周 昆，秦子超，李艾靜，孫靜怡

（陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代的來臨，全球移動流量呈現(xiàn)爆炸性增長的趨勢[1]。但是頻譜資源有限，民眾對移動數(shù)據(jù)流量巨大需求使得通信系統(tǒng)為用戶提供服務(wù)質(zhì)量保證（Quality of Service，QoS）充滿挑戰(zhàn)。為了緩解日益增長的通信系統(tǒng)壓力，學界和工業(yè)界提出了多種解決方案。其中，提高頻譜資源的利用率和開發(fā)更多的授權(quán)頻譜資源是有效的解決方案。針對前者發(fā)展出了載波聚合[2]和頻率復用[3]技術(shù)。這些技術(shù)雖然能提高通信系統(tǒng)的容量，但作用有限。而對于后者，隨著各種無線通信的發(fā)展，可用的授權(quán)頻段已變得十分擁擠。這就使得無線運營商將目光轉(zhuǎn)到非授權(quán)頻段。非授權(quán)頻段主要指2.4GHz和5GHz頻段，可用頻譜資源豐富，同時具有開放性和良好的傳播特性，為無線運營商提供了一個解決頻譜資源短缺問題的可行性方案[4]。

非授權(quán)頻段長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)是無線運營商為緩解通信系統(tǒng)容量壓力而發(fā)展出的在非授權(quán)頻段運行的LTE技術(shù)。雖然非授權(quán)頻段頻譜資源豐富，但是當前主要由IEEE 802.11系列標準使用[5]（人們習慣用 無線保真（Wireless Fidelity，WiFi））技術(shù) 來代指 802.11 系列標準協(xié)議。下文不做特殊說明將IEEE 802.11系列標準統(tǒng)稱WiFi）。WiFi主要采用基于分布式控制 功 能（Distributed Coordination Function，DCF）的載波偵聽多路訪問/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）接入機制，而LTE技術(shù)采用基于調(diào)度的連續(xù)傳輸機制。由于接入機制的不同，如果直接將LTE技術(shù)引入非授權(quán)頻段，勢必會對WiFi網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。因此非授權(quán)頻段LTE技術(shù)面臨的最大的挑戰(zhàn)是與WiFi的友好共存問題，學術(shù)界和工業(yè)界針對此問題提出了多種解決方案。本文主要對當前非授權(quán)頻段LTE與WiFi共存技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，同時展望未來總結(jié)以后可能的發(fā)展方向。

本文的組織結(jié)構(gòu)如下，第1章對當前非授權(quán)頻段主要的IEEE 802.11協(xié)議進行介紹，第2章介紹當前的非授權(quán)頻段的LTE技術(shù)的研究現(xiàn)狀，第3章展望未來LTE與WiFi在非授權(quán)頻段共存技術(shù)的發(fā)展趨勢。第4章總結(jié)全文。

表1 IEEE 802.11系列標準

1 IEEE 802.11標準

自1997年第一個版本的無線局域網(wǎng)標準IEEE802.11制定以來，隨著技術(shù)的發(fā)展以及實際的需求，IEEE 802.11標準得到迅速發(fā)展[5]。目前已經(jīng)發(fā)展出多個版本。如表1所示，為當前常用的IEEE 802.11系列標準。

IEEE802.11系列標準主要采用的是基于DCF的載波監(jiān)聽多路訪問沖突避免的信道接入機制。在發(fā)送信息之前，每個節(jié)點都會監(jiān)聽信道，如果發(fā)現(xiàn)信道空閑，為了避免與其他節(jié)點產(chǎn)生沖突，節(jié)點按照退避算法開始退避，退避計時結(jié)束后節(jié)點接入信道進行傳輸。如果在退避的過程中，節(jié)點檢測到信道被占用，則結(jié)束退避算法重新監(jiān)聽信道。直到信道空閑再次進入退避。

IEEE802.11a/b作為IEEE802.11的補充版本于1999年問世。802.11a工作在5 GHz頻段，其物理層數(shù)據(jù)傳輸速率高達54 Mbit/s。802.11b工作在2.4 GHz頻段，物理層傳輸速率為11 Mbit/s。802.11g同時兼顧了802.11a和802.11b，使用2.4 GHz頻段，采用的調(diào)制方式包括802.11a所采用的正交頻分復用調(diào)制（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）以及802.11b中的補碼鍵控調(diào)制（Complementary Code Keying，CCK）。因此802.11g在2.4 GHz頻段既實現(xiàn)IEEE 802.11a 54 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，同時也確保了與IEEE 802.11b產(chǎn)品的兼容，可以很好的保證原有的WiFi系統(tǒng)向高速WiFi系統(tǒng)過度。

為了進一步提高WiFi的速率，802.11n采用了多輸入多輸出技術(shù)（Multiple Input Multiple Output，MIMO）。MIMO是802.11n提高網(wǎng)速的關(guān)鍵技術(shù)，它通過在發(fā)射器和接收器上安裝多個天線，使用空間分集和空間復用的方式來提高可靠性和數(shù)據(jù)的傳輸速率。同時802.11n還支持更高的調(diào)制和編碼方案，可支持64QAM編碼方式，碼率5/6。在以往的WiFi中只支持20 MHz的信道帶寬，而802.11n引入信道捆綁方式，可以綁定兩個相鄰的信道從而形成一個帶寬為40 MHz的合成信道。主信道用于發(fā)送WiFi的控制信息，次信道用于數(shù)據(jù)傳輸。因此，當采用40 MHz帶寬4×MIMO時，802.11n理論傳輸速率可達600 Mbit/s。在兼容性方面，802.11n同時支持2.4 GHz和5 GHz頻段，保證了不同設(shè)備與技術(shù)之間的兼容。

802.11ac在2013年底正式發(fā)布，是802.11n的下一代無線局域網(wǎng)標準，作為802.11n的繼承者，802.11ac擴展了802.11n的空中接口，采用更多的MIMO空間流以及信道帶寬。802.11ac最多支持8個MIMO空間流，同時采用高密度調(diào)制方案，高達256QAM，碼率為5/6。在信道帶寬方面，802.11ac通過信道捆綁最多支持160 MHz帶寬。因此，802.11ac相對于以往的802.11標準在信道容量和傳輸速率方面得到了極大的提升。

除了上述主要的802.11標準，下一代無線局域網(wǎng)標準802.11ax有望在2019年標準化，將提供更高的網(wǎng)絡(luò)容量以及傳輸速率，為信息化社會的發(fā)展提供技術(shù)保障。

2 非授權(quán)頻段LTE技術(shù)研究現(xiàn)狀

非授權(quán)頻段LTE技術(shù)在非授權(quán)頻段運行，出了保證不對WiFi產(chǎn)生干擾之外，還需要保證LTE通信系統(tǒng)的性能。當前對非授權(quán)頻段的LTE技術(shù)的研究主要集中在以下幾個方面。

2.1 LTE-U技術(shù)

2.1.1 LTE-U信道接入機制

為了提升通信系統(tǒng)的容量，2013年高通聯(lián)合愛立信等公司提出在非授權(quán)頻段運行的LTE-U技術(shù)（LTE-Unlicensed）。之后，致力于解決LTE與WiFi共存問題的LTE-U技術(shù)的項目組成立。到2016年，工業(yè)界逐漸完善了LTE-U技術(shù)，并寫入3GPP標準Rel 10/11/12。LTE-U技術(shù)可以直接應(yīng)用到授權(quán)設(shè)備中，對授權(quán)設(shè)備的更改極小。這就大大減低了運營商的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，對于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到了一定的推動作用。但是LTE-U技術(shù)未使用“先聽后說”（Listen Before Talk，LBT）機制，因此只適用于中國、美國和韓國等非LBT的國家和地區(qū)。LTE-U技術(shù)的關(guān)鍵是利用載波聚合技術(shù)來整合授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段的頻譜資源。為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，LTE-U技術(shù)只將非授權(quán)頻段作為次要頻譜用來補充下行鏈路傳輸，而控制信息和上行鏈路傳輸則在授權(quán)頻段上進行。為了實現(xiàn)在非授權(quán)頻段LTE-U與WiFi及其他LTE-U用戶的共存，如圖1所示，高通在其白皮書中提出了新的信道接入機制[6]。LTE-U用戶根據(jù)蜂窩負載的高低來決定是否接入非授權(quán)頻段信道。為了避免對正在傳輸?shù)腖TE和WiFi網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，LTE-U用戶在傳輸之前首先掃描非授權(quán)頻段信道來尋找“干凈”的信道進行傳輸。同時在傳輸?shù)倪^程中，基站會周期性檢測信道，如果發(fā)現(xiàn)此信道的傳輸被干擾并且存在其他的“干凈”信道，則LTE用戶就切換到新的信道上進行傳輸。

圖1 LTE-U技術(shù)信道接入流程

2.1.2 基于占空比的LTE與WiFi共存

在LTE和WiFi用戶比較密集的區(qū)域，可供LTE-U用戶使用的信道會出現(xiàn)不足。在這種情況下就需要采用占空比的方式來實現(xiàn)LTE與WiFi的共存。所謂占空比就是在時域上將非授權(quán)頻段分為多個傳輸周期，每個傳輸周期內(nèi)LTE與WiFi交替?zhèn)鬏?。如圖2所示，在每個傳輸周期內(nèi)，LTE-U傳輸在LTE ON階段進行，在LTE OFF階段，WiFi用戶則通過競爭使用信道。文獻[7]討論了不同固定占空比下LTE-U和WiFi用戶的網(wǎng)絡(luò)性能，實驗結(jié)果表明，LTE和WiFi網(wǎng)絡(luò)的性能受占空比的影響較大，因此固定占空比方式無法有效利用非授權(quán)頻段資源。

圖2 基于占空比的LTE與WiFi共存模型

在高通的信道接入機制中使用的是基于載波監(jiān)聽自適應(yīng)傳輸（Carrier Sensing Adaptive Transmission，CSAT）的占空比方式。LTE-U基站通過WiFi監(jiān)聽模塊來偵聽非授權(quán)頻段信道的利用情況，同時根據(jù)環(huán)境的變化來自適應(yīng)調(diào)整WiFi和LTE網(wǎng)絡(luò)的占空比和傳輸周期。目前，CSAT技術(shù)已經(jīng)寫入現(xiàn)行的LTE標準Rel 10中。文獻[8-9]分別討論了在不同的CSAT周期和占空比下的系統(tǒng)性能。Cano等人推導出基于CSAT和LBT共存的吞吐量模型，將吞吐量作為調(diào)整CSAT占空比的依據(jù)，從而來保證LTE和WiFi系統(tǒng)的公平性[10-11]。文獻[12-13]根據(jù)不同系統(tǒng)目標，來提供LTE與 WiFi共存的最佳占空比方案。文獻[14-15]通過強化學習的方式來根據(jù)通信環(huán)境的變化來自適應(yīng)調(diào)整占空比。這種方式可以有效地保障LTE-U和WiFi用戶的公平性，通過仿真驗證，強化學習算法可以在保證公平性的前提下提高系統(tǒng)的吞吐量，使得非授權(quán)頻段頻譜資源的利用率得到明顯提升。

雖然CSAT技術(shù)是解決非授權(quán)頻段LTE與WiFi共存的有效手段，但仍舊存在一些問題。比如，為了保證CSAT的監(jiān)聽精度，通常CSAT的周期長達上百毫秒，這就會對WiFi網(wǎng)絡(luò)造成較大的延遲。Suna等人驗證了基于CSAT的WiFi和LTE共存中WiFi網(wǎng)絡(luò)的時延問題[16]。實驗結(jié)果表明當LTE ON過長時WiFi的時延顯著增加。同時，谷歌在其白皮書[17]中指出，當LTE ON階段開始時LTE-U不檢測信道而直接進行傳輸。如果此時有WiFi用戶正在傳輸，就會受到嚴重干擾，造成WiFi數(shù)據(jù)幀的接收錯誤，這將導致WiFi系統(tǒng)性能的急劇下降[10]。

2.2 基于LBT的LTE和WiFi共存

2.2.1 LAA系統(tǒng)的LBT結(jié)構(gòu)

在歐洲和日本等國家和地區(qū)，法律法規(guī)要求在非授權(quán)頻段的設(shè)備需要有LBT的能力，因此在這些國家和地區(qū)LTE-U技術(shù)將不再適用，只能采用基于LBT的LTE和WiFi共存。即LTE系統(tǒng)中的用戶或基站在傳輸之前首先監(jiān)測目標信道，若信道空閑，則用戶或基站接入信道進行傳輸，否則用戶或基站將進行退避。授權(quán)輔助接入（License Assisted Access，LAA）技術(shù)是一種具有LBT功能的非授權(quán)頻段LTE技術(shù)。在LAA系統(tǒng)中有兩種基本的LBT結(jié)構(gòu)：基于幀的LBT（Frame Based LBT，F(xiàn)BE）和基于負載的LBT（Load Based LBT，LBE）[18]。FBE使用固定幀周期，留有空閑子幀用于檢測信道，如圖3所示，在空閑子幀執(zhí)行信道評估檢測（Clear Channel Assessment，CCA），如果信道空閑，則在下一個子幀開始時就立刻進行傳輸。如果CCA檢測結(jié)果是信道繁忙，則在下一個幀周期的空閑子幀內(nèi)執(zhí)行CCA。在FBE中CCA窗口的時長是固定的，同時空閑時長不低于發(fā)射器總占用信道時長的5%，以保證其他競爭節(jié)點有足夠多的機會接入信道。

圖3 信道評估檢測

與FBE不同，使用LBE機制，當發(fā)射器有數(shù)據(jù)需要傳輸時就執(zhí)行CCA，如果執(zhí)行CCA期間檢測到信道空閑則初始化退避計時器，退避計時器計數(shù)遞減到0時，立即進行傳輸。如果在退避計時期間檢測到信道繁忙，則停止計時。當信道再次空閑時則重啟退避計時器，計時遞減到0就立即進行傳輸。

2.2.2 物理層LBT

當前學界對LBT機制的物理層研究主要有三種實現(xiàn)方案：無退避方式、碰撞退避方式和設(shè)置載波監(jiān)聽（Carrier Sense，CS）閾值方式[19]。無退避方式是基于幀結(jié)構(gòu)的LBT，無退避LBT方式中基站按照固定周期監(jiān)聽信道，發(fā)現(xiàn)信道空閑直接接入信道[20-21]。在這種方式下發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)前檢測信道是否空閑的時間長度是確定的。碰撞退避方式是基于負載結(jié)構(gòu)的LBT，目前已經(jīng)寫入3GPP Rel 13 中，與802.11協(xié)議類似，LTE基站在非授權(quán)頻段與WiFi節(jié)點競爭信道，如果信道碰撞率較高或者被占用，則LTE基站根據(jù)退避窗口（Contention Window，CW）退避，否則LTE接入信道開始傳輸[22]。碰撞退避方式中退避窗口一般分為兩種，固定窗口退避和動態(tài)窗口退避。針對固定退避窗口下的LTE和WiFi共存的性能，文獻[23-24]中以不同的優(yōu)化進行廣泛的討論，其中文獻[23]以系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標來獲得固定退避窗口的最優(yōu)解。固定退避窗口的大小跟碰撞的概率息息相關(guān)，因此可以通過改變窗口大小來調(diào)整LTE用戶和WiFi用戶的碰撞概率。為了進一步提高LTE和WiFi的共存性能，文獻[25-27]探討了LTE和WiFi在退避窗口動態(tài)可調(diào)情況下的性能。為了提高基于LBT協(xié)議系統(tǒng)的接入概率，文獻[25]提出了修改CW長度的解決方案，這種方式有效提升了共存系統(tǒng)的性能。文獻[26]提出一種基于動態(tài)調(diào)整CW長度的LBT算法，該算法以系統(tǒng)總吞吐量和公平性為優(yōu)化目標，為WiFi系統(tǒng)分配合理的空閑時間，在保證公平性的前提下，提高整個系統(tǒng)的吞吐量。文獻[27]為了提升LTE和WiFi共存系統(tǒng)的公平性和QoS，提出了一種CW長度自適應(yīng)算法，該算法在提高系統(tǒng)吞吐量的同時降低了WiFi系統(tǒng)的傳輸延遲。

設(shè)置閾值方式由歐洲電信標準協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提出，這種共存方式實際上是通過監(jiān)聽檢測信道上的干擾狀況（能量等級）來決定LTE系統(tǒng)是否接入信道。當信道上的能量低于預(yù)先設(shè)置的閾值時，LTE系統(tǒng)接入信道進行傳輸。同樣設(shè)置CS閾值方案也可分為固定CS閾值和動態(tài)CS閾值。文獻[24，28]分析了在不同固定CS閾值方案下WiFi和LTE共存系統(tǒng)的性能。針對LAA系統(tǒng)和WiFi系統(tǒng)的共存，文獻[29]提出了動態(tài)CS閾值的解決方案，在不同負載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中驗證評估不同CS閾值對系統(tǒng)性能的影響，通過設(shè)置自適應(yīng)CS閾值的方式來提升LAA系統(tǒng)和WiFi系統(tǒng)的吞吐量。

為了驗證基于LBT的LTE與WiFi系統(tǒng)共存的性能，文獻[30]建立一個基于馬爾科夫鏈的共存系統(tǒng)理論模型，計算不同的共存場景下的LAA和LAA以及LAA和WiFi系統(tǒng)的吞吐量性能，從實驗結(jié)果來看，在共存系統(tǒng)中LBT機制發(fā)揮了很好的作用，在LTE與WiFi的共存場景中，LBT機制有效提升了WiFi系統(tǒng)的性能。從以上工作可以出LBT機制在LTE和WiFi共存問題中具有較強的可行性和可操作性。但是由于LBT機制和WiFi系統(tǒng)的 DCF機制類似，同樣也會面臨與WiFi系統(tǒng)相似的問題，比如，當非授權(quán)頻段WiFi用戶較多時，LTE用戶的接入概率就會嚴重下降，從而影響LTE系統(tǒng)的性能。除此之外，LBT機制也會面臨隱終端等問題[31]。

2.3 LWA共存技術(shù)

LTE與WiFi聚合技術(shù)（LTE WLAN Aggregation，LWA）是2016年在3GPP無線接入網(wǎng)全體會議上提出的LTE與WiFi共存技術(shù)[32]。LWA技術(shù)可以使具有LTE和WiFi功能的設(shè)備使用這兩個功能模塊進行LTE業(yè)務(wù)。LWA技術(shù)使用WiFi模塊進行非授權(quán)頻段LTE數(shù)據(jù)傳輸主要通過WiFi的MAC層和物理層。LWA技術(shù)的主要思想是將LTE用戶的數(shù)據(jù)打包到802.11 MAC幀中然后發(fā)送到WiFi接入點（Access Point，AP），通過AP與LTE基站連接來轉(zhuǎn)發(fā)LTE數(shù)據(jù)。圖4為LWA共存技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，LTE數(shù)據(jù)主要分為兩類，一類使用LTE技術(shù)在授權(quán)頻段傳輸，另一種通過WiFi技術(shù)通過隧道協(xié)議在非授權(quán)頻段傳輸。WiFi設(shè)備即使攜帶的是LTE數(shù)據(jù)，AP也可以將其視為WiFi流量，經(jīng)過解碼然后轉(zhuǎn)發(fā)到LTE基站中。LWA技術(shù)就是通過這種方式來緩解LTE和WiFi信道接入機制不同所帶來的問題。

圖4 LWA共存技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于LTE和WiFi接入機制的不同，LWA需要特殊的接口來實現(xiàn)連接。LTE基站與AP主要通過Xw接口進行連接，在Rel 13中，LWA技術(shù)中WiFi對LTE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要面向下行鏈路，Rel 14中進行了完善，也可支持上行鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)。在Rel 13中，LTE數(shù)據(jù)的封裝和重組通過分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）在PDCP層進行。在接收核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)后，一部分數(shù)據(jù)通過LTE接口傳輸，而另一部分數(shù)據(jù)LTE基站會根據(jù)當前空閑AP數(shù)目和鏈路質(zhì)量等因素來選擇合適的AP進行轉(zhuǎn)發(fā)。通過AP轉(zhuǎn)發(fā)的LTE數(shù)據(jù)基站會在PDCP層將其拆分，然后封裝到WiFi的MAC幀中。經(jīng)由AP的轉(zhuǎn)發(fā)，MAC幀中的LTE數(shù)據(jù)會在用戶的PDCP層進行重組。

LWA技術(shù)與以往的LTE和WiFi共存技術(shù)不同，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）實現(xiàn)LTE與WiFi技術(shù)的優(yōu)勢融合。LWA技術(shù)利用LTE網(wǎng)絡(luò)進行上行和下行鏈路傳輸，WiFi可以進行下行鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，通過這種方式，LTE就可以直接訪問非授權(quán)頻段。對于WiFi系統(tǒng)而言，上行用戶間爭用效率較低，更適合下行鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)，而LTE系統(tǒng)上行鏈路更高效，相反下行帶寬不足[33]。通過LWA技術(shù)的將LTE與WiFi優(yōu)勢融合，可以獲得最佳的上行和下行性能。

（2）部署成本較低。當前的大部分LTE用戶一般都具有WiFi功能。網(wǎng)絡(luò)運營商對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進行升級就可以實現(xiàn)LWA技術(shù)，這就大大節(jié)省了硬件成本[34]。另外一方面，支持LWA技術(shù)的WiFi AP在LTE流量較低時也可作為單獨的AP為WiFi用戶服務(wù)。這種靈活性，有利于促進LWA技術(shù)的推廣。

（3）提升用戶體驗。LWA技術(shù)由于結(jié)合了LTE和WiFi技術(shù)，在吞吐量方面得到了大幅度提升，根據(jù)文獻[35]可知使用LWA技術(shù)用戶服務(wù)質(zhì)量得到大幅度提升，數(shù)據(jù)速率提升了大約40%。同時LWA技術(shù)可以根據(jù)用戶的環(huán)境自動選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，比如當用戶逐漸從LTE過度到WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更好的區(qū)域時，LWA技術(shù)可以實現(xiàn)LTE向WiFi網(wǎng)絡(luò)的平滑切換，這就大大降低了用戶時延[36]。

（4）LTE與WiFi互為補充。在LWA技術(shù)中，WiFi網(wǎng)絡(luò)還可作為LTE網(wǎng)絡(luò)的補充來實現(xiàn)更佳的LTE用戶體驗。比如在某些蜂窩小區(qū)，有些基站的覆蓋能力有限，在小區(qū)的邊緣地區(qū)或室內(nèi)LTE用戶體驗不佳。而LWA技術(shù)具有WiFi的功能，可以利用邊緣小區(qū)或室內(nèi)的WiFi AP來實現(xiàn)LTE通信，LWA技術(shù)利用WiFi彌補了LTE技術(shù)的短板。另一方面，在WiFi用戶密集的場所由于進行上行鏈路通信時用戶間會爭用信道，這就造成碰撞概率增大以及干擾等問題。而LTE技術(shù)具有較好的上行鏈路服務(wù)，可以作為WiFi上行鏈路的補充，從而實現(xiàn)更好的WiFi性能[33]。

2.4 ABS輔助共存機制

幾乎空白子幀（Almost Blank Subframe，ABS）是LTE幀結(jié)構(gòu)中具有較低傳輸功率或較低下行鏈路傳輸活動的子幀。ABS技術(shù)實際上是一種時域上的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，該技術(shù)主要用于增強型的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)。在異構(gòu)網(wǎng)中，通過降低小區(qū)在特定子幀中的傳輸功率，可以減少宏基站對微基站的干擾。在非授權(quán)頻段LTE和WiFi的共存場景中，ABS技術(shù)可以用來實現(xiàn)LTE與WiFi的共存。如圖5所示，為不同類型長度的空白子幀。在ABS期間，WiFi節(jié)點檢測到信道空閑，從而競爭接入信道。ABS輔助共存機制將LTE傳輸?shù)目臻e時隙分配給WiFi使用，該技術(shù)從某種角度來講本質(zhì)上也是利用占空比的方式來實現(xiàn)WiFi和LTE的共存。但是從技術(shù)角度來講實現(xiàn)的方式就有所不同，ABS是以子幀為單位，如圖5所示有多種空白子幀插入方式。而占空比方式一般有固定的時長周期，在LTE OFF階段WiFi網(wǎng)絡(luò)才能進行傳輸。這兩種方式各有優(yōu)缺點，比如，ABS一般較短，適合WiFi較小的通信，而占空比周期較長會對WiFi網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生延遲。為了利用這兩種方式的優(yōu)勢，文獻[37]將這兩種方式進行結(jié)合，在基于CSAT的LTE和WiFi共存方式中，將ABS插入LTE ON階段，并且ABS的大小可以根據(jù)WiFi用戶的數(shù)目進行適當調(diào)整。ABS可以滿足WiFi網(wǎng)絡(luò)中對實時性要求較高同時流量較小的VoIP通信。通過在LTE上插入ABS的方式可以有效避免因CSAT周期過長對WiFi網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延遲問題，同時還能滿足WiFi網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

圖5 LTE幀結(jié)構(gòu)中的空白子幀類型

除此之外，有大量工作研究將ABS應(yīng)用到非授權(quán)頻段的LTE與WiFi共存問題中。文獻[38]中提出將信道切換機制和自適應(yīng)ABS相結(jié)合，當信道中LTE-U用戶較多時，信道切換機制無法保證WiFi系統(tǒng)的性能，此時啟用自適應(yīng)ABS機制，根據(jù)LTE和WiFi用戶的數(shù)量在LTE幀中自適應(yīng)插入ABS。通過這種方式可以有效地避免LTE用戶過長占用非授權(quán)頻段信道，從而保證了LTE用戶和WiFi用戶的公平性。文獻[39]中提出用ABS進行LAA和WiFi系統(tǒng)之間的流量卸載，通過綜合考慮ABS和卸載所消耗的資源，建立一個合作博弈模型，來最大化頻譜資源利用率。

然而，LTE幀結(jié)構(gòu)中子幀數(shù)目固定，當ABS的數(shù)目較多時雖然能增加WiFi吞吐量，但是這也會造成LTE吞吐量的下降。如果ABS不相鄰，LTE性能會進一步下降。因此，將ABS技術(shù)應(yīng)用到LTE與WiFi的共存還要權(quán)衡考慮，需要根據(jù)不同的場景做出適當?shù)恼{(diào)整。

2.5 其它的LTE和WiFi共存方式

在LTE與WiFi共存的相關(guān)研究中出了上述主要的共存機制外，還有研究從不同的方向提出了非授權(quán)頻段LTE與WiFi的共存機制。

（1）基于功率控制的LTE與WiFi共存

由于WiFi采用CSMA/CA的接入方式，為了避免沖突，只有當信道的干擾水平低于一定閾值時節(jié)點才會接入信道。因此，有人提出通過控制LTE的傳輸功率來實現(xiàn)二者之間的共存。在文獻[40-41]中，Chaves等人提出對LTE上行鏈路功率進行控制，從而適應(yīng)多種場景下的LTE和WiFi共存。通過對LTE傳輸功率的控制可以為WiFi接入信道創(chuàng)造機會，但是這種方式對LTE的性能影響較大。因此，在處理不同場景的LTE和WiFi共存時，需要權(quán)衡多方面的性能需求。

（2）基于白空間的LTE與WiFi共存

雖然我們現(xiàn)實生活中WiFi網(wǎng)絡(luò)無處不在，但遠未被充分利用，如圖6所示，WiFi在時域存在未被利用時段，稱為“白空間”[42]。等人探索在白空間上進行M2M通信的可能性[43]。文獻[44]中提出利用白空間來實現(xiàn)LTE與WiFi在非授權(quán)頻段的機會共存。在機會共存機制中，LTE基站通過估計WiFi白空間的持續(xù)時長來動態(tài)調(diào)度LTE通信。通過驗證，利用白空間進行LTE通信不會干擾和延遲WiFi通信，同時極大提高了頻譜資源的利用率。

圖6 WiFi網(wǎng)絡(luò)及白空間

（3）MulteFire

MulteFire是最近開發(fā)的一種無線接入技術(shù)，其1.0版本已經(jīng)在2017年正式發(fā)布。MulteFire目標是將LTE獨立部署到非授權(quán)頻段中，通過結(jié)合L TE的特性和WiFi的特點，使LTE與WiFi的共存達到最佳效果。為了符合5 GHz頻段的監(jiān)管要求，MulteFire需要在現(xiàn)行LTE規(guī)范的基礎(chǔ)之上進行修改。MulteFire聯(lián)盟目前正在開發(fā)MulteFire標準的第二個版本，同時研發(fā)了兩個新的窄帶MulteFire，用于2.4 GHz頻段和1 GHz以下的工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）頻段[45]。

MulteFire主要工作在5 GHz頻段，類似于WiFi接入點，MulteFire的安裝需要接入光纖或者其他類型的網(wǎng)絡(luò)。由于MulterF ire集成了LTE和WiFi的特點，接入網(wǎng)絡(luò)后可以為用戶提供更高的系統(tǒng)容量以及覆蓋范圍。文獻[46]概述了在非授權(quán)頻段部署MulteFire所面臨的主要挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方案，同時通過仿真驗證了與WiFi網(wǎng)絡(luò)相比，MulterFire可以獲得更高的通信系統(tǒng)容量以及覆蓋距離。

MulterFire雖然是解決頻譜資源稀缺問題的可行性方案，但是同樣也面臨一些問題，MulterFire與WiFi具有相似的接入機制，在與其他技術(shù)共享頻譜時采用類似于WiFi的CSMA，因此，在非授權(quán)頻段MulterFire可以與WiFi友好共存，但是當非授權(quán)頻段出現(xiàn)LTE-U或LAA時，其性能可能會下降。另一方面，當前大多數(shù)設(shè)備不支持MulterFire，如何說服設(shè)備制造商生產(chǎn)支持MulterFire技術(shù)的設(shè)備是一個不小的挑戰(zhàn)。

3 下一步研究方向

雖然針對不同的國家和地區(qū)對非授權(quán)頻段的法律法規(guī)要求已經(jīng)發(fā)展出了不同的非授權(quán)LTE技術(shù)并逐漸趨于成熟，但是仍然需要完善。根據(jù)前文的總結(jié)分析，非授權(quán)頻段的LTE和WiFi共存可能可以從以下三方面展開進一步的研究。

（1）基于CSAT的LTE-U技術(shù)雖然可以根據(jù)信道的利用率自適應(yīng)調(diào)整占空比。但是在LTE由ON周期到OFF周期進行切換時，會對正在進行的WiFi通信造成干擾，從而造成通信質(zhì)量的下降。因此可以建立起一個合理的機制來降低對WiFi的干擾。比如LTE基站由OFF切換到ON之前可以發(fā)送頻域脈沖信號，當WiFi收到該信號后在一定時間后停止傳輸，此時對WiFi傳輸?shù)母蓴_就會大大降低。除此之外還可以建立起其他的機制來降低對WiFi通信的干擾。另外一方面，CSAT中根據(jù)基站的感測結(jié)果來調(diào)整LTE開關(guān)時長的算法至關(guān)重要，關(guān)系到共存系統(tǒng)的性能。當前機器學習和強化學習算法得到迅猛發(fā)展，可以將此類算法應(yīng)用到CSAT占空比自適應(yīng)中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶需求自適應(yīng)調(diào)整占空比，從而保證LTE和WiFi用戶的公平性以及整個LTE-U通信系統(tǒng)的吞吐量。

（2）在LAA系統(tǒng)中，LTE和WiFi通過LBT機制來共享非授權(quán)頻段，但是LTE一般是連續(xù)傳輸機制，當采用LBT機制接入信道后如果一直占用信道，則WiFi網(wǎng)絡(luò)無法接入，因此需要對接入時長加以控制。接入時長過短，無法滿足LTE通信需求，接入過長則對WiFi網(wǎng)絡(luò)延遲較長。因此，需要建立起適當?shù)腖TE接入時長的算法從而保證WiFi系統(tǒng)的公平性。另外，LAA中采用的LBT機制與WiFi接入方式類似，因此LBT機制的退避過程對平衡LTE和WiFi的頻譜使用有著極大的影響，同時也會使LTE節(jié)點面臨隱終端問題。這些問題對LAA技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

（3）LWA和MulteFire技術(shù)采用了將LTE和WiFi相結(jié)合的方式來實現(xiàn)非授權(quán)頻段共存。LWA可以通過轉(zhuǎn)發(fā)LTE流量來緩解LTE通信網(wǎng)絡(luò)壓力，同時可以有效避免兩者之間的干擾。但是LTE基站和WiFi AP之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和整合仍是一個亟待解決的問題。同時，在運動場景中，設(shè)計出一個高效的路由算法充滿挑戰(zhàn)。而MulteFire處于開發(fā)階段，由于有WiFi相似的接入機制，MulteFire與WiFi以及與LTE技術(shù)在非授權(quán)頻段共存時的性能仍未可知。

4 結(jié) 語

如何緩解日益增長的無線通信容量壓力是當前急需解決的問題。利用非授權(quán)頻段進行LTE通信是公認的解決此問題的有效手段之一。而非授權(quán)頻段LTE技術(shù)面臨的最大的挑戰(zhàn)就是如何實現(xiàn)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的友好共存。本文主要針對非授權(quán)頻段LTE與WiFi共存的研究現(xiàn)狀進行分析介紹，并對非授權(quán)LTE技術(shù)的相關(guān)工作進行了分類總結(jié)，同時指出了下一步可能的研究方向。對將來非授權(quán)頻段LTE與WiFi的共存研究有一定的借鑒意義。