智能手機(jī)飛速發(fā)展、用戶數(shù)量急劇增長(zhǎng)、高清晰多媒體流業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，凸顯出頻譜匱乏與需求間的深刻矛盾。2014年2月，思科發(fā)布報(bào)告[1]預(yù)測(cè)至2018年，移動(dòng)設(shè)備和連接的數(shù)量將從2013年約30億增長(zhǎng)到100多億；移動(dòng)連接的平均速度將從2013年1.4 Mb/s提高到2.5 Mb/s，幾乎翻一番。為了緩解授權(quán)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的流量壓力，許多運(yùn)營(yíng)商通過部署Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)來(lái)減輕無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，通過免授權(quán)頻譜分流無(wú)線業(yè)務(wù)。在LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的室內(nèi)和公共熱點(diǎn)區(qū)域，由于授權(quán)頻譜資源有限，很容易達(dá)到網(wǎng)絡(luò)容量極限，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。目前，全球已經(jīng)開放了大量免授權(quán)頻譜，在這種情況下，以大量免授權(quán)頻譜補(bǔ)充有限的LTE授權(quán)頻譜，增加可用頻譜，可有效擴(kuò)充無(wú)線容量，緩解移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的流量壓力。

免授權(quán)頻譜是指在滿足政府部門（如國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)）無(wú)線電管制下，不需要政府授權(quán)就能直接使用的頻譜資源，Wi-Fi是部署在免授權(quán)頻段的典型技術(shù)。Wi-Fi通過載波監(jiān)聽和隨機(jī)退避機(jī)制與其他無(wú)線接入技術(shù)（RAT）友好共存于免授權(quán)頻段。由于部署在免授權(quán)頻段的Wi-Fi缺乏服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證機(jī)制，遭受著潛在的不可控的干擾，適合低速接入，無(wú)法很好的支持高速移動(dòng)業(yè)務(wù)，而LTE部署到免授權(quán)頻段，在免授權(quán)頻段上采用LTE空口協(xié)議完成通信，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)TE-U，可以借助集中調(diào)度，干擾協(xié)調(diào)，自適應(yīng)重傳請(qǐng)求（HARQ）等技術(shù)，魯棒性好，可獲得更高的吞吐量，將提供更大的覆蓋范圍和更高的頻譜效率。

目前，已經(jīng)有多家公司和研究機(jī)構(gòu)向3GPP提出采用免授權(quán)頻段部署LTE技術(shù)，來(lái)加速LTE室內(nèi)傳輸。主要候選方案包括：授權(quán)輔助接入（LAA）、雙連接（DC）、無(wú)授權(quán)輔助接入（Standalone）技術(shù)，作為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）增強(qiáng)技術(shù)，吸引了世界范圍內(nèi)移動(dòng)通信技術(shù)研究工作者的廣泛關(guān)注[2-6]。

LTE-U通信的典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。同一區(qū)域同時(shí)部署了不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（LTE與Wi-Fi），不同移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的小基站（LTE小基站A與B）。當(dāng)LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重，為了緩解流量壓力，在免授權(quán)頻段使用LTE-U技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源的優(yōu)化和不同接入網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載均衡，為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，還能幫助移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商增大移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)容量和市場(chǎng)空間[6]。

本文首先介紹了LTE部署免授權(quán)頻段提出的背景。其次，簡(jiǎn)要介紹了靈活使用免授權(quán)頻譜的幾種技術(shù)方案。然后簡(jiǎn)要分析了未來(lái)LTE-U與Wi-Fi靈活使用免授權(quán)頻譜面臨的挑戰(zhàn)。提出一種基于授權(quán)輔助接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LTE與Wi-Fi公平使用免授權(quán)頻譜的方法。最后給出了總結(jié)。

1 靈活使用免授權(quán)頻譜的

關(guān)鍵技術(shù)

與Wi-Fi相比，LTE部署在免授權(quán)頻段的優(yōu)點(diǎn)如下，從用戶角度看，數(shù)據(jù)速率更高、覆蓋性能更好、可靠性更高，用戶體驗(yàn)將得到明顯提升；從移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商角度看，核心網(wǎng)同時(shí)適用于授權(quán)與非授權(quán)頻段，可與現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)共同運(yùn)營(yíng)及管理。

1.1 授權(quán)輔助接入

LAA是一種可以擴(kuò)展LTE兼容頻譜至未授權(quán)頻段上的技術(shù)，用于增強(qiáng)LTE和LTE-A，為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供補(bǔ)充接入。2014年9月，3GPP將LAA列為下一代LTE增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)（R13）的重點(diǎn)研究項(xiàng)目[7]。LAA采用載波聚合技術(shù)，聚合授權(quán)頻譜和免授權(quán)頻譜，前者作為主載波單元（PCC）傳送關(guān)鍵信息和保證QoS，后者作為輔載波單元（SCC），可配置成下行補(bǔ)充鏈路或配置成上行和下行鏈路，提供額外的無(wú)線資源，如圖2所示。免授權(quán)頻譜資源由基站集中調(diào)度分配，通過媒體訪問控制（MAC）單元的激活/去激活操作控制免授權(quán)頻譜資源的使用和釋放，動(dòng)態(tài)使用資源。當(dāng)LAA基站激活免授權(quán)頻譜資源時(shí)，LTE在此頻譜傳輸蜂窩數(shù)據(jù)；當(dāng)LAA基站去激活或釋放免授權(quán)頻譜資源時(shí)，Wi-Fi系統(tǒng)可基于競(jìng)爭(zhēng)方式搶占并使用免授權(quán)頻譜資源，從而實(shí)現(xiàn)靈活使用免授權(quán)頻譜的目的。

1.2 雙連接

雙連接[8]是指用戶終端同時(shí)在授權(quán)頻譜和免授權(quán)頻譜上建立連接，其中授權(quán)頻譜發(fā)送系統(tǒng)廣播信息，用于實(shí)現(xiàn)控制平面的功能，包括連接管理和移動(dòng)性管理，從而保證蜂窩通信的連續(xù)性。在數(shù)據(jù)平面，小基站數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以在授權(quán)頻譜發(fā)送、免授權(quán)頻譜發(fā)送，或者兩者都發(fā)送。雙連接原理如圖3所示。從圖3可以看出，雙連接要求授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜網(wǎng)絡(luò)同步。通過雙連接，核心網(wǎng)可以將數(shù)據(jù)直接卸載到免授權(quán)頻段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫連接[9]。通過雙連接技術(shù)，使LTE-U小基站確保鏈路可靠性和移動(dòng)魯棒性[10]，用戶終端靈活在授權(quán)頻譜和（或）免授權(quán)頻譜資源上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，從而無(wú)縫組合兩個(gè)頻段的數(shù)據(jù)流，靈活使用免授權(quán)頻譜資源。

1.3 無(wú)授權(quán)輔助接入

無(wú)授權(quán)輔助接入的原理如圖4所示[9-10]。圖4是指將LTE技術(shù)單獨(dú)部署于免授權(quán)頻段，不存在授權(quán)頻段的連接鏈路，主要考慮用在授權(quán)頻帶無(wú)法覆蓋的區(qū)域。無(wú)授權(quán)輔助接入不占用授權(quán)頻段，因此不需要進(jìn)行授權(quán)頻譜與免授權(quán)頻譜間的網(wǎng)絡(luò)同步，缺點(diǎn)在于無(wú)法保證移動(dòng)性魯棒性和不易實(shí)現(xiàn)靈活流量控制，且對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化影響較大。

2 LTE與Wi-Fi靈活使用

頻譜面臨的挑戰(zhàn)

免授權(quán)頻段部署LTE技術(shù)給蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)機(jī)遇的同時(shí)，更帶來(lái)了很多全新的挑戰(zhàn)。本章節(jié)首先重點(diǎn)分析授權(quán)輔助接入技術(shù)的頻譜公平使用問題，并提出一種適用于LTE-U與Wi-Fi比例公平使用免授權(quán)頻譜的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)免授權(quán)頻譜資源的高效利用。其次，LTE-U部署于免授權(quán)頻段面臨著各種復(fù)雜的干擾環(huán)境[11-12]，LTE-U還需滿足通用空中接口的要求[13-14]。

2.1 LTE-U和Wi-Fi公平使用免授權(quán)

頻段

公平接入免授權(quán)頻段是確保LTE-U能與現(xiàn)有接入技術(shù)（如Wi-Fi系統(tǒng)）共存的重要因素。由于當(dāng)前LTE系統(tǒng)是連續(xù)傳輸?shù)?，且排他性地使用授?quán)頻譜，不與其他運(yùn)營(yíng)商和無(wú)線接入技術(shù)共同使用。而免授權(quán)頻譜是開放性資源，允許任何無(wú)線接入技術(shù)使用。如果LTE系統(tǒng)不作任何改變直接占用免授權(quán)頻譜資源，將違背免授權(quán)頻段的法規(guī)要求，對(duì)部署在公用免授權(quán)頻段的其他無(wú)線接入系統(tǒng)也是不公平的。在這種情況下，本文提出一種基于LAA技術(shù)的比例公平使用免授權(quán)頻段的方法。假設(shè)LAA基站可偽裝成虛擬Wi-Fi設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)滿載運(yùn)行于授權(quán)頻段時(shí)，LAA基站通過先偵聽后傳輸（LBT）嘗試競(jìng)爭(zhēng)免授權(quán)頻段（載波），如果競(jìng)爭(zhēng)成功，則將其作為輔成員載波；LAA基站也可以根據(jù)需要直接搶占免授權(quán)頻段。

為兼顧頻譜利用率及不同用戶或不同系統(tǒng)公平使用頻譜資源，定義比例公平吞吐量效用函數(shù)為：[TPF=maxiMlog2Ri（t）]，[Ri（t）]表示運(yùn)行在免授權(quán)頻段的各個(gè)系統(tǒng)在[0，t]時(shí)間段內(nèi)的平均速率，[ri（t）]是在t時(shí)刻系統(tǒng)i內(nèi)所有設(shè)備在免授權(quán)頻段上的瞬時(shí)速率之和，依據(jù)比例公平原則[15]，具有最大優(yōu)先級(jí)[ri（t）Ri（t）]的系統(tǒng)可以優(yōu)先使用免授權(quán)頻段。例如，假設(shè)已知Wi-Fi和LTE-U將會(huì)在免授權(quán)頻段上傳輸數(shù)據(jù)，[RWi-Fi（t）]和[RLTE-U（t）]分別為[0，t]時(shí)間段內(nèi)Wi-Fi和LTE-U系統(tǒng)的平均傳輸速率，則t時(shí)刻的免授權(quán)頻譜使用需要最大化效用[log2RWi-Fi（t）+log2RLTE-U（t）]。[rWi-Fi（t）]和[rLTE-U（t）]分別為t時(shí)刻Wi-Fi和LTE-U系統(tǒng)的瞬時(shí)傳輸速率，為了最大化比例公平吞吐量效用函數(shù)，LTE-U基站需要比較[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當(dāng)前數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束，則LTE-U基站直接搶占免授權(quán)頻段，采用LTE-U技術(shù)傳輸蜂窩數(shù)據(jù)；反之，LTE-U基站暫停使用免授權(quán)頻段，或者不搶占免授權(quán)頻段，由Wi-Fi系統(tǒng)基于LBT方式傳輸數(shù)據(jù)?；诒壤綔?zhǔn)則，LTE-U基站能夠適時(shí)暫停免授權(quán)頻段上的數(shù)據(jù)傳輸，釋放免授權(quán)頻譜資源，從而實(shí)現(xiàn)LTE與Wi-Fi系統(tǒng)靈活公平使用頻譜，提升頻譜效率，具體流程見圖5。

該方法可以實(shí)現(xiàn)免授權(quán)頻段Wi-Fi和LTE-U系統(tǒng)友好共存，達(dá)到不同系統(tǒng)比例公平使用免授權(quán)頻段資源的目的。當(dāng)LTE-U利用免授權(quán)頻段傳輸蜂窩數(shù)據(jù)時(shí)，能公平地發(fā)揮LTE-U技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升頻譜利用率，為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，同時(shí)幫助運(yùn)營(yíng)商擴(kuò)大移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)容量和市場(chǎng)空間。

2.2 免授權(quán)頻段干擾協(xié)調(diào)與管理

免授權(quán)頻段是開放式接入頻譜資源，只要工作在免授權(quán)頻段上的無(wú)線設(shè)備滿足國(guó)家或區(qū)域規(guī)定要求，無(wú)需認(rèn)證過程，任何RAT，任何用戶終端或設(shè)備均可接入免授權(quán)頻段，任何無(wú)線接入技術(shù)都可以部署該頻段。這就意味著免授權(quán)頻帶不會(huì)限制運(yùn)營(yíng)商的數(shù)量和類型，同區(qū)域同信道免授權(quán)頻段上可能同時(shí)存在多RAT系統(tǒng)發(fā)射數(shù)據(jù)的情況。如果LTE-U部署在免授權(quán)頻段，那么就需要考慮不同運(yùn)營(yíng)商間的干擾，密集部署網(wǎng)絡(luò)的干擾情況將更加復(fù)雜嚴(yán)重。自適應(yīng)進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)間和（或）異運(yùn)營(yíng)商間的干擾補(bǔ)償，可以降低干擾和提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

2.3 LTE-U空中接口設(shè)計(jì)

LTE-U部署在免授權(quán)頻段時(shí)，一方面需要滿足某些國(guó)家或地區(qū)規(guī)定使用免授權(quán)頻段需符合的諸如發(fā)送功率控制（TPC）、先偵聽后傳輸（LBT）、動(dòng)態(tài)頻率選擇（DFS）[16]等要求；另一方面，應(yīng)盡量繼承和保留LTE協(xié)議基本原理和設(shè)計(jì)理念，繼承LTE空口鏈路協(xié)議的魯棒性和卓越的系統(tǒng)性能。為了公平有效使用免授權(quán)頻譜，同時(shí)保持或增強(qiáng)LTE系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，LTE可能需要對(duì)空中接口作必要改變，以實(shí)現(xiàn)多RAT共存于免授權(quán)頻段，最大化頻譜效率，形成一個(gè)具有全球通用的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，還可能需要標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和IEEE共同進(jìn)行LTE-U空口傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)制訂。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于授權(quán)頻譜接入技術(shù)，本文提出一種LTE與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)公平使用免授權(quán)頻譜的機(jī)制。將LTE部署到免授權(quán)頻段進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸，可以滿足公眾對(duì)高帶寬無(wú)線業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長(zhǎng)需求，提升免授權(quán)頻譜效率，為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，促進(jìn)寬帶移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展。授權(quán)輔助接入、雙連接和無(wú)授權(quán)輔助接入等技術(shù)方案為不同無(wú)線接入技術(shù)，異運(yùn)營(yíng)商共享免授權(quán)頻譜提供了解決思路。

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