LTE-U关键技术与网络规划策略

宋心刚，王首峰，李行政，姚文闻（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

LTE-U关键技术与网络规划策略

宋心刚，王首峰，李行政，姚文闻
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

LTE-U是一种在非授权频谱上部署LTE技术以提供电信级移动通信服务的无线接入技术。本文首先研究了LTE-U关键技术，然后从频率使用、载波聚合方案、网络部署策略、干扰规避等方面分析了LTE-U引入对网络规划的影响，针对性的提出了以提升中国移动LTE网络质量与建设效率为目标的LTE-U网络规划策略，为中国移动未来LTE-U部署提供参考。

LTE-U；非授权频谱；LAA；载波聚合；网络规划

1 引言

随着移动互联网、物联网及大数据的迅速发展，移动通信系统对频谱资源的需求也与日俱增，频谱资源的稀缺性严重制约了LTE网络的容量。5GHz频段存在着丰富的非授权频谱资源，如能有效利用则可以解决LTE授权频谱资源不足与数据需求增长之间的矛盾。LTE-U（LTE in Unlicensed Band）通过载波聚合技术实现非授权频谱的利用，大大提高了LTE网络容量，受到运营商和设备商越来越多的重视。

图1 LTE-U技术示意图

LTE-U是指在非授权频谱上采用LTE技术为用户提供电信级别移动通信服务的一种无线接入技术[1]，如图1所示。通过载波聚合，LTE-U可以分担部署在授权频谱上LTE系统的流量压力。与已部署在非授权频谱上的Wi-Fi相比，LTE-U能提供更高的吞吐量和频谱效率，实现LTE网络的无缝覆盖，获得更好的覆盖和用户体验。

LTE-U采用异构网络架构部署在非授权频谱上，与授权LTE载波聚合，网络架构和技术实现复杂度高。而且LTE-U与Wi-Fi共享频谱，系统间互干扰问题是LTE-U部署必须解决的问题，需设计合理的共存机制以实现平等友好的频谱共享。针对上述问题，本文首先分析研究了LTE-U的关键技术，然后从频率使用、载波聚合方案、网络部署策略、干扰规避等方面探讨研究了LTE-U对网络规划的影响，针对性的提出了以提升中国移动LTE网络质量与建设效率为目标的LTE-U网络规划策略，为中国移动未来LTE-U部署提供参考。

2 LTE-U关键技术

2.1 我国非授权频谱

非授权频谱是指满足一定发射功率(一般低于1 W)，且不对邻近频段造成干扰、不需要无线电管理机构授权就能直接使用的频谱资源。截至2014年底，我国已经开放了5 150～5 350 MHz和5 725～5 850 MHz两个频段作为无线接入系统的非授权频谱，5 470～5 725 MHz频段的开放工作正在推进中[2]。届时我国5 GHz非授权频谱总量将达到580 MHz，与Wi-Fi共用共享这些频谱资源将极大的缓解LTE授权频谱资源短缺和容量受限问题，因而LTE-U受到越来越多的重视，具有广阔的技术应用前景。

2.2 LTE-U技术方案

LTE-U技术论坛就LTE在非授权频谱上的部署方式提出了3种技术方案：授权辅助接入（Licensed-Assisted Access，LAA）、双连接（Dual Connectivity，DC）和无授权辅助接入（Standalone)[2，3]（如图2所示）。LAA方案提出了两种非授权频谱使用方式：DL-only和DL+UL，主要思想是采用载波聚合技术将授权频谱LTE和非授权频谱LTE-U聚合，利用授权LTE传送关键信息和保证QoS，LTE-U则配置为下行补充链路（DL-only）或上/下行链路（DL+UL），提供额外的无线资源。双连接DC则是指用户终端同时在授权频谱和非授权频谱上建立连接，其中授权LTE发送系统广播信息，用于实现控制平面的功能；在数据平面，小基站数据业务可以在授权LTE或LTE-U上发送。而无授权辅助接入（Standalone）则是将LTE单独部署在非授权频谱上，不存在授权频谱连接链路。

图2 LTE-U部署方案示意图[3]

3GPP将LAA方案作为重点研究项目在R13中推进相关标准化工作，而双连接和无授权辅助接入两种方案则留待未来考虑，因此本文后续研究基于LAA方案展开。

2.3 LTE-U部署场景

3GPP R13给出了LTE-U的4种部署场景，分别考虑了宏蜂窝覆盖、室内/室外部署和授权载波与非授权载波间的协同定位等因素，如图3所示。各部署场景中可以有一个或多个授权/非授权载波，且小基站间的回程链路可以是理想或非理想回程，但非授权小区与授权小区载波聚合时，两者间必须是理想回程（理想回程是指无线接入网和核心网间的链路是单程时延小于2.5μs、吞吐量10 Gbit/s的光纤链路；而低于此性能的回程链路即为非理想回程，可为光纤、DSL、有线电视电缆或无线链路等）。

图3 LTE-U部署场景[2]

场景1是授权宏蜂窝与非授权小基站间异频组网时载波聚合的场景；场景2则是没有宏蜂窝覆盖时，授权小基站与非授权小基站间异频组网载波聚合的场景；场景3中考虑了授权宏蜂窝和授权小基站同频组网，而授权小基站与非授权小基站间异频组网载波聚合的场景；场景4则是在授权宏蜂窝、授权小基站与非授权小基站三者异频组网时，授权/非授权小基站间载波聚合的场景。如果场景4中授权宏蜂窝与授权小基站间是理想回程，则可在授权宏蜂窝、授权小基站与非授权小基站间进行载波聚合。

2.4 LTE-U与Wi-Fi共存

LTE-U在非授权频谱上成功部署的最大挑战是解决LTE与Wi-Fi共存干扰问题。Wi-Fi使用载波感知多址接入和冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式，是一种基于竞争的信道接入协议。而LTE对信道的使用具有独占性和排他性，LTE-U长期占用非授权频谱信道资源，必然导致Wi-Fi传输效率的大幅下降。如何设计两系统共存机制，实现友好公平的频谱共享是LTE-U必须解决的问题。

我国无线电管理机构对使用非授权频谱的监管措施主要是限制发射功率以避免干扰其它用户和邻近频段用户，对具体的共存机制没有要求。Qualcomm在文献[4]中针对这种情况提出了解决LTE-U与Wi-Fi互干扰问题的共存机制（如图4所示），包括信道选择、LTE-U小区DTX（Discontinuous Transmission），如图5所示和LTE-U小区机会开/关。

在使用非授权频谱时，LTE-U首先基于信道测量结果选择未占用信道进行传输，避免LTE-U之间或LTE-U与Wi-Fi间的干扰。LTE-U稀疏部署时，信道选择算法基本可以规避大部分干扰。而LTE-U密集部署时，LTE-U监听共享信道中的活跃Wi-Fi，在不存在未占用信道时采用自适应或静态TDM传输模式，实现公平频谱共享。另外还可根据授权频谱LTE小区的流量负载情况，打开或关闭LTE-U小区，从而减少LTE-U对Wi-Fi的小区参考信号（CRS）干扰。

图4 LTE-U与Wi-Fi共存机制[4]

通过这些共存机制，LTE-U可以在不改变LTE物理层和MAC层协议的前提下实现与Wi-Fi的友好共存。文献[1]中基于此共存机制对LTE-U与Wi-Fi的共存性能进行了评估，证实了LTE-U切实提升了LTE用户的下载速率；LTE-U小区代替部分Wi-Fi节点后，Wi-Fi吞吐量也并未下降，多数场景下有明显提升。

3 LTE-U网络规划策略

3.1 频率使用策略

我国5GHz非授权频谱中，5 150～5 350 MHz用于室内部署，由公众共享，面临更为拥塞的信道环境和复杂的干扰情况，并且5 250～5 350 MHz对设备的动态频率选择DFS、发射功率控制TPC和辐射功率等方面都有严格要求；5 725～5 850 MHz则室内室外都可部署，运营商共用，面临干扰较少，且频段使用要求未包含DFS和TPC功能[2]。因而建议优先在5 725～5 850 MHz频段室内部署LTE-U，减少其面临的干扰问题，加快LTE-U商用进程。长远考虑，随着具备TPC/DFS功能的LTE-U设备开发成熟和LTE-U与Wi-Fi干扰共存机制的标准化进展，LTE-U的部署应扩展到室外及5 150～5 350 MHz和未来5 470～5 725 MHz频段。这需要中国移动发挥产业链引领作用，推动LTE-U设备和标准化工作的成熟。

图5 LTE-U小区DTX示意图

另一方面，移动通信产业界正在为移动通信争取更多的授权频谱，LTE-U技术引入带来的可用频谱总量大幅增加的情况很可能会对此产生冲击。LTE-U技术可使用丰富的非授权频谱资源，这将减少移动通信对授权频谱的需求，进而影响国际国内无线频谱管理机构对移动通信频谱的划分与分配。因而，中国移动需要综合考虑自己的频谱使用申请策略，在优先保证TD-LTE/ FDD LTE网络频谱需求的情况下，推进LTE-U频率分配使用，保证LTE网络合理健康发展。

3.2 载波聚合方案

LAA方案基于载波聚合技术，要求必须有授权频谱作为LTE主载波与LTE-U（辅载波）聚合[2]。现阶段中国移动只有TD-LTE牌照，因而只能以授权TDLTE作为主载波，采用DL+UL方案与LTE-U进行载波聚合。DL+UL方案要求移动终端同时支持上下行载波聚合，对终端要求较高。而且中国移动TD-LTE频率包括F/D/E 3个频段，因而需要考虑“F/D/ E+U” 3种不同的频带间载波聚合方案。结合LTE-U频率使用策略，初期主要考虑用于室内覆盖的E频段与LTE-U之间的载波聚合；而未来随着LTE-U的室外部署，则需要考虑F/D频段与LTE-U的载波聚合。另外为了避免交叉时隙干扰，建议采用相同时隙配比的载波聚合方案以对齐LTE子帧。

中国移动目前也在积极申请LTE FDD牌照，并在稳步推进GSM频率重耕以腾出部分FDD频谱进行LTE FDD组网试验，因而在LTE-U网络规划中应提早考虑以授权LTE FDD为主载波的DL-only载波聚合方案研究，配合中国移动FDD网络发展步伐，提前布局，抢占先机，实现TDD与FDD网络的融合发展。

由于频段、制式的多样化，LTE-U载波聚合方案也呈现多样化，这对移动终端的载波聚合能力提出了超高的要求。中国移动需要发挥产业链的主导优势，争取终端厂商的支持，突破终端上行载波聚合和多频段频带间载波聚合等能力限制，推动终端商用化，为用户提供更好的上传下载体验，巩固自己的领先地位和品牌形象。

3.3 网络部署策略

LTE-U利用非授权频谱资源，为LTE网络带来巨大的扩容空间，成为运营商解决日益严重的流量需求与频谱资源短缺矛盾的解决方案。在中国移动现阶段LTE网络规划、建设中，需要考虑、兼顾后续LTE-U网络部署和扩容问题，在可能部署LTE-U的站点提前预留设备空间和接口，并保留在获得FDD牌照后向FDD升级演进的能力。

中国移动现阶段LTE网络建设进入到深度覆盖阶段，通过增加宏基站或部署小基站进行补盲、补热。考虑到LTE-U标准化工作进展和网络建设投资成本，LTE-U将主要用于未来LTE网络扩容，通过载波聚合技术使用丰富的非授权频谱资源，解决高价值、高流量区域的容量需求。这需要分区域、分场景的进行LTE网络容量规划，根据容量增长预测结果，将LTE-U部署在网络容量压力巨大且已有载波扩容潜力消耗殆尽的地区。另外，由于LTE-U部署在5GHz高频段，传播性能较差，频段覆盖范围较小，在未来LTE异构网络架构条件下，需要合理规划LTE-U覆盖范围，采用小基站小半径视距覆盖，实现LTE异构网络间的无缝对接，为用户提供优异的网络体验。

3.4 干扰规避

LTE-U在5 GHz非授权频谱上部署时不仅面临LTE-U与Wi-Fi之间的干扰，也包括不同运营商间的LTE-U干扰。因为LTE技术本身具有的功率控制和辐射功率限制等，LTE-U间的互干扰相对较小，可采用现有的小区间干扰协调技术ICIC、eICIC（Enhanced ICIC）及FeICIC（Further eICIC）等技术解决。而LTE-U与Wi-Fi系统间的互干扰问题，则需要合理公平的共存机制以实现两系统友好共存。

欧洲、日本等地区使用非授权频谱时要求LBT（Listen Before Talk，先听后讲），即使用频段前需要先监听评估该频段是否被占用，设备占用空闲频段且不超过10 ms，然后释放频段重新开始LBT进程；而北美、韩国和中国等地区则没有LBT限制。为了保证LTE-U技术满足全球市场的需求，3GPP在LAA标准化中采用基于LBT机制的动态频率选择DFS技术来规避LTE-U与Wi-Fi间的互干扰，这是LTE-U长远发展的保证。对于中国移动而言，LTE-U初期部署时可考虑采用2.4章节中介绍的共存机制来规避干扰。但长远来看，部署具有LBT机制的LTE-U是必然趋势，中国移动应积极参与LAA相关共存机制的标准化工作，引领实现LTE-U和Wi-Fi的友好公平共存，为LTE-U获得更广阔的发展空间。

4 总结

LTE-U技术作为一种切实可行的非授权频谱使用方法，正获得越来越多的运营商和设备商的重视，其技术标准化工作也在稳步推进。作为全球TD-LTE网络的领导者，中国移动应积极参与并引领LTE-U技术的标准化工作，关注LTE-U频谱分配情况，提早规划频谱使用和网络规划策略，保证中国移动LTE网络领先地位，提高LTE网络建设效率。

[1] Coexistence Study for LTE-U SDL[R]. LTE-U Forum， 2015(2).

[2] 3GPP TR 36.889， Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum[S].

[3] 徐景，杜金玲，杨旸. LTE和Wi-Fi系统间灵活频谱使用关键技术[J]. 中兴通讯技术，2015(1).

[4] LTE in Unlicensed Spectrum：Harmonious Coexistence with Wi-Fi[R]，Qualcomm， 2014(3).

[5] LTE-U SDL Coexistence Specifications[R]. LTE-U Forum， 2015(6).

Key technologies and network planning strategies of LTE-U

SONG Xin-gang, WANG Shou-feng, LI Xing-zheng, YAO Wen-wen
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

LTE-U is a radio access technology that has been proposed for providing carrier-grade wireless service in the unlicensed band. This article fi rstly researched the key technologies of LTE-U, secondly analyzed the influence of LTE-U on network planning from spectrum utilization, carrier aggregation schemes, network deployment, and interference avoidance. And then this article put for ward instructive strategies of LTE-U network planning aiming to improve the network quality and construction eff i ciency of LTE for CMCC.

LTE-U; unlicensed spectrum; LAA; carrier aggregation; network planning

TN929.5

A

1008-5599（2017）01-0087-05

2016-01-25