LTE和Wi—Fi系統間靈活頻譜使用關鍵技術

徐景　杜金玲　楊旸

針對授權輔助接入，提出了一種適用于LTE-U與Wi-Fi共同使用免授權頻段的方法，該方法無需更改Wi-Fi協議就能實現LTE-U與Wi-Fi比例公平使用免授權頻譜，有效聚合授權頻譜與免授權頻譜，提升頻譜效率，為用戶提供更好的業務體驗。

免授權頻段；授權輔助接入；雙連接；無授權輔助接入；共存

智能手機飛速發展、用戶數量急劇增長、高清晰多媒體流業務不斷涌現，凸顯出頻譜匱乏與需求間的深刻矛盾。2014年2月，思科發布報告[1]預測至2018年，移動設備和連接的數量將從2013年約30億增長到100多億；移動連接的平均速度將從2013年1.4 Mb/s提高到2.5 Mb/s，幾乎翻一番。為了緩解授權移動網絡的流量壓力，許多運營商通過部署Wi-Fi網絡來減輕無線網絡的負擔，通過免授權頻譜分流無線業務。在LTE網絡覆蓋的室內和公共熱點區域，由于授權頻譜資源有限，很容易達到網絡容量極限，造成網絡擁塞。目前，全球已經開放了大量免授權頻譜，在這種情況下，以大量免授權頻譜補充有限的LTE授權頻譜，增加可用頻譜，可有效擴充無線容量，緩解移動網絡的流量壓力。

免授權頻譜是指在滿足政府部門（如國家無線電管理委員會）無線電管制下，不需要政府授權就能直接使用的頻譜資源，Wi-Fi是部署在免授權頻段的典型技術。Wi-Fi通過載波監聽和隨機退避機制與其他無線接入技術（RAT）友好共存于免授權頻段。由于部署在免授權頻段的Wi-Fi缺乏服務質量（QoS）保證機制，遭受著潛在的不可控的干擾，適合低速接入，無法很好的支持高速移動業務，而LTE部署到免授權頻段，在免授權頻段上采用LTE空口協議完成通信，簡稱為LTE-U，可以借助集中調度，干擾協調，自適應重傳請求（HARQ）等技術，魯棒性好，可獲得更高的吞吐量，將提供更大的覆蓋范圍和更高的頻譜效率。

目前，已經有多家公司和研究機構向3GPP提出采用免授權頻段部署LTE技術，來加速LTE室內傳輸。主要候選方案包括：授權輔助接入（LAA）、雙連接（DC）、無授權輔助接入（Standalone）技術，作為第五代移動通信系統（5G）增強技術，吸引了世界范圍內移動通信技術研究工作者的廣泛關注[2-6]。

LTE-U通信的典型應用場景如圖1所示。同一區域同時部署了不同無線網絡（LTE與Wi-Fi），不同移動運營商的小基站（LTE小基站A與B）。當LTE網絡負載過重，為了緩解流量壓力，在免授權頻段使用LTE-U技術傳輸數據，不僅可以實現無線資源的優化和不同接入網絡間的負載均衡，為用戶提供更好的業務體驗，還能幫助移動運營商增大移動寬帶網絡容量和市場空間[6]。

本文首先介紹了LTE部署免授權頻段提出的背景。其次，簡要介紹了靈活使用免授權頻譜的幾種技術方案。然后簡要分析了未來LTE-U與Wi-Fi靈活使用免授權頻譜面臨的挑戰。提出一種基于授權輔助接入技術，實現LTE與Wi-Fi公平使用免授權頻譜的方法。最后給出了總結。

1 靈活使用免授權頻譜的

關鍵技術

與Wi-Fi相比，LTE部署在免授權頻段的優點如下，從用戶角度看，數據速率更高、覆蓋性能更好、可靠性更高，用戶體驗將得到明顯提升；從移動運營商角度看，核心網同時適用于授權與非授權頻段，可與現有LTE網絡共同運營及管理。

1.1 授權輔助接入

LAA是一種可以擴展LTE兼容頻譜至未授權頻段上的技術，用于增強LTE和LTE-A，為LTE網絡運營商提供補充接入。2014年9月，3GPP將LAA列為下一代LTE增強網絡（R13）的重點研究項目[7]。LAA采用載波聚合技術，聚合授權頻譜和免授權頻譜，前者作為主載波單元（PCC）傳送關鍵信息和保證QoS，后者作為輔載波單元（SCC），可配置成下行補充鏈路或配置成上行和下行鏈路，提供額外的無線資源，如圖2所示。免授權頻譜資源由基站集中調度分配，通過媒體訪問控制（MAC）單元的激活/去激活操作控制免授權頻譜資源的使用和釋放，動態使用資源。當LAA基站激活免授權頻譜資源時，LTE在此頻譜傳輸蜂窩數據；當LAA基站去激活或釋放免授權頻譜資源時，Wi-Fi系統可基于競爭方式搶占并使用免授權頻譜資源，從而實現靈活使用免授權頻譜的目的。

1.2 雙連接

雙連接[8]是指用戶終端同時在授權頻譜和免授權頻譜上建立連接，其中授權頻譜發送系統廣播信息，用于實現控制平面的功能，包括連接管理和移動性管理，從而保證蜂窩通信的連續性。在數據平面，小基站數據業務可以在授權頻譜發送、免授權頻譜發送，或者兩者都發送。雙連接原理如圖3所示。從圖3可以看出，雙連接要求授權頻譜和非授權頻譜網絡同步。通過雙連接，核心網可以將數據直接卸載到免授權頻段，實現數據無縫連接[9]。通過雙連接技術，使LTE-U小基站確保鏈路可靠性和移動魯棒性[10]，用戶終端靈活在授權頻譜和（或）免授權頻譜資源上接收和發送數據，從而無縫組合兩個頻段的數據流，靈活使用免授權頻譜資源。

1.3 無授權輔助接入

無授權輔助接入的原理如圖4所示[9-10]。圖4是指將LTE技術單獨部署于免授權頻段，不存在授權頻段的連接鏈路，主要考慮用在授權頻帶無法覆蓋的區域。無授權輔助接入不占用授權頻段，因此不需要進行授權頻譜與免授權頻譜間的網絡同步，缺點在于無法保證移動性魯棒性和不易實現靈活流量控制，且對標準化影響較大。

2 LTE與Wi-Fi靈活使用

頻譜面臨的挑戰

免授權頻段部署LTE技術給蜂窩移動通信系統帶來機遇的同時，更帶來了很多全新的挑戰。本章節首先重點分析授權輔助接入技術的頻譜公平使用問題，并提出一種適用于LTE-U與Wi-Fi比例公平使用免授權頻譜的方法，實現對免授權頻譜資源的高效利用。其次，LTE-U部署于免授權頻段面臨著各種復雜的干擾環境[11-12]，LTE-U還需滿足通用空中接口的要求[13-14]。

2.1 LTE-U和Wi-Fi公平使用免授權

頻段

公平接入免授權頻段是確保LTE-U能與現有接入技術（如Wi-Fi系統）共存的重要因素。由于當前LTE系統是連續傳輸的，且排他性地使用授權頻譜，不與其他運營商和無線接入技術共同使用。而免授權頻譜是開放性資源，允許任何無線接入技術使用。如果LTE系統不作任何改變直接占用免授權頻譜資源，將違背免授權頻段的法規要求，對部署在公用免授權頻段的其他無線接入系統也是不公平的。在這種情況下，本文提出一種基于LAA技術的比例公平使用免授權頻段的方法。假設LAA基站可偽裝成虛擬Wi-Fi設備，當系統滿載運行于授權頻段時，LAA基站通過先偵聽后傳輸（LBT）嘗試競爭免授權頻段（載波），如果競爭成功，則將其作為輔成員載波；LAA基站也可以根據需要直接搶占免授權頻段。

為兼顧頻譜利用率及不同用戶或不同系統公平使用頻譜資源，定義比例公平吞吐量效用函數為：[TPF=maxiMlog2Ri（t）]，[Ri（t）]表示運行在免授權頻段的各個系統在[0，t]時間段內的平均速率，[ri（t）]是在t時刻系統i內所有設備在免授權頻段上的瞬時速率之和，依據比例公平原則[15]，具有最大優先級[ri（t）Ri（t）]的系統可以優先使用免授權頻段。例如，假設已知Wi-Fi和LTE-U將會在免授權頻段上傳輸數據，[RWi-Fi（t）]和[RLTE-U（t）]分別為[0，t]時間段內Wi-Fi和LTE-U系統的平均傳輸速率，則t時刻的免授權頻譜使用需要最大化效用[log2RWi-Fi（t）+log2RLTE-U（t）]。[rWi-Fi（t）]和[rLTE-U（t）]分別為t時刻Wi-Fi和LTE-U系統的瞬時傳輸速率，為了最大化比例公平吞吐量效用函數，LTE-U基站需要比較[rWi-Fi（t）RWi-Fi（t）]和[rLTE-U（t）RLTE-U（t）]的大小，如果[rLTE-U（t）RLTE-U（t）>rWi-Fi（t）RWi-Fi（t）]，且Wi-Fi當前數據包傳輸結束，則LTE-U基站直接搶占免授權頻段，采用LTE-U技術傳輸蜂窩數據；反之，LTE-U基站暫停使用免授權頻段，或者不搶占免授權頻段，由Wi-Fi系統基于LBT方式傳輸數據?；诒壤綔蕜t，LTE-U基站能夠適時暫停免授權頻段上的數據傳輸，釋放免授權頻譜資源，從而實現LTE與Wi-Fi系統靈活公平使用頻譜，提升頻譜效率，具體流程見圖5。

該方法可以實現免授權頻段Wi-Fi和LTE-U系統友好共存，達到不同系統比例公平使用免授權頻段資源的目的。當LTE-U利用免授權頻段傳輸蜂窩數據時，能公平地發揮LTE-U技術優勢，提升頻譜利用率，為用戶提供更好的業務體驗，同時幫助運營商擴大移動寬帶網絡容量和市場空間。

2.2 免授權頻段干擾協調與管理

免授權頻段是開放式接入頻譜資源，只要工作在免授權頻段上的無線設備滿足國家或區域規定要求，無需認證過程，任何RAT，任何用戶終端或設備均可接入免授權頻段，任何無線接入技術都可以部署該頻段。這就意味著免授權頻帶不會限制運營商的數量和類型，同區域同信道免授權頻段上可能同時存在多RAT系統發射數據的情況。如果LTE-U部署在免授權頻段，那么就需要考慮不同運營商間的干擾，密集部署網絡的干擾情況將更加復雜嚴重。自適應進行異構系統間和（或）異運營商間的干擾補償，可以降低干擾和提升無線網絡的魯棒性。

2.3 LTE-U空中接口設計

LTE-U部署在免授權頻段時，一方面需要滿足某些國家或地區規定使用免授權頻段需符合的諸如發送功率控制（TPC）、先偵聽后傳輸（LBT）、動態頻率選擇（DFS）[16]等要求；另一方面，應盡量繼承和保留LTE協議基本原理和設計理念，繼承LTE空口鏈路協議的魯棒性和卓越的系統性能。為了公平有效使用免授權頻譜，同時保持或增強LTE系統優勢，LTE可能需要對空中接口作必要改變，以實現多RAT共存于免授權頻段，最大化頻譜效率，形成一個具有全球通用的無線移動通信網絡。同時，還可能需要標準化組織3GPP和IEEE共同進行LTE-U空口傳輸協議的標準制訂。

3 結束語

基于授權頻譜接入技術，本文提出一種LTE與Wi-Fi網絡公平使用免授權頻譜的機制。將LTE部署到免授權頻段進行業務傳輸，可以滿足公眾對高帶寬無線業務爆發式增長需求，提升免授權頻譜效率，為下一代移動通信系統（5G）奠定堅實基礎，促進寬帶移動通信技術發展。授權輔助接入、雙連接和無授權輔助接入等技術方案為不同無線接入技術，異運營商共享免授權頻譜提供了解決思路。

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