劉思嘉，黃曉舸，朱 帆，陳前斌

(重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶，400065)

LTE-U與WiFi在非授權(quán)頻段的共存方案研究

劉思嘉，黃曉舸，朱 帆，陳前斌

(重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶，400065)

無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長給有限的頻譜資源帶來新的挑戰(zhàn)。在當前的各種提高頻譜效率方案中，LTE-U(LTE in unlicensed spectrum，LTE-U)通信系統(tǒng)獲得了全球運營商的廣泛認可。作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，LTE-U運用載波聚合技術(shù)(carrier aggregation，CA)借助于非授權(quán)頻段對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行分流，以達到提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜利用率和增強用戶移動性的目的。然而，由于LTE-U和WiFi系統(tǒng)接入技術(shù)的不同，如何解決兩個系統(tǒng)之間的和諧共存成為LTE-U系統(tǒng)能否在非授權(quán)頻段上使用的關(guān)鍵。對LTE-U的相關(guān)背景知識、工作模式、載波聚合技術(shù)、LTE-U設(shè)計要點進行介紹。指出當前LTE-U和WiFi在共存問題上面臨的挑戰(zhàn)，并對當前LTE-U和WiFi系統(tǒng)在非授權(quán)頻段上共存的解決方案進行闡述分析和對比。對未來LTE-U和WiFi系統(tǒng)共存的研究方向進行了展望。

LTE-U；WiFi；載波聚合；共存方案；非授權(quán)頻段

0 引 言

隨著無線通訊技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的無線應(yīng)用豐富著人們的生活。高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長，給原本有限的頻譜資源提出了新的挑戰(zhàn)。根據(jù)預(yù)測，到2020年，無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)比起2010年將會增長1 000倍[1]。為此，業(yè)內(nèi)眾多公司，如華為[2]、高通[3]、愛立信[4]等，提出了將LTE系統(tǒng)移植在5 GHz非授權(quán)頻上使用的想法，即LTE-U。由于非授權(quán)頻段的傳輸性能并不穩(wěn)定，為了給用戶提供較高的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)，通常建議在LTE-U的基礎(chǔ)上使用載波聚合技術(shù)[5]。業(yè)界內(nèi)通常以LAA來代表采用了載波聚合技術(shù)的LTE-U系統(tǒng)。目前，3GPP(the 3rd generation partnership project)正致力于制定關(guān)于LTE系統(tǒng)在5 GHz非授權(quán)頻段上使用的各項標準事宜。2015年5月發(fā)布的Release 13的技術(shù)報告中對LTE-U載波聚合、LTE-U布置場景、設(shè)計目標和共存方案做了詳細的討論[6]。

盡管LTE-U具有眾多優(yōu)勢，但不可否認的是，LTE-U將會對現(xiàn)有WiFi系統(tǒng)造成很大的影響。谷歌在其一份遞交給美國聯(lián)邦通訊委員會(federal communications commission，F(xiàn)CC)的白皮書中得出了LTE-U不會是WiFi的好鄰居的結(jié)論[7]。近來，隨著業(yè)界對于LTE-U和WiFi共存方案研究的深入，已有文獻證明通過一定的機制以及對LTE-U的約束，可以達到二者的公平共存。本文在對LTE-U關(guān)鍵技術(shù)及研究前景進行概述的基礎(chǔ)上對LTE-U和WiFi系統(tǒng)共存的主要挑戰(zhàn)和目前研究的共存方案進行分析介紹，最后對未來的研究方向進行展望。

1 LTE-U概述

LTE-U是指在非授權(quán)頻段部署LTE系統(tǒng)，即同時使用授權(quán)與非授權(quán)頻段?，F(xiàn)有的非授權(quán)頻段主要有三段，即用于工業(yè)，科學和醫(yī)用2.4 GHz頻段、非授權(quán)國際信息設(shè)施5 GHz頻段，以及最新提出的28 GHz～60 GHz毫米波頻段?？紤]到現(xiàn)在的2.4 GHz頻段太過擁擠，WiFi的研究傾向于在5 GHz上展開，在5 GHz非授權(quán)頻段的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)滿足以下幾點要求。

1)傳輸能量限制。為了避免非授權(quán)頻段上不同接入技術(shù)之間互相干擾，并同時保證一定的傳輸質(zhì)量，對于不同使用場景下，規(guī)定了不同頻段的最大傳輸能量[8]。如歐洲地區(qū)和美國對于5.15 GHz～5.35 GHz的室內(nèi)無線接入節(jié)點的最大能量限制分別是23 dBm和24 dBm。

2)雷達信號保護。由于一些用于天氣預(yù)測和機場的雷達設(shè)備工作在5 GHz非授權(quán)頻段內(nèi)，所以對于其他接入技術(shù)來說，必須有效地避免接入雷達設(shè)備所占用的頻段。這種通過檢測雷達設(shè)備所占用的頻段并避開的機制稱為動態(tài)頻率選擇(dynamic frequency selection，DFS)[9]。

3)信道接入機制。LTE借助現(xiàn)有的物理層(physical layer, PHY)的層編碼和介質(zhì)訪問控制層(media access control, MAC)集中資源調(diào)度機制能實現(xiàn)很高的抗干擾能力。相比之下，采用MAC層競爭接入機制的WiFi系統(tǒng)將受到LTE-U的巨大沖激。為了保證WiFi用戶接入信道的機會，LTE-U接入信道之前須借助于“先聽后發(fā)”機制(listen before talk，LBT)[10]對信道是否空閑進行判斷，即LTE-U在接入非授權(quán)頻段前，先對非授權(quán)頻段進行空閑信道評估(clear channel assessment，CCA)，即對該信道進行能量檢測。若檢測的能量值小于預(yù)設(shè)閾值，則用戶可使用信道進行固定時間，即道占據(jù)時間(channel occupancy time)傳輸，若檢測的能量值大于預(yù)設(shè)閾值，則LTE-U用戶進行退避，直到檢測到信道空閑為止。有關(guān)于LBT的具體設(shè)置，歐洲電信標準協(xié)會(european telecommunications standards institute，ETSI)給出了規(guī)定，空閑周期的取值應(yīng)至少為信道占據(jù)時間的5%，而預(yù)設(shè)閥值則要根據(jù)干擾發(fā)射端的等效輻射功率(equivalent isotropically radiated power，EIRP)來確定，此值用PET來表示，LBT框架結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置如圖1所示。

參數(shù)取值范圍信道空閑評估時間最少20μs信道占用時間最少1ms,最多10ms空閑時間最少為信道占用時間的5%信道空閑閥值接收天線增益為0dBi情況下,閥值=-73dBm/MHz+23-PET

圖1 ETSI的LBT結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置
Fig.1 Structure of LBT and settings defined by ETSI

1.1 工作模式

由于LTE-U在5 GHz頻段上傳輸?shù)奶厥庑裕? GPP根據(jù)其特點和工作環(huán)境，提出了以下LTE-U的兩種工作模式[11]。

1)時分雙工傳輸模式(time division duplex，TDD)。TDD模式為LTE-U的備選傳輸模式。在TDD傳輸模式中，用戶用非授權(quán)頻段進行上下行數(shù)據(jù)傳輸。TDD模式一般用于上下行數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)大的情況，其特點是用戶在非授權(quán)頻段的上下行鏈路分別進行載波聚合。

2)補充下行傳輸模式(supplemental downlink，SDL)。SDL傳輸模式是3GPP重點研究的傳輸模式。在SDL傳輸模式中，非授權(quán)頻段只用于傳輸下行鏈路數(shù)據(jù)。上行鏈路和控制信道則繼續(xù)在授權(quán)頻段上傳輸，即只在下行鏈路進行載波聚合。SDL模式一般運用于下行業(yè)務(wù)量較大的場景，并且由于其實現(xiàn)更為簡單，因而適合于初步研究。

以上2種工作模式中，均采用了載波聚合(carrier aggregation，CA)技術(shù)來輔助其進行數(shù)據(jù)傳輸。CA技術(shù)可以使多個載波單元同時傳輸數(shù)據(jù)信號，因此當終端的某個數(shù)據(jù)鏈路發(fā)生切換或斷開時，用戶也不會完全與基站失去聯(lián)系，在一定程度提高了終端的移動性，同時降低了中斷概率。如圖2所示。

圖2 LTE-U用戶載波聚合方案Fig.2 Carrier aggregation scheme of LTE-U users

1.2 系統(tǒng)目標及功能要求

為了LTE-U能夠更好地利用非授權(quán)頻段，3GPP提出以下五點對LTE-U系統(tǒng)的要求[12]。值得說明的是，以下五點要求不一定需全部滿足。

1)先聽后發(fā)機制。該機制也稱為空閑頻道評估機制，即用戶在接入信道前應(yīng)該先對信道進行監(jiān)聽，確認空閑后再進行數(shù)據(jù)傳輸。

2)間斷傳輸。由于非授權(quán)頻段并不能時刻保證信道一直處于空閑狀態(tài)，當信道無法保持空閑時，數(shù)據(jù)傳輸會被中斷。此外，在某些地區(qū)，如歐洲和日本，對傳輸時間有著嚴格的限定。因此LTE-U必須具備在有限時間內(nèi)，在一個載波上間斷傳輸?shù)墓δ堋?/p>

3)DFS。LTE-U在特定的頻段或者區(qū)域內(nèi)，可以通過DFS來避免雷達信號。

4)載波選擇。由于在非授權(quán)頻段上有許多可用的載波，因此LTE-U需要具備從眾多可用載波中選擇干擾最小、最易于與其他用戶和諧共存的載波的能力。

5)傳輸功率控制。即基站和用戶可以將其發(fā)射功率減少為最大發(fā)射功率的一半及以上，以此來減少干擾并延長電池的使用壽命。

2 LTE-U共存挑戰(zhàn)

LTE-U通過借助于CA技術(shù)，實現(xiàn)了授權(quán)頻段載波及非授權(quán)頻段載波聚合，使得用戶能夠在LTE系統(tǒng)架構(gòu)下同時使用授權(quán)頻段及非授權(quán)頻段。與傳統(tǒng)方式相比，LTE-U不僅能實現(xiàn)授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的無縫切換，同時也能帶來系統(tǒng)容量的增長，然而這將會對工作在5 GHz非授權(quán)頻段上的WiFi系統(tǒng)產(chǎn)生很大的威脅。研究結(jié)果表明，在不對現(xiàn)有的協(xié)議做任何改動的情況下， LTE-U和WiFi系統(tǒng)同時傳輸數(shù)據(jù)時，留給WiFi系統(tǒng)接入信道的時間太短，以至于出現(xiàn)WiFi用戶很多時候都無法接入信道的情況[13]。除此之外，有研究結(jié)果指出，如果不對LTE-U進行任何限制，在特定場景下，WiFi用戶將會有超過96%的時間都處于監(jiān)聽狀態(tài)[14]。因此，LTE-U和WiFi系統(tǒng)的和諧、公平共存是目前急待解決的關(guān)鍵問題之一。

2.1 共存關(guān)鍵問題

關(guān)于LTE-U和WiFi共存的問題是業(yè)界一直以來討論的熱點，LTE-U和WiFi的共存面臨著許多挑戰(zhàn)，總結(jié)起來主要表現(xiàn)為3個方面：MAC層和PHY層不同的干擾管理機制；非授權(quán)頻段和授權(quán)頻段業(yè)務(wù)分配；多運營商之間共享非授權(quán)頻段[15]。

2.1.1 MAC層和PHY層不同的干擾管理機制

LTE-U和WiFi系統(tǒng)使用獨立不同的無線接入技術(shù)(radio access technology，RAT)決定了其在MAC層和PHY層截然不同的干擾管理機制。LTE-U采用是集中式MAC協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定基站在每一幀內(nèi)都將資源分配給能最大化目標指標的用戶。相比之下，WiFi在MAC層采用CSMA/CA機制，即每一個用戶在傳輸數(shù)據(jù)前必須監(jiān)聽信道，只有當信道空閑并滿足一定條件時，才可接入信道，否則需要選擇回退窗口進行回退，直到檢測到信道空閑。當LTE-U和WiFi共同使用非授權(quán)頻段時，由于LTE-U的MAC層機制并不考慮碰撞問題，故LTE-U將一直占據(jù)信道，而WiFi將長時間處于信道監(jiān)聽回退狀態(tài)，通信質(zhì)量受到嚴重影響。

除此之外，LTE-U和WiFi的物理層結(jié)構(gòu)也有所不同，LTE-U的物理層采用了正交頻分復用多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)技術(shù)，系統(tǒng)帶寬通常為1.4 MHz～20 MHz，帶寬又劃分為一系列的物理資源塊(physical resource blocks，PRBs),每一個物理資源塊含有12個OFDMA子載波。通過將不同的物理資源塊在同一幀中分配給不同的用戶，LTE-U系統(tǒng)可以獲得用戶分集增益。WiFi系統(tǒng)在物理層采用了正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技術(shù)，但基于CSMA/CA機制，每個信道每次只允許一個用戶進行傳輸，該用戶傳輸時會全部占用20 MHz的信道，LTE-U和WiFi系統(tǒng)的PHY層資源配置情況[16]，如圖3所示。

圖3 LTE-U和WiFi系統(tǒng)PHY層資源配置情況Fig.3 Resource allocation of PHY in LTE-U and WiFi system

鑒于LTE-U和WiFi系統(tǒng)在MAC層和PHY層的不同，兩者之間的資源分配必須高效和智能。

2.1.2 非授權(quán)頻段和授權(quán)頻段業(yè)務(wù)分流

LAA中的CA技術(shù)，使其可以利用非授權(quán)頻段來承擔部分從授權(quán)頻段分流過來的業(yè)務(wù)，為了在分流業(yè)務(wù)的同時盡可能地保證WiFi用戶的傳輸質(zhì)量，LBT機制被廣泛地應(yīng)用于各種WiFi系統(tǒng)和LTE-U的共存方案之中，即LTE-U并不能“隨心所欲”地接入非授權(quán)頻段，而是必須根據(jù)檢測結(jié)果決定是否接入非授權(quán)頻段。因此，LTE-U在非授權(quán)頻段上的傳輸性能非但不會一直維持某一個水平，反而會隨著時間而變化。而現(xiàn)實中，LTE-U的業(yè)務(wù)分流受多種因素制約，一方面如果LTE-U將更多的業(yè)務(wù)分流到非授權(quán)頻段上，可以大幅提高頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率；另一方面，由于LTE-U在非授權(quán)頻段上傳輸性能不穩(wěn)定，QoS難以保證。因此，非授權(quán)頻段和授權(quán)頻段業(yè)務(wù)的合理分配以及在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如何進行業(yè)務(wù)分流等問題亟需解決。

2.1.3 多運營商之間共享非授權(quán)頻段

由于非授權(quán)頻段的開放性，未來必將會出現(xiàn)多個運營商共享非授權(quán)頻段的情況。屆時，除了考慮多運營商之間非授權(quán)頻段資源合理分配以確保不同運營商的用戶接入機會公平以外，干擾管理方面的問題也不容忽視。

1)RAT間干擾管理。為了減小LTE-U和WiFi系統(tǒng)之間的干擾，實現(xiàn)和諧共存，必須設(shè)計出一種可以高效管理RAT之間的干擾機制。傳統(tǒng)的干擾管理思想一般從資源分配的角度出發(fā)，通過對時間、頻率、空間、碼型進行分配，從而達到RAT之間的干擾可控，如現(xiàn)有的LBT方案，通過對時間資源進行分配從而實現(xiàn)LTE-U和WiFi的共存和干擾管理，除此之外，從頻段角度出發(fā)的DFS機制也可用于LTE-U和WiFi之間的共存。

2)RAT內(nèi)部干擾管理。為了使多個運營商之間協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)之間必須實現(xiàn)信息高效共享功能，快速的信息共享有利于消除RAT內(nèi)部干擾，并且也可以確保RAT內(nèi)部的接入公平。如果無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的高度信息共享，則可借助LBT聯(lián)合互相關(guān)檢測(cross correlation detection，CDD)來消除干擾[17]。

3 LTE-U和WiFi共存方案對比

近年來，為滿足移動通信急劇增長的數(shù)據(jù)量需求，LTE-U和WiFi的共存機制成為了當前業(yè)界研究熱點之一。目前文獻有三種主流方案：基于占空比共存方案[18]、基于解碼的技術(shù)共存方案[19]和基于空白幀共存方案[20]。

3.1 基于占空比(duty cycle，DC)共存案

為了盡量使用現(xiàn)有標準和技術(shù)，美國有線電視實驗室(Cable Labs)在3GPP RAN#64次會議上提出了基于時分復用的動態(tài)占空比共存方案，該方案通過在時間上將LTE-U和WiFi進行“彼此隔離”，從而達到互不干擾的目的。具體方法為在每一個固定的Duty-cycle里，將時間依次分給LTE-U和WiFi用戶傳輸，即當LTE-U用戶傳輸時，WiFi用戶不能傳輸，反之亦然。其中，LTE-U和WiFi用戶占用信道的時間可根據(jù)WiFi網(wǎng)絡(luò)的負載進行動態(tài)調(diào)整。

值得一提的是，表面上DC方案通過對時間資源的分配從而達到了LTE-U和WiFi系統(tǒng)的共存，但DC方案中并沒有要求LTE-U用戶在接入非授權(quán)頻段前對信道狀態(tài)進行判斷，這就導致當LTE-U開始傳輸時，出現(xiàn)打斷WiFi信號傳輸，引起誤幀率上升以及WiFi數(shù)據(jù)傳輸速率下降等情況。因此，為了避免出現(xiàn)以上情況，DC方案一般建議與LBT機制結(jié)合進行，即在每一個LTE-U周期開始對信道進行評估檢測，確認信道空閑后，再接入利用信道，如圖4所示。

圖4 結(jié)合LBT的DC共存方案Fig.4 Coexistence scheme of DC combined with LBT

由于DC方案需要LBT進行信道的CCA，考慮到在一些地區(qū)(如美國、中國和韓國)并未對非授權(quán)頻段上是否使用LBT進行強制規(guī)定，高通在文獻[21]中提出了一種基于DC方案的改進方案，即載波感知自適應(yīng)傳輸(carrier sensing adaptive transmission，CSAT)方案。方案中，小蜂窩先對信道感知10 s～200 s，根據(jù)信道感知結(jié)果，按照一定比例中斷LTE-U數(shù)據(jù)傳輸，并將余下傳輸時間分配給WiFi用戶。

CSAT方案中，LTE-U基站通過周期性掃描非授權(quán)頻段，尋找出最“干凈”的信道，即干擾較小的信道，用于SDL載波傳輸，并且一旦找到更為“干凈”的信道，則SDL的傳輸將會轉(zhuǎn)移至該信道上進行。如果并不存在干凈信道，LTE-U則通過CSAT算法和WiFi用戶共享信道。如果此時用戶或小區(qū)的業(yè)務(wù)量較低，用戶可關(guān)閉其SCC。由于LTE-U用戶的重要信息都在PCC上傳輸，故關(guān)閉SCC不會中斷用戶與基站之間的通信，還可減少對其他信道的干擾，便于后續(xù)信道選擇。

DC方案與CSAT方案都允許動態(tài)調(diào)整LTE-U和WiFi各自的傳輸時間，在靈活性和公平性方面都有不錯的表現(xiàn)。兩相比較，CSAT方案中采用動態(tài)調(diào)整SCC機制，有效減少對WiFi節(jié)點的干擾，也為后續(xù)的信道選擇提供了有力的保障。

CSAT方案采用基于時分復用的方式，適應(yīng)場景較為靈活，且在密集蜂窩部署下依舊有不錯的表現(xiàn)，WiFi用戶的平均吞吐量提升可達到46%[21]。綜上所述，CSAT方案的主要優(yōu)點：應(yīng)用場景靈活、SCC可動態(tài)調(diào)節(jié)、不需修改現(xiàn)有協(xié)議、LTE-U和WiFi傳輸時間靈活可調(diào)。該方案的主要缺點：流程較為復雜、對載波感知準確性要求高、未進一步對LTE-U或WiFi的傳輸性能進行優(yōu)化。下一步的改進方向：

1)優(yōu)化信道選擇時機。CSAT方案中,為了保證當前信道最為“干凈”，用戶一直在進行信道選擇，并不斷地向更為“干凈”的信道進行轉(zhuǎn)移，而實際操作中，并不需要時刻保證當前信道最為“干凈”，只需要當用戶找不到較為干凈的信道時，進行信道選擇即可。這樣一來，雖不能保證用戶時刻處于最為“干凈”的信道，但極大降低了方案的復雜度，并將用戶的傳輸性能控制在了一定的范圍內(nèi)。

2)優(yōu)化LTE-U和WiFi的傳輸性能。在CSAT方案中，并未對整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量進行優(yōu)化。未來可研究既保證LTE-U和WiFi之間的公平性，又提高LTE-U和WiFi網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量的優(yōu)化算法。

3.2 基于解碼的技術(shù)共存方案

文獻[19]中作者首先介紹了一種新的WiFi載波監(jiān)聽方案(carrier sensing under LTE interference，CSULI)，該方案在保留原有的CSMA/CA功能的同時，WiFi用戶可以與LTE-U用戶同時傳輸。文獻[19]中指出，雖然LTE-U和WiFi的標準帶寬都是20 MHz，但實際上它們真正使用的帶寬分別是18 MHz和16.25 MHz，并在頻段兩端各預(yù)留出了0.875 MHz的邊界帶寬，如圖5所示。

圖5 LTE-U和WiFi帶寬占用情況Fig.5 Bandwidth distribution of LTE-U and WiFi

通過借助LTE-U的邊界帶寬內(nèi)參考信號，計算出LTE-U的邊界帶寬，并以此為切入點，依次進行循環(huán)和動態(tài)步長快速傅立葉變換(fast fourier transformation，F(xiàn)FT)得出LTE-U和WiFi信道參數(shù)，最終解決LTE-U和WiFi共存問題。解碼技術(shù)共存方案通過修改傳統(tǒng)WiFi的CSMA/CA機制，既保證了WiFi用戶既和LTE-U用戶共存，同時又不會出現(xiàn)多個WiFi用戶在同一信道上同時傳輸?shù)那闆r，有效的解決了LTE-U和WiFi公平共存問題。

該方案適應(yīng)場景較為靈活，且在各種場景下對于LTE-U和WiFi的公平性要求都能很好的滿足，通過修改WiFi的CSMA協(xié)議，使得LTE-U和WiFi可同時傳輸。同時，解碼技術(shù)的使用，使得接收端可實現(xiàn)不同信號的完全分離。綜上所述，基于解碼方案的主要優(yōu)點為應(yīng)用場景靈活、信道估計高效、公平性高、不需LBT和載波監(jiān)聽、資源利用率高，該方案的主要缺點需修改WiFi協(xié)議、未進一步對LTE-U或WiFi的傳輸性能優(yōu)化。下一步的改進方向如下。

1)修改LTE-U協(xié)議。由于WiFi已廣泛普及，基于解碼方案中提出的修改WiFi協(xié)議實現(xiàn)較為困難。目前，提案考慮修改LTE-U協(xié)議，將LTE-U視為特殊的WiFi用戶并和WiFi用戶一起進行信道競爭以此保證傳輸?shù)墓叫浴?/p>

2)優(yōu)化LTE-U或WiFi指標。基于解碼方案很好地解決了LTE-U和WiFi之間的共存問題，但是對其他方面的性能，如QoS，卻沒有進行研究，未來可以考慮根據(jù)用戶業(yè)務(wù)優(yōu)先級或業(yè)務(wù)類型對LTE-U和WiFi系統(tǒng)性能做進一步提升。

3.3 基于空白幀的共存方案

基于空白幀的共存方案是受到LTE Release10中提出的將幾乎空白幀(almost blank subframe，ABS)用于增強的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(enhanced inter-cell interference coordination，EICIC)的啟發(fā)，并在ABS的基礎(chǔ)上進行改進，從而實現(xiàn)LTE-U和WiFi共存的方案。

文獻[20]中提出，LTE-U會在其幀結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)立空白子幀(blank subframe，BS)，這些BS將專門用于WiFi用戶的數(shù)據(jù)傳輸，故不會受到LTE-U干擾，從而達到LTE-U和WiFi用戶共存的目的，具體方式如圖6所示。

子幀號共存時間01234567890msDSUUDDSUUD1msDSWUDDSUUD2msDSWWUUSUUD

圖6 基于空白幀的共存方案

Fig.6 Coexistence scheme based on blank subframe

圖6中，D代表下行子幀，S代表特殊子幀，U代表上行子幀，W代表共存幀，即WiFi占用的幀。該方案通過設(shè)置LTE-U幀內(nèi)個別子幀為BS，從而實現(xiàn)WiFi用戶獨立無干擾的傳輸，在一定程度上解決了LTE-U和WiFi的共存問題。然而在實際上，LTE-U一個子幀長度為1毫秒，WiFi在使用BS時，先要進行載波監(jiān)聽來確保其他WiFi用戶沒有使用信道，如果此時恰好所有WiFi用戶都處于回退狀態(tài)，無疑會浪費掉這1 ms的BS。即使最終某一WiFi用戶經(jīng)過一段時間回退后終于接入信道，也可能出現(xiàn)此時預(yù)留的BS無法提供該WiFi用戶所需的傳輸時間，導致WiFi用戶數(shù)據(jù)信息缺失的現(xiàn)象。

該方案采用時分復用的共存方式，適用于吞吐量變化較慢的場景，LBT和空白幀的結(jié)合使WiFi用戶的吞吐量提高10%～23%[20]。綜上所述，基于空白幀方案的主要優(yōu)點為：復雜度較低，易改進；主要缺點：適用場景較為單一、未對網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量進行考慮。下一步的改進方向：

1)信息共享。LTE-U和WiFi系統(tǒng)必須共享各自傳輸相關(guān)信息，通過傳輸信息共享，可以明確WiFi的傳輸狀態(tài)，決定何時預(yù)留出BS。

2)動態(tài)BS調(diào)整。BS數(shù)量必須根據(jù)LTE-U和WiFi的傳輸情況進行動態(tài)調(diào)整，當WiFi業(yè)務(wù)量較更大時，應(yīng)該增加BS配置，反之，則減少BS配置。

3)整體吞吐量控制。對BS個數(shù)的最大值進行限制，使得整體網(wǎng)絡(luò)吞吐量不低于某一個特定數(shù)值。

以上3種方案，在解決LTE-U和WiFi共存問題方面各有千秋，其主要性能比較如表1所示。

表1 各方案主要性能比較

注： WiFi吞吐量提升的參考數(shù)值:不采用該共存方案時LTE-U和WiFi共存環(huán)境下的WiFi的吞吐量。

此外，在文獻[22-23]還提到相關(guān)LTE-U和WiFi共存方案。文獻[22]中提出了一種基于比例公平分配(proportional fair allocation scheme，PFAS)方案。該方案通過LTE-U基站對信道監(jiān)控來推斷出WiFi網(wǎng)絡(luò)的情況，隨后根據(jù)LTE-U和WiFi的吞吐量動態(tài)的調(diào)整LTE-U用戶接入信道的概率和接入信道后的傳輸時間，最終達到LTE-U和WiFi的公平共存。文獻[23]中提出的基于能量控制共存方案(uplink transmit power control，UTPR)，通過控制LTE-U用戶的上行傳輸能量，從而有針對性的減少對WiFi用戶的干擾，進而達到保護WiFi用戶接入信道的機會實現(xiàn)LTE-U和WiFi公平共存的目的。

4 總結(jié)及展望

本文首先對介紹了LTE-U的相關(guān)背景知識、技術(shù)難點及設(shè)計要求，隨后在此基礎(chǔ)上，分析目前3種LTE-U和WiFi系統(tǒng)在非授權(quán)頻段上共存方案，通過對各方案的特點進行比較，指出3種方案各自的優(yōu)勢和不足。從目前研究現(xiàn)狀來看，LTE-U和WiFi之間的共存方案主要通過資源分配以及修改接入機制等方式展開。有關(guān)于LTE-U和WiFi的共存研究目前仍在密切的進行，在接下來的研究工作中，以下幾方面值得重點關(guān)注和進一步探討：

1)新型共存方案。理想的共存方案首先要保證共存的公平性，并具有可提升LTE-U和WiFi的性能和降低方案操作復雜度等特點。關(guān)于公平性，可從以下3種思路進行考慮，一是將LTE-U視為特殊的WiFi用戶，采用和WiFi用戶一樣的CSMA競爭接入方式進行共存；二是利用WiFi用戶相互碰撞后退的時間間隙來進行LTE-U傳輸，即LTE-U用戶僅在當WiFi用戶進行碰撞回退的空閑時間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，這樣既可避免對WiFi用戶產(chǎn)生干擾，達到公平共存的目的，又可盡最大可能降低方案復雜度；最后一種是對空白幀方案從文中所提及的幾點進行優(yōu)化，則可以避免修改協(xié)議，同時降低LTE-U和WiFi的相互干擾，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。

2)信道感知。LTE-U和WiFi共存的公平性，很大程度上依賴于信道感知的可靠性。目前大多共存方案，都將LBT作為必不可少的組成部分，高效正確的信道感知可為LTE-U和WiFi之間信道分配提供有力的依據(jù)，并且可以最大程度的保證LTE-U和WiFi傳輸可靠性和公平性。目前，有關(guān)于信道感知的共存方案，有基于簡單LBT共存方案[24]以及邊聽邊發(fā)(listen and talk)共存方案[25]，前者在傳輸之前通過對信道進行感知，從而決定接入與否，后者則是在傳輸時對信道進行感知，以此來達到減少碰撞時間并提高WiFi網(wǎng)絡(luò)的性能目的。

3)業(yè)務(wù)預(yù)測。由于WiFi傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量呈動態(tài)變化，提前對WiFi業(yè)務(wù)進行預(yù)測，可降低由于WiFi傳輸業(yè)務(wù)量動態(tài)變化導致的頻譜資源浪費的情況。例如在基于空白幀的共存方案中，空白幀數(shù)量應(yīng)根據(jù)WiFi業(yè)務(wù)量的多少進行調(diào)整，提前對WiFi業(yè)務(wù)量進行預(yù)測，便于后續(xù)合理安排空白幀數(shù)目，提高頻譜資源利用率。根據(jù)具體傳輸?shù)膱鼍?，設(shè)計出相應(yīng)的業(yè)務(wù)預(yù)測模型，依據(jù)預(yù)測結(jié)果和信道感知做出LTE-U或WiFi傳輸時機的判斷，根據(jù)后續(xù)的實際檢測對預(yù)測結(jié)果進行動態(tài)的修正。雖然一定程度上增加了方案的復雜程度，但可使得方案適用場景更為靈活并提高資源利用率，對LTE-U的WiFi共存的公平性也有更大的保證。

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(編輯：張 誠)

Study on coexistence schemes of LTE-U and WiFi on unlicensed bands

LIU Sijia, HUANG Xiaoge, ZHU Fan, CHEN Qianbin

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

The fast growth of mobile data has brought new challenges on the limited spectrum resource. To address this issues, the LTE-U is adopted as one of the promising solutions by global operators. As being one of the key technologies in Fifth-generation(5G) network, LTE-U could provide a higher transmission rate, spectrum efficiency as well as seamless mobile user experience by taking advantage of the Carrier Aggregation(CA) technology. In particular, the most critical issue of LTE-U is in coexistence with WiFi systems, due to the differences in radio access technology between these two systems. In this paper, we introduce the background and the key technologies of LTE-U, including the operating mode of LTE-U, the CA technology and the requirements in the system design. Furthermore, we point out the primary challenges in the coexistence between LTE-U and WiFi systems, and summarize the proposed coexistence schemes in literature. Finally, we discuss the possible research areas in the future.

LTE-U; WiFi; carrier aggregation; coexistence scheme; unlicensed band

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.02.007

2016-01-12

2016-04-01 通訊作者：黃曉舸 huangxg@cqupt.edu.cn

國家自然科學基金(61401053)；863項目(2014AA01A701)；長江學者創(chuàng)新研究團隊(IRT1299)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China(61401053)；The 863 project No.2014AA01A701；The Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299)

TN915.81

A

1673-825X(2017)02-0182-08

劉思嘉(1993-)，女，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生。主要研究方向移動通信技術(shù)、LTE-U和WiFi共存方案等。E-mail: 564087757@qq.com。

黃曉舸 (1982-)，女，重慶人，博士，重慶郵電大學副教授，主要研究方向移動通信技術(shù)、認知無線電動態(tài)頻譜分配等。 E-mail: huangxg@cqupt.edu.cn。

朱 帆(1992-)，女，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向為認知無線電網(wǎng)絡(luò)中資源分配問題等。E-mail：zhufan_zf@163.com。

陳前斌(1967-)，男，四川營山人，男，博士，重慶郵電大學教授、博士生導師，重慶郵電大學通信與信息工程學院院長，主要研究方向為新一代移動通信系統(tǒng)、未來網(wǎng)絡(luò)、LTE-Advanced 異構(gòu)小蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。E-mail: chenqb@cqupt.edu.cn。