)在用于固定無 線 接 入 （FWA）和 智 能 交 通 系 統(tǒng) （ITS）的 5.725～5.85 GHz頻 段 作 為 非 授 權(quán) 頻 段 。在 中 國 ，5.15～5.35 GHz 非 授 權(quán) 頻 段僅 用 于 室 內(nèi) 無 線 使 用 ，5.725～5.85 GHz 非 授 權(quán) 頻 段 可 同 時用 于 室 內(nèi) 和 室 外 的 使 用［10］。 5 GHz 非 授 權(quán) 頻 段 的 存 在 ，為LTE-U 的部署提供了良好的頻譜載體。

4 LTE-U 設計要求

將 LTE 部署在非授權(quán)頻段的效益雖然非?？捎^，但為了讓其在目標頻段合理部署，一些基本的設計和地區(qū)管理要求必須滿足。這些要求包括傳輸功率控制、雷達保護、信道 接 入 、載 波 聚 合 等［10］。

圖4 主 要 國 家 和地區(qū)在 5 GHz附近的頻譜分布情況

（1）傳輸功率

在非授權(quán)頻段上的管理要求中位列前茅的是傳輸功率管理的問題。這一要求是為了降低非授權(quán)頻段用戶之間的 干 擾 。例 如 ，室 內(nèi) 無 線 接 入 點 （AP）如 需 在 5.15～5.35 GHz頻 段 發(fā) 射 信 號 ，美 國 要 求 其 發(fā) 射 功 率 控 制 在 24 dBm 以內(nèi)，歐 洲 要 求 其 功 率 控 制 在 23 dBm 以 內(nèi) 。而 作 為 室 外 使 用 的運 行 于 5.47～5.85 GHz 頻 段 的 微 小 區(qū) 接 入 點 ，允 許 最 大 發(fā)射 功 率 為 30 dBm。另 外 5.25～5.35 GHz 和 5.47～5.725 GHz頻 段 有 強 制 的 傳 輸 功 率 控 制 （transmit power control，TPC）協(xié)議。在保證通信質(zhì)量的前提下，TPC 協(xié) 議要求盡量降低傳輸功率，以降低對其他用戶的干擾，同時延長電池的使用時長。

（2）雷達保護

氣 象 雷 達 系 統(tǒng) 運 行 于 5 GHz 非 授 權(quán) 頻 段 ，如 果 不 加 以控 制 ，其 他 運 行 于 5 GHz非授權(quán)頻段的設 備 將 會 對 雷 達 系統(tǒng)造成不可忽視的影響。為了更好地保護雷達系統(tǒng)而提出的 應 用 于 5.25～5.35 GHz 和 5.47～5.725 GHz 頻 段 的 干 擾避 免 機 制 稱 為 動 態(tài) 頻 率 選 擇 （dynamic frequency selection，DFS）。在 DFS 下，LTE-U 設備需要對目標頻段進行周期性的檢測，判斷是否有雷達信號存在，如果檢測到有雷達信號，必須跳轉(zhuǎn)到?jīng)]有雷達信號的信道。不同地區(qū)的 DFS 要求是不同的，如在歐洲和美國，用戶允許在雷達頻段發(fā)射信號，但接入的設備必須有檢測雷達信號并及時避讓的能力 ； 但 在 加 拿 大 ，用 戶 是 被 禁 止 接 入 5.6～5.65 GHz 天 氣 雷達頻段的。

（3）信道接入

借助于高效的物理層編碼和高度集中的 MAC層資源調(diào)度，LTE 通常有很強的抗干擾能力。目前有很多研究結(jié)果［11-13］顯 示 ，如 果 LTE-U 不 考 慮 使 用 新 的 信 道 接 入 機 制 而沿用當下的 MAC 層協(xié) 議，會對采用基于競爭的 MAC 層協(xié)議的 Wi-Fi系統(tǒng)造成巨大的影響。為了和諧共存，LTE-U 設備在接入信道之前也需要對信道進行檢測，這也就意味著只有當 LTE-U 設備檢測到信道空閑時才能進行數(shù)據(jù)傳輸。實際上，在歐洲和日本等地區(qū)和國家，在非授權(quán)頻段是有強 制 配 置 LBT（listen-before-talk）要 求 的 。LBT 機 制 使 得 設備 在 傳 輸 數(shù) 據(jù) 前 先 進 行 空 閑 信 道 評 估 （clear channel assessment，CCA），若在 CCA 的過程中檢測到的能量值 小于預設閾值，那么可視信道為空閑，即可占用信道并傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成后要留出一段空閑時隙。歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）制定的基于時間框架的 LBT 機制及相關(guān)參數(shù) 如 圖 5 所 示［10］。盡 管 在 北 美 等 沒 有 強 制 要 求 LBT 的 地 區(qū)可 以 應 用 3GPP R10～R12 的 相 關(guān) 技 術(shù) 實 現(xiàn) LTE-U 的 部 署 ，但 在 3GPP R13 中 ，LTE-U 的 部 署 方 案 是 要 求 全 球 適 用 的 ，也要考慮 LBT 管理的問題。

（4）載波聚合

由于非授權(quán)頻段的信道環(huán)境不穩(wěn)定，在非授權(quán)頻段上傳 輸 數(shù) 據(jù) 很 難 對 QoS 進 行 保 障 ，為了確保 QoS 并 提 供 更 好的用戶體驗，在非授權(quán)頻段上傳輸數(shù)據(jù)的同時需要在授權(quán)頻段傳輸關(guān)鍵信息。如圖 6 所示，通過 CA 技術(shù)，可以將不同頻段的子載波聚合成一個更寬的虛擬載波以提供更高的數(shù) 據(jù)率。在 CA 技術(shù) 下 ，無 線 資源控制 信 號等控制 層 的信號將由授權(quán)載波傳送，這樣 就能保 證 QoS，而用戶層 數(shù)據(jù)可以選擇在授權(quán)或非授權(quán)頻段傳輸。在這種方式下，控制信息能夠通過授權(quán)頻段穩(wěn)定安全地傳送，而非授權(quán)頻段又能大幅提高傳輸數(shù)據(jù)量。

圖5 ETSI制定的 LBT 機 制 及 其 參數(shù)

圖6 LTE-U 下的載波聚合

5 部署場景和運行模式

5.1 部署場景

在非授權(quán)頻段有傳輸功率的限制，使得 LTE-U 技術(shù)更適合應用于小區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸 。因此，LTE-U 將最有可能出現(xiàn)在運營商已經(jīng)部署運行的小蜂窩中。借助于 CA技術(shù)，聚合的授權(quán)和非授權(quán)載波能提供給小小區(qū)用戶更高的數(shù)據(jù)率和無縫切換的寬帶多媒體服務。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，稱為主載波（PCC）的授權(quán)載波和多個稱為輔載波（SCC）的非授權(quán)載波同時接入?？梢愿鶕?jù)用戶的流量需求和小區(qū)蜂窩負載情況適當?shù)卦鰷p子載波個數(shù)。目前 3GPP 討論的關(guān)于 LTE-U 的 4 種 部 署 場 景［5］如 圖 7 所 示 ，具 體 介 紹 如 下 。

場景 1：在宏蜂窩授權(quán)載波（F1）和小蜂窩非授權(quán)載波（F3）之間進行載波聚合。

場景 2：沒有宏蜂窩的覆蓋，在小蜂窩授權(quán)載波（F2）和小蜂窩非授權(quán)載波（F3）之間進行載波聚合。

場景 3：宏蜂窩和小蜂窩運行在同一授權(quán)頻段，在小蜂窩授權(quán)載波（F1）和小蜂窩非授權(quán)載波（F3）之間進行載波聚合。

場景 4：宏蜂窩和小蜂窩運行在不同的授權(quán)頻段，在小蜂窩授權(quán)載波（F2）和小蜂窩非授權(quán)載波（F3）之間進行載波聚合。如果宏蜂窩和小蜂窩之間存在理想回程，那么載波聚合可以用于授權(quán)載波（F1）、授權(quán)載波（F2）和非授權(quán)載波（F3）三者之間。如果雙連接可用，那么可以在宏蜂窩和小蜂窩之間使用雙連接。

上述4種場景均需在基站與基站之間建立回程網(wǎng)絡。將來小蜂窩的部署會十分密集，且其吞吐量會達到 GB級。在此背景下，下一代無線回程網(wǎng)絡需要建立在高能效和 高 吞 吐 量 的 基 礎 上［14］。

5.2 運行模式

根據(jù) LTE-U 的特點和運行環(huán)境，LTE-U 將有如圖 8 所示 的 3 種 運 行 模 式 ： 補 充 下 行 （supplemental downlink，SDL）、時分雙工（TDD）和獨立（standalone，SA）模式。

圖7 LTE-U 的 4 種部署場景

（1）SDL 模式

SDL 模 式是 3GPP 重 點 討論研究 的 模 式，指 LTE 僅 利用非授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)下行傳輸，是一種相對簡單的模式。通常情況下，下行的數(shù)據(jù)負擔比上行要大得多。這一模式可以用于用戶需要下載較大文件、聽高品質(zhì)音樂、觀看在線視頻等需要大量數(shù)據(jù)流量的情況。

（2）TDD 模式

TDD 模 式 是 3GPP 討 論 研 究 的 關(guān) 于 LTE-U 的 候 選 模式，非授權(quán)頻段同時用作上行和下行的數(shù)據(jù)傳輸，與授權(quán)頻段的 TDD 模式一樣。TDD 模 式可以提供更加靈活 的上下行資源分配，當然這也會增加系統(tǒng)的復雜度，例如，UE端也需要具有 LBT 和雷達 信 號檢測的 能 力 。TDD 模 式適用于有大量數(shù)據(jù)上傳或者實時視訊的情況。

（3）獨立模式

圖8 LTE-U 的 3 種運行模式

除 了 3GPP 討論研 究的 SDL 和 TDD 模 式 外 ，還 有一種 被 部 分 運 營 商 提 議 的 獨 立 LTE-U 模 式 ， 這 一 模 式 指LTE-U 完全獨立于授權(quán)頻段，包括控 制信息等全部 信 息都在非授權(quán)頻段傳輸。這一模式可以為那些目前沒有授權(quán)頻段使用權(quán)的運營商在非授權(quán)頻段部署 LTE 系統(tǒng)提供可能，但實現(xiàn)更為復雜且 QoS 為一大難題。

圖9 LTE 與 Wi-Fi 物 理 層 資 源 配 置 對 比 ［11］

6 技術(shù)挑戰(zhàn)和研究方向

雖然 LTE-U 是為解決暴增的數(shù)據(jù)流量而 生的，但 要實現(xiàn) LTE-U，除 了 前文 提 及 的 設 計 要 求 外 ，還 存 在 一 些 技 術(shù)難點。本節(jié)主要討論 LTE-U 關(guān)鍵的技術(shù)難點，分析一 些研究方向并闡述目前在該方向上的研究現(xiàn)狀。

6.1 LTE-U 的實現(xiàn)難點

讓 LTE-U 系統(tǒng) 在 非 授 權(quán) 頻 段 上 與其 他 系 統(tǒng) 公 平 高 效地共享頻率資源是首要難點。多個無線接入技術(shù)在同一頻段運行時，缺少協(xié)調(diào)和干擾管理就難以保證高效共存。當前，不同無線接入技術(shù)的資源管理都是相互獨立的，其物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層的干擾管理機制大相徑庭，這使得在多個無線接入技術(shù)之間進行協(xié)調(diào)變得十分困難。LTE 采用的是一種集中式的 MAC 協(xié)議，以資源塊的 方 式 進 行 資 源 調(diào) 度 分 配 ；而 Wi-Fi的 MAC 層 協(xié) 議 則 完全不同，采用的是分布式協(xié)調(diào)（DCF）機制。分布式協(xié)調(diào)也指 基 于 競 爭 的 載 波 監(jiān) 聽 多 址 接 入 ／碰 撞 避 免 （CSMA／CA）技術(shù) 。Wi-Fi節(jié) 點 傳 輸 數(shù) 據(jù) 前 ，先 感 知 信 道 ，如 果 干 擾 水 平 超出閾值，節(jié)點將會回退一個隨機長度的時間，在這種方式下 ，降 低 碰 撞 概 率 是 以 犧 牲 信 道 使 用 效 率 為 代 價 的［15］。除了 MAC 層協(xié)議以外，兩個系統(tǒng)在物理層上也 有很大差別 ，如 圖 9 所 示 ，LTE 在 物 理 層 采 用 正 交 頻 分 復 用 多 址 接 入（OFDMA）技術(shù)，系統(tǒng)帶寬在沒有 CA 技術(shù) 的情況下通 常是1.4～20 MHz，采 用 CA 技 術(shù) 最 大 可 達 100 MHz。其 整 個 帶寬被分為一系列的物理資源塊（PRB），每個資源塊由 12 個OFDMA 子載波組成。 同一子幀中的不同資源塊可以調(diào)度給 不 同 用 戶 ，以 實 現(xiàn) 多 用 戶 分 集 增 益 。Wi-Fi系 統(tǒng) 在 物 理層采用正交頻分復用（OFDM）技術(shù)，但每次占用信道時，Wi-Fi系 統(tǒng) 只 允 許 一 個 用 戶 傳 遞 數(shù) 據(jù) ，信 道 帶 寬 通 常 是 20MHz。兩個 系統(tǒng)之間的 OFDM 符號也是 不 同 的，LTE 中 的OFDM 符 號 時 長 是 71.4 μs，而 Wi-Fi中 的 OFDM 符 號 時 長僅 為 4 μs。由 上 述 分 析 可 知 ，要 讓 LTE 和 Wi-Fi在 非 授 權(quán)頻段和諧共存，無線資源的共享和管理及干擾控制的問題亟待解決。

第二個難點在于單個運營商如何將授權(quán)頻段上的流量合理地轉(zhuǎn)移到非授權(quán)頻段。LTE-U 的流量轉(zhuǎn)移問題受到非授權(quán)頻段管理的牽制，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性。以往的LTE 場 景 主要 關(guān) 注 于同 一 系 統(tǒng) 內(nèi) 的 資 源 分 配 問 題 。但LTE-U 背景下 的流量轉(zhuǎn)移問題需要考慮其他無線系 統(tǒng)，就算 是 LTE-U 用戶需要轉(zhuǎn) 移 流 量 ，LTE-U 的 基 站 也 不 能 保 證在特定的時間及時搶占到非授權(quán)頻譜上的資源，所以非授權(quán) 頻 段的 LTE-U 的系 統(tǒng) 性 能很大 程 度 上 取決 于 其 他 無 線系統(tǒng)的活動情況。這是一個兩難的問題，希望 LTE-U 小 蜂窩能夠分擔更多的流量來緩解宏蜂窩的壓力，但其在非授權(quán)頻段上的性能又不穩(wěn)定，難以保證 QoS。 因此，在不同頻段 上 流 量 的 合 理 分 配 也 是 一 個 技 術(shù) 難 點［16］。 如 圖 10 所 示的不同運營商之間如何在非授權(quán)頻段有效公平地共享資源，實現(xiàn)多個 LTE-U 之間合理高效的共存也是一個值得 關(guān)注的問題。不同的運營商要有相同的接入非授權(quán)頻段的機會，如果缺少資源的協(xié)調(diào)管理，兩個運營商選擇重疊的頻段進行數(shù)據(jù)傳輸毫無疑問會產(chǎn)生巨大的干擾。因此不同運營商之間的共存研究也不可忽視。

圖10 多 運 營商 LTE-U 共 存 場 景

6.2 LTE-U 研究方向及研究現(xiàn)狀

根據(jù)上文提到的 LTE-U 存在的問題或?qū)崿F(xiàn) 上的難點，本 節(jié) 先分別從 干 擾避免和 干 擾 協(xié) 調(diào) 的 角度 探 討 LTE-U 和Wi-Fi之間的共存問題，然后從 LTE-U 的 角 度 討 論 運 營 商之間的頻譜共享和流量轉(zhuǎn)移問題。

6.2.1 動態(tài)信道選擇

非授權(quán)頻段的帶寬很大，在非授權(quán)頻段找到一個干擾很小的信道是極有可能的，讓小區(qū)基站選擇最空閑的信道，那么不僅小區(qū)之間，LTE-U 和 Wi-Fi設備之間的干擾都可以有效避免。高通公司提出一種簡單有效的信道選擇策略［17］，由 于 非 授 權(quán) 頻 段 的 干 擾 水 平 受 到 獨 立 運 行 的 Wi-Fi系統(tǒng)的影響，要求干擾測量持續(xù)周期地進行。如果所在信道的干擾超過 門限值，LTE-U 的傳輸將跳轉(zhuǎn)到 其 他干擾在允許值范圍內(nèi)的信道。再者，干擾測量應該在網(wǎng)絡端和用戶端同時進行，通過用戶終端的信息反饋，如利用信道指標指示符（CQI）可以大幅提高測量的精準性并避免隱藏終端問題。另外，參考文獻［18］討論了如何利用 LTE 和 Wi-Fi現(xiàn)有的內(nèi)嵌技術(shù)來實現(xiàn)動態(tài)的信道選擇，研究發(fā)現(xiàn)，LTE中 的 自 適 應 帶 寬 配 置 和 Wi-Fi系 統(tǒng) 的 最 小 阻 塞 信 道 搜 索（least congested channel search，LCCS）都 可 以 用 于 信 道 選擇。LTE 可以自行配置非授權(quán)的帶寬大小，找出合適的傳輸頻段，在頻譜資源豐富的情況下避開干擾信道。目前部分 Wi-Fi的 接 入 點 （AP）已 經(jīng) 部 署 了 如 LCCS 的 信 道 選 擇技術(shù)，AP 監(jiān)視器監(jiān)控自己占用的信道的同時還檢測其他AP 站點發(fā)送的信息，必要時跳轉(zhuǎn)到最小擁塞的信道。

通 常 干 擾 檢 測 有 兩 種［17］，第 一 種 是 忽 視 干 擾 類 型 和 數(shù)量的非先驗能量檢測，另外一種是收集干擾源大量信息的 、有 更 高 感 知 靈 敏 度 的 先 驗 檢 測 。 例 如 ，Wi-Fi的 前 導 信號一般用于接收端和發(fā)送端同步，利用前導信號，LTE 小區(qū) 基 站 可 以 估 算 出 覆 蓋 范 圍 內(nèi) 有 多 少 個 Wi-Fi 系 統(tǒng) 的AP。同樣，LTE 的控制信號也可以用于檢測靈敏度的提高。

6.2.2 與 Wi-Fi系統(tǒng)同信道共存

盡管非授權(quán)頻段可用資源非常豐富，但在數(shù)據(jù)暴增的將 來 ，LTE-U 和 Wi-Fi作 為 兩 種 競 爭 主 體 在 同 信 道 上 共 存的情況將不可避免。實際上，自 LTE-U 提出以來，絕大多數(shù)共存研究都是在同信道運行的背景下展開的。

大 部 分 研 究 者 在 研 究 初 期 都 提 議 LTE-U 和 Wi-Fi的共存要盡量使用現(xiàn)有的標準和技術(shù)，做到盡量不改變 LTE的空口和整體架構(gòu)。美國有線電視實驗室 （CableLabs）在3GPP RAN#64 次 全 會 上 給 出 了 如 圖 11 所 示 的 基 于 時 分復 用 的 共 存 方 案［19］， 方 案 中 設 定 了 一 個 工 作 周 期 （duty cycle），讓 LTE-U 占用信道一段時間，然后關(guān)閉 LTE-U，讓Wi-Fi系統(tǒng)有機會接入，占用信道的時間可以根據(jù)各系統(tǒng)的流 量 大 小 自 動 調(diào) 整 。高 通 公 司 在 其 白 皮 書［17］中 提 出 的 載 波監(jiān) 聽 自 適 應 傳 輸 （carrier sensing adaptive transmission，CSAT）的共存方案也是這種結(jié)構(gòu)。此外，在參考文獻［11］中提 出 的 LTE 靜 音 （LTE muting）方 案 ，也 是 基 于 這 種 思 想 ，LTE 每 5 個子幀就靜音 n （0≤n≤5）個子幀。讓 Wi-Fi系統(tǒng)有機會接入信道中。這類方案在 LTE 標準 R10 的支持下就能實現(xiàn)，既保留了現(xiàn)有的技術(shù)，又實現(xiàn)了系統(tǒng)間的良好共存。

另外，LTE 標準中的近乎空白子幀（ABS）也可以用如圖 12 所 示 的 方 式 來 實 現(xiàn) 共 存［20］。ABS 是 用 來 解 決 控 制 信道的干擾問題的，通過配置 ABS，干擾源小區(qū)在這些 ABS子幀的某些物理信道上降低功率發(fā)射或者不發(fā)射，可以避免對被干擾小區(qū) UE 的 PDCCH 以及 PDSCH 的干擾。對于Wi-Fi系統(tǒng)來說，ABS 就 是 很 好 的 信 道 接 入 機 會 。但這似乎違 背 了 LTE 設計 ABS 的 初 衷 ，Wi-Fi信 號 在 ABS 的 存 在 會對 LTE 某些控制信道造成干擾。

圖11 duty cycle 共 存 方 案

然而，上述幾種共存方案都存在一個明顯的缺陷：共存時都以 LTE 為主，LTE 占用并控制信道，然后通過關(guān)閉LTE 讓出時間以便讓 Wi-Fi有接入機會。雖然收獲了相對可 觀 的 共 存 性 能 ， 但 違 背 了 公 平 性 原 則 。Google 公 司 在2015 年 6 月向 FCC 提交了一份技術(shù) 報 告 ，指 出 LTE-U 會給 Wi-Fi帶 來 巨 大 的 干 擾 ，而 且 當 下 所 研 究 的 共 存 方 案 并不 公 平［21］。前 期 的 研 究 中 ，LTE-U 和 Wi-Fi之 間 的 “切 換 ”主要 采 用 duty-cycling（循 環(huán) 占 空 ）機 制 ，由 于 兩 者 是 分 時 共享，如果 LTE-U 使用 了 50%的工作 周 期，那么這看 起 來 是公 平 的 。 可 是 ，Google 的 研 究 發(fā) 現(xiàn) ，LTE-U 在 每 次 進 入LTE-U on 周 期 時 ，并 不 會 檢 測 無 線 環(huán) 境 是 否 干 凈 ，這 導 致每 次 LTE-U 周 期 都 會 干 擾 （打 斷 ）Wi-Fi信 號 傳 送 ，引 起 誤幀 率 上 升 ，Wi-Fi吞 吐 率 下 降 。Google 實 驗 證 明 ，當 LTE-U設 備 使 用 50%的 工 作 周 期 時 ，Wi-Fi速 率 會 下 降 1／4［21］。

為了保證公平性，后續(xù)的共存方案研究逐漸向公平性和高效率偏移。目前基于公平性考慮的共存方案主要分為兩 類 ：LBT 和 CSMA／CA，即 讓 LTE-U 使 用 這 種 “先 聽 后 說 ”的 信 道接入機 制 。根據(jù) LBT 和 CSMA／CA 的 協(xié) 議 要 求 ，給出 了 這 兩 種 信 道 接 入 機 制 下 ，LTE-U 與 Wi-Fi同 信 道 共 存時的信道接入時序，如圖 13、圖 14 所示。

圖12 利用空白指針共存方案示意

圖13 LBT-LTE-U 與 Wi-Fi用戶的信道接入時序

可以發(fā) 現(xiàn) ，配置 LBT 機 制 具 有 更高 的 效 率 ，因 為 LBT不需要回退，當 CCA 周期內(nèi)檢測到信道空閑后 ，立 馬 接 入信道。目前共存方案的研究基本是在這兩類信道接入機制上 進 行 改 進 。 參 考 文 獻 ［20］提 出 了 一 種 自 適 應 LBT 機 制 ，在 LBT 的基礎上 加 入 了信道跳 轉(zhuǎn) 的概念，在 LTE-U 接 入信道前先感知信道，可用則接入，不可用則繼續(xù)感知多條信道判斷是否空閑。占用信道一段時間之后若要繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，應當跳到其他空閑信道，避免長時間占用同一信道，同 時 根 據(jù) 壞 幀 數(shù) 判 斷 該 信 道 上 Wi-Fi系 統(tǒng) 的 流 量 大 小 ，自動 調(diào) 整 傳 輸 時 長 ，以 保 證 與 Wi-Fi公 平 合 理 地 使 用 頻 譜 資源。參考文獻［22］基于 Wi-Fi系統(tǒng)的 CSMA／CA 機制為LTE-U設 計 了一種更 為 細致的 LBT 機制（如圖 15 所 示 ），它 分 為同步 LBT 和異 步 LBT。同 步 LBT 指 LTE-U 搶占到 信 道 之后，先與授權(quán)頻段的子幀進行同步，同步完成之后再進行數(shù) 據(jù) 傳 輸；異步 LBT 是一種 觸 發(fā) 傳輸機制 ，搶 占 到 信 道 之后 就 進 行數(shù)據(jù)傳 輸 。異步 LBT 有著更 高效 的 頻 譜 使 用 效率 ，而同步 LBT 因為支 持混合自動 重傳請 求 （HARQ），與現(xiàn)有的 LTE 系統(tǒng)兼容性更好。

圖14 CSMA／CA-LTE-U 與 Wi-Fi用戶的信道接入時序

圖15 同步 LBT 和異步 LBT

圖16 LAA-LBT 方案

文中還考慮了在密集部署的地區(qū)數(shù)據(jù)分組容易發(fā)生碰撞的問題，在 LBT 方案中引入了 CSMA／CA 中的競爭窗和隨機退避機制，有效降低了數(shù)據(jù)分組的碰撞概率。參考文 獻 ［23］中 提 出 了 一 種 如 圖 16 所 示 的 LAA-LBT 共 存 方案 ，LAA 指 用 戶 通 過 授 權(quán) 頻 段 連 接 到 主 小 區(qū) （Pcell），同 時通 過 非 授 權(quán) 頻 段 連 接 到 N（N≤1）個 輔 小 區(qū) （Scell），重 要 的控制層信息通過授權(quán)載波發(fā)送，非授權(quán)載波主要進行數(shù)據(jù)的傳輸，通過 CA技術(shù)將授權(quán)載波和非授權(quán)載波聚合起來。下行傳輸數(shù)據(jù)前，eNB 需要去感知信道，若可用，傳輸多個幀，上行傳輸數(shù)據(jù)時，為了保持同步和 HARQ 的配置，要求發(fā)送每一幀之前都執(zhí)行 LBT?？紤]到目前采用了CSMA／CA 的 Wi-Fi系 統(tǒng) 可 以 很 好 地 與 其 他 系 統(tǒng) 共 存 ，參 考文獻［24］中提出了一種如圖 17 所示的在 LTE 中加入 IEEE 802.11 射 頻 模 塊 的 方 案 ，此 模 塊 完 全 沿 用 CSMA／CA 的 信道 接 入 機 制 ，當 IEEE 802.11 模 塊 搶 占 到 信 道 之 后 ，把 信道的信息傳遞給 LTE 模塊，數(shù)據(jù)的傳 輸 由 LTE 模 塊來完成。這在本質(zhì)上是把具備 LBT 功能的 Wi-Fi節(jié)點與 LTE 高效數(shù)傳相融合。

除了時分復用的方法，LTE 上行傳輸功率控制也可以作 為 LTE-Wi-Fi共 存 的 可 選 方 案 之 一 ，傳 統(tǒng) 的 上 行 功 率 控制 是 基 于 用 戶 的 路 徑 損 耗 ，不 考 慮 Wi-Fi的 活 動 狀 態(tài) 。小區(qū)邊緣的用戶有更高的傳輸功率，有可能會影響到周邊Wi-Fi的 傳 輸 。在 參 考 文 獻 ［25］中 提 出 了 一 種 改 良 的 上 行 功率 控制方 法 ，在 功 率控制中 加 入了 LTE 干擾測量 ，通 過 降低 用 戶 的 發(fā) 射 功 率 來 減 少 對 Wi-Fi的 干 擾 。表 1 列 出 了 現(xiàn)有的 LTE-U 和 Wi-Fi的共存方案及其優(yōu)劣勢對比。

圖17 加 入 IEEE 802.11 射 頻 模 塊 的 LTE-U

表1 LTE-U 與 Wi-Fi共存方案優(yōu)劣勢對比

6.2.3 單運營商流量轉(zhuǎn)移

前 文 提 到，在 LTE-U 的 背 景 下 ，流 量 的 分 配 問 題必 須考 慮 到 Wi-Fi的 活 動 情 況 ，流 量 的 分 配 轉(zhuǎn) 移 需 要 在 轉(zhuǎn) 移 量和 用 戶 QoS 之 間 進 行 權(quán) 衡 。目 前 已 經(jīng) 有 一 些 針 對 LTE-U背景下流量平衡的研究工作。如參考文獻［16］中，微蜂窩基于 duty-cycling 的 方 式 和 Wi-Fi系 統(tǒng) 共 享 非 授 權(quán) 頻 段 ，通 過將 Wi-Fi系 統(tǒng) 的 指 數(shù) 退 避 機 制 建 模 為 二 維 馬 爾 可 夫 鏈 ，在此 模 型 上 進 行 系 統(tǒng) 級 仿 真 ， 結(jié) 果 顯 示 ， 共 存 時 Wi-Fi和LTE 的吞吐性能比之前的系統(tǒng)性能要優(yōu)越。在文中的擴展工作中，提出了一個最優(yōu)流量平衡策略。

6.2.4 運營商之間的頻譜共享

當多個運營商的 LTE-U 小基站在同一區(qū)域 出現(xiàn)時，多運 營 商 之 間 就 需 要 進 行 協(xié) 調(diào) 。參 考 文 獻［26］研 究 了 這 一 主題，討論了在兩個和多個運營商的情景下利用博弈論中的納什均衡來實現(xiàn)運營商之間的頻譜共享。而參考文獻［27］則利用時分復用的思想，通過多運營商配置 LBT 和文中提出 的 分 布 式 Learning Q 算 法 來 實 現(xiàn) 頻 譜 共 享 。其 他 方 面 雖然沒有直接研究非授權(quán)頻段上多運營商的頻譜共享問題，但運營商之間在授權(quán)頻段的頻譜共享問題還是有研究案例的，這些共享方法可以用于 LTE-U 背景下的資源共享。如參考文獻［28］中提出的一種同時接收和感知的認知 LTE-A系統(tǒng)，就可以用于 LTE-U 的共存場景。

7 結(jié)束語

本文 對 新 興的 LTE-U 技術(shù) 進 行 了概述，將 LTE 部 署在非授權(quán)頻段上對于運營商和用戶都有巨大的利益，同時能為將來的巨大流量需求提供出路。本文詳細介紹了LET-U 的 設 計 要 求 、原 理 和可 能 的 部 署 方 案 ，并 進 一 步 分析 了 部 署 LTE-U 的 難 點 ，重 點 討 論 了 LTE-U 和 Wi-Fi共 存的相關(guān)研究工作。

從研究 的現(xiàn)狀和趨勢來 看 ，LTE-U 要 實現(xiàn)良好 的 部 署和運行，信道感知是非常關(guān)鍵的一環(huán)，因為它決定了其他無線系統(tǒng)能否得到資源，也決定了 LTE-U 是否能和其他 系統(tǒng)公平有效地在非授權(quán)頻段共享資源。所以對于將來的研究 ，這 幾 個方面非 常 值得關(guān)注 ：首 先 是 LTE-U 背 景 下 的 信號檢測研究，快速準確的信號檢測可以有效地提高信道使用效率并降低系統(tǒng)間的干擾。 對現(xiàn)有的 LBT 或 CSMA／CA中的信道感知算法的改進，也可提升信道接入機制的效率。其次是共存方案的設計，高效公平的共存方案使無線頻譜資源得到充分利用的同時，可大幅提升共存系統(tǒng)的性能 。再 次 ，如 何 將 現(xiàn) 有 的 LTE 和 Wi-Fi內(nèi) 嵌 技 術(shù) 應 用 于LTE-U 的 背 景 下 ， 也 值 得 重 點 關(guān) 注 ，LTE-U 的 相 關(guān) 研 究 要盡可能地 使 用現(xiàn)有技 術(shù) ，降 低 開發(fā)成 本 ，例 如 認知 LTE 系統(tǒng)在 LTE-U 背景下的應用研究。最后，運營商內(nèi)流量的 合理轉(zhuǎn)移和多運營商之間的資源共享也是很好的研究點。

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LTE-U：the propellant for development of future mobile communication system

ZHAO Sicong，HUANG Lei，SHEN Bin，HUANG Xiaoge
Chongqing Key Lab of Mobile Communications，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China

Recently，a new technology called LTE-U proposed by 3GPP is under study.It aims to relieve the pressure in licensed spectrum.Firstly，an overview of LTE-U was presented，and then the working frequency spectrum and design principles were analyzed.The possible deployment scenarios and operation modes of LTE-U were also summarized.The difficulties in deploying LTE-U and existing solutions were discussed particularly. Finally，several possible future research directions of LTE-U were presented.

LTE，LTE-U，unlicensed band，co-existence

s：The National Natural Science Foundation of China （No.61201205，No.61379159），The National High-tech R&D Program（863 Program）（No.2014AA01A701）

TN929.5

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016086

趙思聰 （1992-）， 男， 重慶郵電大學碩士生，主要研究 方 向 為 LTE-U 關(guān)鍵 技 術(shù) 研 究及通信信號檢測。

黃磊（1992-），男，重慶郵電大學碩士生，主 要 研 究 方 向 為 LTE-U 關(guān) 鍵 技 術(shù) 研 究 及通信信號檢測。

申濱（1978-），男，博士，重慶郵電大學教授，主要研究方向為移動通信技術(shù)、通信信號檢測和處理等。

黃曉舸（1982-），女，博士，重慶郵電大學副教授，主要研究方向為移動通信技術(shù)、認知無線電動態(tài)頻譜分配等。

2015-11-27；

2016-02-16

國家自然科學基金資助項目（No.61201205，No.61379159）；國家高技術(shù)研究計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2014AA01A701）