陳勇輝，李木榮（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司，廣州 510623）

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LTE-U技術(shù)及其部署策略研究

陳勇輝，李木榮
（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司，廣州 510623）

摘 要本文先從LTE-U技術(shù)原理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況以及與Wi-Fi共存的技術(shù)挑戰(zhàn)等方面分析，然后與LWA、ANDSF等非授權(quán)頻譜利用技術(shù)進(jìn)行比較，再結(jié)合頻譜政策等因素提出了對(duì)運(yùn)營商部署LTE-U的策略建議。

關(guān)鍵詞非授權(quán)頻譜；LTE-U；Wi-Fi；ANDSF

1　背景

對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營商，授權(quán)頻譜（Licensed Bands）是其最為重要的資產(chǎn)之一，是提供高質(zhì)量移動(dòng)通信服務(wù)的基礎(chǔ)，隨著智能終端的普及、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)的興起，數(shù)據(jù)流量的暴增使得現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量壓力倍增，即便運(yùn)營商通過技術(shù)升級(jí)不斷提升網(wǎng)絡(luò)能力、降低每比特成本，絞盡腦汁深耕授權(quán)頻譜資源，也難以滿足巨大的用戶需求。尤其是在不少國家和地區(qū)昂貴的頻譜授權(quán)費(fèi)用下，運(yùn)營商和通信專家們都將目光瞄準(zhǔn)了非授權(quán)頻譜，以5 GHz頻段為例，有近900 MHz之巨的可用頻譜資源。關(guān)于非授權(quán)頻譜的研究，系統(tǒng)間的干擾是一大難題，在國際運(yùn)營商和主流設(shè)備、芯片廠商推動(dòng)下，這一難題終于得到解決。LTE-U（LTE Advanced in Unlicensed Spectrum）是將LTE系統(tǒng)應(yīng)用在5 GHz Wi-Fi非授權(quán)頻段上的技術(shù)，并從WWC展開始成為業(yè)內(nèi)研究的熱門。

2　LTE-U技術(shù)概述

2.1 LTE-U的基本原理（如圖1所示）

在目前的頻率使用劃分體系下，5 GHz附近及1 GHz以下有大量非授權(quán)頻譜，如Wi-Fi、藍(lán)牙、無線電話、對(duì)講機(jī)和家用遙控裝置等許多技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)使用了非授權(quán)頻譜。從帶寬配置考慮，Wi-Fi使用的頻段比較適合LTE技術(shù)的應(yīng)用，但由于Wi-Fi在2.4 GHz頻段聚集了大量的設(shè)備，信道擁擠不堪，故目前非授權(quán)頻譜的應(yīng)用研究集中在5 GHz頻段上。

LTE-U是在5 GHz非授權(quán)頻段上直接運(yùn)行LTE的一種方式，通過新型小基站和載波聚合的形式，聚合授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段上的LTE載波，在已授權(quán)頻段上運(yùn)行所有LTE控制和數(shù)據(jù)信道，也同時(shí)在非授權(quán)頻段上提供額外的數(shù)據(jù)信道提升數(shù)據(jù)面性能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量和業(yè)務(wù)速率的提升。該技術(shù)在3GPP主導(dǎo)下進(jìn)行開發(fā)，以其符合LTE R13標(biāo)準(zhǔn)中的輔助授權(quán)接入（LTE-LAA），這種實(shí)現(xiàn)方式最大的挑戰(zhàn)在于解決LTE 與Wi-Fi在非授權(quán)頻段中的和諧共存。

圖1　LTE-U基本原理框架

LTE-U在不同的頻率上使用相同的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，覆蓋率及容量均優(yōu)于Wi-Fi，并具有電信級(jí)的服務(wù)品質(zhì)，且可在授權(quán)與非授權(quán)頻譜間進(jìn)行無縫的連續(xù)作業(yè)，因此它所能夠提供的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)更佳。

2.2 LTE-U技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

在5 GHz非授權(quán)頻段應(yīng)用LTE技術(shù)，通過LTE-U將非授權(quán)頻段載波與授權(quán)頻段載波聚合以提升容量，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式主要如下。

（1）SDL（Supplemental Down Link，補(bǔ)充下行鏈路模式），只將非授權(quán)頻段用來做下行鏈路傳輸，這是當(dāng)前主流的研究應(yīng)用方向。

（2）CA（Carrier Aggregation，載波聚合模式），在非授權(quán)頻段同時(shí)部署下行鏈路和上行鏈路，如在非授權(quán)頻段采用TDD方式靈活調(diào)節(jié)上下行資源配置。

在以上兩種模式中，非授權(quán)頻段都僅用于數(shù)據(jù)層，所有的控制層流量都由授權(quán)頻段處理，這樣運(yùn)營商可以同時(shí)對(duì)授權(quán)和非授權(quán)頻段資源進(jìn)行控制。目前LTE-U倡議者對(duì)部署場景主要聚焦于SDL模式，因?yàn)樗鼘?duì)運(yùn)營商來說可以實(shí)現(xiàn)簡單部署和運(yùn)營，同時(shí)降低設(shè)備的復(fù)雜性。由于3GPP的設(shè)想是將LTE-U給具有授權(quán)頻段的移動(dòng)運(yùn)營商使用，故在LTE-U技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式中沒有獨(dú)立模式，即在非授權(quán)頻段獨(dú)立運(yùn)行LTE而不捆綁使用授權(quán)頻段，這就將不具有授權(quán)頻段的第三方排除在該技術(shù)的應(yīng)用范圍之外。

2.3 LTE-U的研究進(jìn)展

LTE-U論壇是Verizon主導(dǎo)并聯(lián)合阿朗、愛立信和高通等，于2014年創(chuàng)立。在2015年初發(fā)布了其首個(gè)關(guān)于非授權(quán)頻譜的技術(shù)規(guī)范，該技術(shù)規(guī)范包括在5GHz非授權(quán)頻譜下運(yùn)行LTE-U基站和用戶設(shè)備的最低性能要求及共存規(guī)范等內(nèi)容。LTE-U已經(jīng)納入LTE R13標(biāo)準(zhǔn)，將于2016年正式推出，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將在2016年完成，相應(yīng)產(chǎn)品將于2017年問世。

然而，在LTE-U方面最為激進(jìn)的高通，日前宣布與多個(gè)運(yùn)營商和通信設(shè)備廠商展開合作已完成LTE-U網(wǎng)絡(luò)的OTA測(cè)試，并開始嘗試將該技術(shù)整合到小基站和移動(dòng)設(shè)備上，其小基站單芯片系列產(chǎn)品FSM99XX將支持LTE-U。

3　LTE-U的技術(shù)挑戰(zhàn)

當(dāng)前國際主流的LTE網(wǎng)絡(luò)（包括TDD、 FDD制式）采用的頻段橫跨700～2 700 MHz，所以將LTE技術(shù)應(yīng)用于非授權(quán)頻段，如5.8 GHz頻段，在技術(shù)層面上并沒有障礙，只需要在網(wǎng)絡(luò)和終端的射頻部分增加支持新頻段即可。然而5.8 GHz是Wi-Fi正在使用的頻段，不同技術(shù)在頻譜資源使用、通信調(diào)度等方面的策略不同，互相之間的干擾、沖突問題就凸顯了出來。

3.1 LTE-U與Wi-Fi頻譜使用差異

Wi-Fi采用競爭方式使用非授權(quán)頻段，是異步的、分散的系統(tǒng)，使用基于競爭的信道接入?yún)f(xié)議：載波感知多址接入和沖突避免信道接入方式（CSMA/CA），網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（AP或終端）在使用某個(gè)信道進(jìn)行傳輸之前，必須先監(jiān)聽該信道是否空閑，再?zèng)Q定是否占用并傳輸信號(hào)LBT （Listen Before Talk）；如果信道被占用則推遲一段隨機(jī)時(shí)間再啟動(dòng)相應(yīng)程序以避免沖突。由于LBT技術(shù)的使用，導(dǎo)致Wi-Fi在公共頻段高密度部署環(huán)境下的效率偏低。

LTE傳統(tǒng)上應(yīng)用于授權(quán)頻段，擁有對(duì)工作頻段的絕對(duì)使用權(quán)，因此采用的是同步、集中式設(shè)計(jì)。LTE下行使用OFDMA信道接入技術(shù)，上行使用SC-FDMA信道接入技術(shù)，通過頻分或時(shí)分雙工傳輸，由于系統(tǒng)對(duì)頻段的獨(dú)占權(quán)，網(wǎng)絡(luò)和終端之間的通信（除隨機(jī)接入外）基本根據(jù)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的指定進(jìn)行傳輸，從而優(yōu)化頻率效率和時(shí)間等資源分配。同時(shí)，LTE系統(tǒng)也是干擾受限系統(tǒng)，在小區(qū)之間有ICIC、eICIC等干擾解決手段，但并沒有同頻強(qiáng)干擾共存設(shè)計(jì)。

LTE-U與Wi-Fi共存時(shí)，由于LTE對(duì)頻譜使用的獨(dú)占性，Wi-Fi受其公共信道干擾阻止導(dǎo)致大部分時(shí)間處于監(jiān)聽狀態(tài)，因此LTE-U的系統(tǒng)性能幾乎不受影響，但Wi-Fi的系統(tǒng)性能將顯著下降。由此可見，LTE-U要想邁出商用的步伐，首先須解決與Wi-Fi共存的技術(shù)。

3.2 與Wi-Fi的共存技術(shù)

除了考慮與Wi-Fi技術(shù)上的共存，由于不同的國家對(duì)于非授權(quán)頻譜的使用規(guī)定不同，LTE-U在考慮與非授權(quán)頻段的其它系統(tǒng)共存技術(shù)時(shí)必須考慮不同的管制環(huán)境。全球各地對(duì)非授權(quán)頻段的政策大體分為兩類：一類是政策沒有涉及非授權(quán)頻段用戶間共存要求和規(guī)定，在非授權(quán)頻段的監(jiān)管主要是限制發(fā)射功率，以避免干擾相鄰頻段和共頻段的首要用戶，如中國、美國和韓國等；另一類政策在非授權(quán)頻段參照Wi-Fi技術(shù)規(guī)定了具體的共存協(xié)議，即LBT，如歐洲和日本。

針對(duì)歐洲和日本的場景，LTE-U業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的高通建議采用LAA技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)（信號(hào)）更容易的找到它們的鄰居（其它共存設(shè)備），適配使用相應(yīng)的頻率。而針對(duì)中國的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，高通推出了名為載波感應(yīng)適配傳輸（CSAT）的技術(shù)，能夠在網(wǎng)絡(luò)中有多用戶共存的情況下能夠更合理地分配頻率使用。LTE-U論壇對(duì)5GHz頻段不需要執(zhí)行LBT環(huán)境下的共存機(jī)制建議如下（輔小區(qū)指非授權(quán)頻段的LTE小區(qū)）。

3.2.1 輔小區(qū)在非授權(quán)頻段的信道選擇

（1） 選擇干擾最小的信道。

（2） 監(jiān)控信道的使用周期。

（3） 在必要的情況下重新選擇新的信道。

（4） 盡量避開其他運(yùn)營商的強(qiáng)信號(hào)LTE-U信道。

3.2.2 輔小區(qū)在非授權(quán)頻段的操作

占空比：輔小區(qū)開啟：根據(jù)3GPP LTE Rel-10或以后的版本規(guī)范。輔小區(qū)關(guān)閉：停止所有信號(hào)傳輸（除3GPP rel-12后續(xù)定義的搜尋信號(hào)）。

啟閉周期：10～100 ms。

自適應(yīng)工作周期，如基于信道的使用進(jìn)行調(diào)度。

在其它時(shí)延敏感連接允許范圍內(nèi)最大化連續(xù)傳輸時(shí)間以提高效率。

適時(shí)關(guān)閉非授權(quán)頻段的輔小區(qū)。

在無終端或無輔小區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下關(guān)閉輔小區(qū)。

3.3 與Wi-Fi的共存評(píng)估

由于LTE-U技術(shù)尚在研發(fā)階段，與Wi-Fi的共存評(píng)估暫時(shí)只能通過理論和仿真等預(yù)測(cè)手段進(jìn)行研究。LTE-U論壇日前發(fā)布了其首個(gè)關(guān)于LTE-U的評(píng)估報(bào)告，此舉顯示出該論壇在探索LTE-U如何與Wi-Fi等其它非授權(quán)頻譜技術(shù)共存方面邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。報(bào)告中劃分了室外和室內(nèi)兩種基本場景，其中室內(nèi)場景有低密度、高密度、超高密度共存網(wǎng)絡(luò)共3種案例，室外場景另外增加一個(gè)多運(yùn)營商共同部署的案例。

當(dāng)LTE不采用任何共存機(jī)制部署在非授權(quán)頻段時(shí)，將導(dǎo)致Wi-Fi的性能顯著下降。當(dāng)采用了上一節(jié)所建議的共存機(jī)制時(shí)，無論室外或室內(nèi)場景，LTE-U 與LTE-U、LTE-U與Wi-Fi的共存表現(xiàn)均明顯優(yōu)于Wi-Fi與Wi-Fi共存場景。在越密集的場景下，LTE-U部署獲得的增益越高。如在室外2個(gè)運(yùn)營商場景下，當(dāng)一個(gè)運(yùn)營商將Wi-Fi替換為LTE-U后，平均用戶吞吐量獲得96%～180%的增益；當(dāng)兩個(gè)運(yùn)營商都將Wi-Fi替換為LTE-U后，平均用戶吞吐量獲得123%～229%的增益；同時(shí)在原部署環(huán)境下低吞吐量的用戶獲得了更高的增益，而原高吞吐量用戶獲得的增益較小，更好的提升了整體用戶體驗(yàn)。

4　LTE-U的部署策略

LTE-U技術(shù)的引入部署需綜合考慮技術(shù)、頻譜政策、移動(dòng)通信牌照、市場業(yè)務(wù)及投資效益等因素，全面分析以制定科學(xué)的策略。

4.1 非授權(quán)頻譜利用技術(shù)比較

4.1.1 與LTE + Wi-Fi鏈路聚合（LWA）比較

LWA方案中Wi-Fi在非授權(quán)頻段上運(yùn)行，LTE在授權(quán)頻段上運(yùn)行，通過將終端的數(shù)據(jù)流量分離，部分通過Wi-Fi進(jìn)行傳輸，剩余的通過LTE傳輸，從而降低LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷提高其服務(wù)性能。LWA要求在部署場所內(nèi)安裝LTE微基站，同時(shí)該場所內(nèi)的所有Wi-Fi接入點(diǎn)都要進(jìn)行軟件升級(jí)以支持LWA，Wi-Fi接入點(diǎn)也可以繼續(xù)支持獨(dú)立SSID上的非LWA流量。該方案對(duì)已投資建設(shè)大量Wi-Fi熱點(diǎn)的運(yùn)營商具有較大的吸引力，但未能凸顯LTE技術(shù)應(yīng)用高效優(yōu)勢(shì)，新建時(shí)需同時(shí)部署LTE和Wi-Fi設(shè)備，在熱點(diǎn)區(qū)域Wi-Fi效率不高的問題未得到有效解決。LWA基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

4.1.2 與ANDSF技術(shù)比較

基于LTE-A的ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function，接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和選擇功能）技術(shù)，手機(jī)等終端可以通過蜂窩網(wǎng)（3GPP）、Wi-Fi（非3GPP）等多種技術(shù)體系下的接入方式與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信。非3GPP 接入網(wǎng)按照運(yùn)營商對(duì)網(wǎng)絡(luò)的信任程度，又分為可信非3GPP 接入網(wǎng)和不可信非3GPP 接入網(wǎng)。ANDSF網(wǎng)元部署在蜂窩網(wǎng)的核心網(wǎng)中，通過S14接口與終端進(jìn)行通信，根據(jù)終端上報(bào)的位置信息及用戶選網(wǎng)偏好等信息輔助終端進(jìn)行接入網(wǎng)的選擇。該方案可以保護(hù)運(yùn)營商已有的Wi-Fi投資，但除了與LWA技術(shù)類似的缺點(diǎn)外，ANDSF還需要在核心網(wǎng)部署網(wǎng)元增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度；在基于終端位置、偏好下發(fā)的接入信息準(zhǔn)確性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同不足，不利于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡和保障用戶體驗(yàn)。ANDSF技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

相比較以上兩種技術(shù)，LTE-U協(xié)助運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)在單一無線電接入技術(shù)下獲得更多的可用頻譜，在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，不需要修改安全認(rèn)證、核心網(wǎng)業(yè)務(wù)管理和計(jì)費(fèi)架構(gòu)，僅升級(jí)基站就可以實(shí)現(xiàn)LTE-U的部署，能夠簡化網(wǎng)絡(luò)管理，使LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)管理及安全能力得到緊密整合。此外，LTE-U在提供用戶超高寬帶無線接入服務(wù)的同時(shí)借助授權(quán)頻段的控制，充分保障用戶的業(yè)務(wù)的移動(dòng)性和連續(xù)性等體驗(yàn)。

4.2 頻譜政策分析

全球?qū)τ谝苿?dòng)通信運(yùn)營商授權(quán)頻段的政策差異巨大，既有需要支付高額使用費(fèi)的，也有免費(fèi)使用的，對(duì)于付費(fèi)的國家，LTE-U技術(shù)的誘惑無疑是巨大的，而中國的運(yùn)營商是通過許可形式免費(fèi)獲得頻段使用權(quán)，故對(duì)非授權(quán)頻譜的利用訴求并沒有那么強(qiáng)烈。

圖2　LWA基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖3　ANDSF技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

如前所述，非授權(quán)頻段的政策主要由兩類：一是不同使用者間無共存相關(guān)要求規(guī)定（如中國），二是規(guī)定了具體的共存協(xié)議。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度，前者可能會(huì)較早部署LTE-U網(wǎng)絡(luò)；而規(guī)定上有具體共存協(xié)議的地區(qū)，則需要額外的技術(shù)補(bǔ)充和標(biāo)準(zhǔn)化工作，推出網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間會(huì)更晚一些。

在非授權(quán)頻段，每個(gè)國家開放給Wi-Fi使用的頻譜資源也有很大的差異，例如美洲（FCC）規(guī)定開放給Wi-Fi使用的非授權(quán)頻譜有2.412 ～ 2.462 GHz共11個(gè)信道和5.15～5.35 GHz、5.725～5.825 GHz共12個(gè)信道；在中國開放給Wi-Fi使用的非授權(quán)頻譜有2.412～2.472 GHz共13個(gè)信道和5.725～5.825 GHz 共4個(gè)信道。

4.3 LTE-U部署策略建議

綜上分析，LTE-U技術(shù)在非授權(quán)頻譜利用上具有比較的優(yōu)勢(shì)，但也存在標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程較晚、存量終端不支持等不足，需要提前試驗(yàn)、準(zhǔn)備的工作也不少，運(yùn)營商還要考慮對(duì)前期Wi-Fi投資的保護(hù)，未來或在業(yè)務(wù)發(fā)展推動(dòng)、競爭驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行部署。

對(duì)中國移動(dòng)運(yùn)營商部署LTE-U的建議如下。

（1）首先應(yīng)推動(dòng)政策開放更多的非授權(quán)頻譜，以增加非授權(quán)頻譜使用者的共存空間以及LTE-U的效益。

（2) 近期積極參與標(biāo)準(zhǔn)化的制定和產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)，把握主動(dòng)權(quán)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)方向。

（3) 在2016年中開始技術(shù)試驗(yàn)，完成技術(shù)儲(chǔ)備和終端等必要的研究推進(jìn)工作。

（4) LTE-U技術(shù)試驗(yàn)成功后，選擇熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行規(guī)模試驗(yàn)，未來根據(jù)業(yè)務(wù)需求和終端成熟度逐步部署，形成對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的有益補(bǔ)充。

5　總結(jié)

非授權(quán)頻段資源的利用可以一定程度上解決無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量高速增長和移動(dòng)運(yùn)營商擁有的頻譜資源稀缺之間的矛盾，LTE-U捆綁授權(quán)頻譜及非授權(quán)頻譜，具有統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一網(wǎng)管和高頻譜效益等優(yōu)勢(shì)讓它在多種技術(shù)比對(duì)中脫穎而出，但從標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程上看仍有待時(shí)日，也面臨與Wi-Fi共存的挑戰(zhàn)和產(chǎn)業(yè)鏈成熟度的問題。移動(dòng)運(yùn)營商在考慮保護(hù)原有Wi-Fi投資的同時(shí)，須對(duì)LTE-U保持關(guān)注、積極參與、適時(shí)試點(diǎn)，把握主動(dòng)權(quán)，推動(dòng)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化制定和產(chǎn)業(yè)化往有利于網(wǎng)絡(luò)持續(xù)運(yùn)營的方向發(fā)展。

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Research on the technology and deployment strategy of LTE-U

CHEN Yong-hui, LI Mu-rong
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Guangdong Branch, Guangzhou 510623, China)

AbstractIn this paper, it analyzes the basic principle and industry development of LTE-U, also and the technical challenges of coexist technology with Wi-Fi fi rstly, and then it makes a comparison with the application technology of unlicensed bands such as LWA and ANDSF. In the end, it puts forward the deployment strategies and suggestions of LTE-U for the operators with the factor of spectrum policy and others.

Keywordsunlicensed bands; LTE-U; Wi-Fi; ANDSF

收稿日期：2015-06-29

中圖分類號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1008-5599（2016）02-0069-05