LTE和Wi—Fi系统间灵活频谱使用关键技术

徐景　杜金玲　杨旸

针对授权辅助接入，提出了一种适用于LTE-U与Wi-Fi共同使用免授权频段的方法，该方法无需更改Wi-Fi协议就能实现LTE-U与Wi-Fi比例公平使用免授权频谱，有效聚合授权频谱与免授权频谱，提升频谱效率，为用户提供更好的业务体验。

免授权频段；授权辅助接入；双连接；无授权辅助接入；共存

智能手机飞速发展、用户数量急剧增长、高清晰多媒体流业务不断涌现，凸显出频谱匮乏与需求间的深刻矛盾。2014年2月，思科发布报告[1]预测至2018年，移动设备和连接的数量将从2013年约30亿增长到100多亿；移动连接的平均速度将从2013年1.4 Mb/s提高到2.5 Mb/s，几乎翻一番。为了缓解授权移动网络的流量压力，许多运营商通过部署Wi-Fi网络来减轻无线网络的负担，通过免授权频谱分流无线业务。在LTE网络覆盖的室内和公共热点区域，由于授权频谱资源有限，很容易达到网络容量极限，造成网络拥塞。目前，全球已经开放了大量免授权频谱，在这种情况下，以大量免授权频谱补充有限的LTE授权频谱，增加可用频谱，可有效扩充无线容量，缓解移动网络的流量压力。

免授权频谱是指在满足政府部门（如国家无线电管理委员会）无线电管制下，不需要政府授权就能直接使用的频谱资源，Wi-Fi是部署在免授权频段的典型技术。Wi-Fi通过载波监听和随机退避机制与其他无线接入技术（RAT）友好共存于免授权频段。由于部署在免授权频段的Wi-Fi缺乏服务质量（QoS）保证机制，遭受着潜在的不可控的干扰，适合低速接入，无法很好的支持高速移动业务，而LTE部署到免授权频段，在免授权频段上采用LTE空口协议完成通信，简称为LTE-U，可以借助集中调度，干扰协调，自适应重传请求（HARQ）等技术，鲁棒性好，可获得更高的吞吐量，将提供更大的覆盖范围和更高的频谱效率。

目前，已经有多家公司和研究机构向3GPP提出采用免授权频段部署LTE技术，来加速LTE室内传输。主要候选方案包括：授权辅助接入（LAA）、双连接（DC）、无授权辅助接入（Standalone）技术，作为第五代移动通信系统（5G）增强技术，吸引了世界范围内移动通信技术研究工作者的广泛关注[2-6]。

LTE-U通信的典型应用场景如图1所示。同一区域同时部署了不同无线网络（LTE与Wi-Fi），不同移动运营商的小基站（LTE小基站A与B）。当LTE网络负载过重，为了缓解流量压力，在免授权频段使用LTE-U技术传输数据，不仅可以实现无线资源的优化和不同接入网络间的负载均衡，为用户提供更好的业务体验，还能帮助移动运营商增大移动宽带网络容量和市场空间[6]。

本文首先介绍了LTE部署免授权频段提出的背景。其次，简要介绍了灵活使用免授权频谱的几种技术方案。然后简要分析了未来LTE-U与Wi-Fi灵活使用免授权频谱面临的挑战。提出一种基于授权辅助接入技术，实现LTE与Wi-Fi公平使用免授权频谱的方法。最后给出了总结。

1 灵活使用免授权频谱的

关键技术

与Wi-Fi相比，LTE部署在免授权频段的优点如下，从用户角度看，数据速率更高、覆盖性能更好、可靠性更高，用户体验将得到明显提升；从移动运营商角度看，核心网同时适用于授权与非授权频段，可与现有LTE网络共同运营及管理。

1.1 授权辅助接入

LAA是一种可以扩展LTE兼容频谱至未授权频段上的技术，用于增强LTE和LTE-A，为LTE网络运营商提供补充接入。2014年9月，3GPP将LAA列为下一代LTE增强网络（R13）的重点研究项目[7]。LAA采用载波聚合技术，聚合授权频谱和免授权频谱，前者作为主载波单元（PCC）传送关键信息和保证QoS，后者作为辅载波单元（SCC），可配置成下行补充链路或配置成上行和下行链路，提供额外的无线资源，如图2所示。免授权频谱资源由基站集中调度分配，通过媒体访问控制（MAC）单元的激活/去激活操作控制免授权频谱资源的使用和释放，动态使用资源。当LAA基站激活免授权频谱资源时，LTE在此频谱传输蜂窝数据；当LAA基站去激活或释放免授权频谱资源时，Wi-Fi系统可基于竞争方式抢占并使用免授权频谱资源，从而实现灵活使用免授权频谱的目的。

1.2 双连接

双连接[8]是指用户终端同时在授权频谱和免授权频谱上建立连接，其中授权频谱发送系统广播信息，用于实现控制平面的功能，包括连接管理和移动性管理，从而保证蜂窝通信的连续性。在数据平面，小基站数据业务可以在授权频谱发送、免授权频谱发送，或者两者都发送。双连接原理如图3所示。从图3可以看出，双连接要求授权频谱和非授权频谱网络同步。通过双连接，核心网可以将数据直接卸载到免授权频段，实现数据无缝连接[9]。通过双连接技术，使LTE-U小基站确保链路可靠性和移动鲁棒性[10]，用户终端灵活在授权频谱和（或）免授权频谱资源上接收和发送数据，从而无缝组合两个频段的数据流，灵活使用免授权频谱资源。

1.3 无授权辅助接入

无授权辅助接入的原理如图4所示[9-10]。图4是指将LTE技术单独部署于免授权频段，不存在授权频段的连接链路，主要考虑用在授权频带无法覆盖的区域。无授权辅助接入不占用授权频段，因此不需要进行授权频谱与免授权频谱间的网络同步，缺点在于无法保证移动性鲁棒性和不易实现灵活流量控制，且对标准化影响较大。

2 LTE与Wi-Fi灵活使用

频谱面临的挑战

免授权频段部署LTE技术给蜂窝移动通信系统带来机遇的同时，更带来了很多全新的挑战。本章节首先重点分析授权辅助接入技术的频谱公平使用问题，并提出一种适用于LTE-U与Wi-Fi比例公平使用免授权频谱的方法，实现对免授权频谱资源的高效利用。其次，LTE-U部署于免授权频段面临着各种复杂的干扰环境[11-12]，LTE-U还需满足通用空中接口的要求[13-14]。

2.1 LTE-U和Wi-Fi公平使用免授权

频段

公平接入免授权频段是确保LTE-U能与现有接入技术（如Wi-Fi系统）共存的重要因素。由于当前LTE系统是连续传输的，且排他性地使用授权频谱，不与其他运营商和无线接入技术共同使用。而免授权频谱是开放性资源，允许任何无线接入技术使用。如果LTE系统不作任何改变直接占用免授权频谱资源，将违背免授权频段的法规要求，对部署在公用免授权频段的其他无线接入系统也是不公平的。在这种情况下，本文提出一种基于LAA技术的比例公平使用免授权频段的方法。假设LAA基站可伪装成虚拟Wi-Fi设备，当系统满载运行于授权频段时，LAA基站通过先侦听后传输（LBT）尝试竞争免授权频段（载波），如果竞争成功，则将其作为辅成员载波；LAA基站也可以根据需要直接抢占免授权频段。

为兼顾频谱利用率及不同用户或不同系统公平使用频谱资源，定义比例公平吞吐量效用函数为：[TPF=maxiMlog2Ri（t）]，[Ri（t）]表示运行在免授权频段的各个系统在[0，t]时间段内的平均速率，[ri（t）]是在t时刻系统i内所有设备在免授权频段上的瞬时速率之和，依据比例公平原则[15]，具有最大优先级[ri（t）Ri（t）]的系统可以优先使用免授权频段。例如，假设已知Wi-Fi和LTE-U将会在免授权频段上传输数据，[RWi-Fi（t）]和[RLTE-U（t）]分别为[0，t]时间段内Wi-Fi和LTE-U系统的平均传输速率，则t时刻的免授权频谱使用需要最大化效用[log2RWi-Fi（t）+log2RLTE-U（t）]。[rWi-Fi（t）]和[rLTE-U（t）]分别为t时刻Wi-Fi和LTE-U系统的瞬时传输速率，为了最大化比例公平吞吐量效用函数，LTE-U基站需要比较[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当前数据包传输结束，则LTE-U基站直接抢占免授权频段，采用LTE-U技术传输蜂窝数据；反之，LTE-U基站暂停使用免授权频段，或者不抢占免授权频段，由Wi-Fi系统基于LBT方式传输数据。基于比例公平准则，LTE-U基站能够适时暂停免授权频段上的数据传输，释放免授权频谱资源，从而实现LTE与Wi-Fi系统灵活公平使用频谱，提升频谱效率，具体流程见图5。

该方法可以实现免授权频段Wi-Fi和LTE-U系统友好共存，达到不同系统比例公平使用免授权频段资源的目的。当LTE-U利用免授权频段传输蜂窝数据时，能公平地发挥LTE-U技术优势，提升频谱利用率，为用户提供更好的业务体验，同时帮助运营商扩大移动宽带网络容量和市场空间。

2.2 免授权频段干扰协调与管理

免授权频段是开放式接入频谱资源，只要工作在免授权频段上的无线设备满足国家或区域规定要求，无需认证过程，任何RAT，任何用户终端或设备均可接入免授权频段，任何无线接入技术都可以部署该频段。这就意味着免授权频带不会限制运营商的数量和类型，同区域同信道免授权频段上可能同时存在多RAT系统发射数据的情况。如果LTE-U部署在免授权频段，那么就需要考虑不同运营商间的干扰，密集部署网络的干扰情况将更加复杂严重。自适应进行异构系统间和（或）异运营商间的干扰补偿，可以降低干扰和提升无线网络的鲁棒性。

2.3 LTE-U空中接口设计

LTE-U部署在免授权频段时，一方面需要满足某些国家或地区规定使用免授权频段需符合的诸如发送功率控制（TPC）、先侦听后传输（LBT）、动态频率选择（DFS）[16]等要求；另一方面，应尽量继承和保留LTE协议基本原理和设计理念，继承LTE空口链路协议的鲁棒性和卓越的系统性能。为了公平有效使用免授权频谱，同时保持或增强LTE系统优势，LTE可能需要对空中接口作必要改变，以实现多RAT共存于免授权频段，最大化频谱效率，形成一个具有全球通用的无线移动通信网络。同时，还可能需要标准化组织3GPP和IEEE共同进行LTE-U空口传输协议的标准制订。

3 结束语

基于授权频谱接入技术，本文提出一种LTE与Wi-Fi网络公平使用免授权频谱的机制。将LTE部署到免授权频段进行业务传输，可以满足公众对高带宽无线业务爆发式增长需求，提升免授权频谱效率，为下一代移动通信系统（5G）奠定坚实基础，促进宽带移动通信技术发展。授权辅助接入、双连接和无授权辅助接入等技术方案为不同无线接入技术，异运营商共享免授权频谱提供了解决思路。

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