宋心剛，王首峰，李行政，姚文聞（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

LTE-U關(guān)鍵技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略

宋心剛，王首峰，李行政，姚文聞
（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

LTE-U是一種在非授權(quán)頻譜上部署LTE技術(shù)以提供電信級移動通信服務(wù)的無線接入技術(shù)。本文首先研究了LTE-U關(guān)鍵技術(shù)，然后從頻率使用、載波聚合方案、網(wǎng)絡(luò)部署策略、干擾規(guī)避等方面分析了LTE-U引入對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的影響，針對性的提出了以提升中國移動LTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與建設(shè)效率為目標(biāo)的LTE-U網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略，為中國移動未來LTE-U部署提供參考。

LTE-U；非授權(quán)頻譜；LAA；載波聚合；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的迅速發(fā)展，移動通信系統(tǒng)對頻譜資源的需求也與日俱增，頻譜資源的稀缺性嚴(yán)重制約了LTE網(wǎng)絡(luò)的容量。5GHz頻段存在著豐富的非授權(quán)頻譜資源，如能有效利用則可以解決LTE授權(quán)頻譜資源不足與數(shù)據(jù)需求增長之間的矛盾。LTE-U（LTE in Unlicensed Band）通過載波聚合技術(shù)實現(xiàn)非授權(quán)頻譜的利用，大大提高了LTE網(wǎng)絡(luò)容量，受到運營商和設(shè)備商越來越多的重視。

圖1 LTE-U技術(shù)示意圖

LTE-U是指在非授權(quán)頻譜上采用LTE技術(shù)為用戶提供電信級別移動通信服務(wù)的一種無線接入技術(shù)[1]，如圖1所示。通過載波聚合，LTE-U可以分擔(dān)部署在授權(quán)頻譜上LTE系統(tǒng)的流量壓力。與已部署在非授權(quán)頻譜上的Wi-Fi相比，LTE-U能提供更高的吞吐量和頻譜效率，實現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋，獲得更好的覆蓋和用戶體驗。

LTE-U采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署在非授權(quán)頻譜上，與授權(quán)LTE載波聚合，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜度高。而且LTE-U與Wi-Fi共享頻譜，系統(tǒng)間互干擾問題是LTE-U部署必須解決的問題，需設(shè)計合理的共存機制以實現(xiàn)平等友好的頻譜共享。針對上述問題，本文首先分析研究了LTE-U的關(guān)鍵技術(shù)，然后從頻率使用、載波聚合方案、網(wǎng)絡(luò)部署策略、干擾規(guī)避等方面探討研究了LTE-U對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的影響，針對性的提出了以提升中國移動LTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與建設(shè)效率為目標(biāo)的LTE-U網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略，為中國移動未來LTE-U部署提供參考。

2 LTE-U關(guān)鍵技術(shù)

2.1 我國非授權(quán)頻譜

非授權(quán)頻譜是指滿足一定發(fā)射功率(一般低于1 W)，且不對鄰近頻段造成干擾、不需要無線電管理機構(gòu)授權(quán)就能直接使用的頻譜資源。截至2014年底，我國已經(jīng)開放了5 150～5 350 MHz和5 725～5 850 MHz兩個頻段作為無線接入系統(tǒng)的非授權(quán)頻譜，5 470～5 725 MHz頻段的開放工作正在推進中[2]。屆時我國5 GHz非授權(quán)頻譜總量將達(dá)到580 MHz，與Wi-Fi共用共享這些頻譜資源將極大的緩解LTE授權(quán)頻譜資源短缺和容量受限問題，因而LTE-U受到越來越多的重視，具有廣闊的技術(shù)應(yīng)用前景。

2.2 LTE-U技術(shù)方案

LTE-U技術(shù)論壇就LTE在非授權(quán)頻譜上的部署方式提出了3種技術(shù)方案：授權(quán)輔助接入（Licensed-Assisted Access，LAA）、雙連接（Dual Connectivity，DC）和無授權(quán)輔助接入（Standalone)[2，3]（如圖2所示）。LAA方案提出了兩種非授權(quán)頻譜使用方式：DL-only和DL+UL，主要思想是采用載波聚合技術(shù)將授權(quán)頻譜LTE和非授權(quán)頻譜LTE-U聚合，利用授權(quán)LTE傳送關(guān)鍵信息和保證QoS，LTE-U則配置為下行補充鏈路（DL-only）或上/下行鏈路（DL+UL），提供額外的無線資源。雙連接DC則是指用戶終端同時在授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜上建立連接，其中授權(quán)LTE發(fā)送系統(tǒng)廣播信息，用于實現(xiàn)控制平面的功能；在數(shù)據(jù)平面，小基站數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以在授權(quán)LTE或LTE-U上發(fā)送。而無授權(quán)輔助接入（Standalone）則是將LTE單獨部署在非授權(quán)頻譜上，不存在授權(quán)頻譜連接鏈路。

圖2 LTE-U部署方案示意圖[3]

3GPP將LAA方案作為重點研究項目在R13中推進相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，而雙連接和無授權(quán)輔助接入兩種方案則留待未來考慮，因此本文后續(xù)研究基于LAA方案展開。

2.3 LTE-U部署場景

3GPP R13給出了LTE-U的4種部署場景，分別考慮了宏蜂窩覆蓋、室內(nèi)/室外部署和授權(quán)載波與非授權(quán)載波間的協(xié)同定位等因素，如圖3所示。各部署場景中可以有一個或多個授權(quán)/非授權(quán)載波，且小基站間的回程鏈路可以是理想或非理想回程，但非授權(quán)小區(qū)與授權(quán)小區(qū)載波聚合時，兩者間必須是理想回程（理想回程是指無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)間的鏈路是單程時延小于2.5μs、吞吐量10 Gbit/s的光纖鏈路；而低于此性能的回程鏈路即為非理想回程，可為光纖、DSL、有線電視電纜或無線鏈路等）。

圖3 LTE-U部署場景[2]

場景1是授權(quán)宏蜂窩與非授權(quán)小基站間異頻組網(wǎng)時載波聚合的場景；場景2則是沒有宏蜂窩覆蓋時，授權(quán)小基站與非授權(quán)小基站間異頻組網(wǎng)載波聚合的場景；場景3中考慮了授權(quán)宏蜂窩和授權(quán)小基站同頻組網(wǎng)，而授權(quán)小基站與非授權(quán)小基站間異頻組網(wǎng)載波聚合的場景；場景4則是在授權(quán)宏蜂窩、授權(quán)小基站與非授權(quán)小基站三者異頻組網(wǎng)時，授權(quán)/非授權(quán)小基站間載波聚合的場景。如果場景4中授權(quán)宏蜂窩與授權(quán)小基站間是理想回程，則可在授權(quán)宏蜂窩、授權(quán)小基站與非授權(quán)小基站間進行載波聚合。

2.4 LTE-U與Wi-Fi共存

LTE-U在非授權(quán)頻譜上成功部署的最大挑戰(zhàn)是解決LTE與Wi-Fi共存干擾問題。Wi-Fi使用載波感知多址接入和沖突避免（CSMA/CA）的信道接入方式，是一種基于競爭的信道接入?yún)f(xié)議。而LTE對信道的使用具有獨占性和排他性，LTE-U長期占用非授權(quán)頻譜信道資源，必然導(dǎo)致Wi-Fi傳輸效率的大幅下降。如何設(shè)計兩系統(tǒng)共存機制，實現(xiàn)友好公平的頻譜共享是LTE-U必須解決的問題。

我國無線電管理機構(gòu)對使用非授權(quán)頻譜的監(jiān)管措施主要是限制發(fā)射功率以避免干擾其它用戶和鄰近頻段用戶，對具體的共存機制沒有要求。Qualcomm在文獻(xiàn)[4]中針對這種情況提出了解決LTE-U與Wi-Fi互干擾問題的共存機制（如圖4所示），包括信道選擇、LTE-U小區(qū)DTX（Discontinuous Transmission），如圖5所示和LTE-U小區(qū)機會開/關(guān)。

在使用非授權(quán)頻譜時，LTE-U首先基于信道測量結(jié)果選擇未占用信道進行傳輸，避免LTE-U之間或LTE-U與Wi-Fi間的干擾。LTE-U稀疏部署時，信道選擇算法基本可以規(guī)避大部分干擾。而LTE-U密集部署時，LTE-U監(jiān)聽共享信道中的活躍Wi-Fi，在不存在未占用信道時采用自適應(yīng)或靜態(tài)TDM傳輸模式，實現(xiàn)公平頻譜共享。另外還可根據(jù)授權(quán)頻譜LTE小區(qū)的流量負(fù)載情況，打開或關(guān)閉LTE-U小區(qū)，從而減少LTE-U對Wi-Fi的小區(qū)參考信號（CRS）干擾。

圖4 LTE-U與Wi-Fi共存機制[4]

通過這些共存機制，LTE-U可以在不改變LTE物理層和MAC層協(xié)議的前提下實現(xiàn)與Wi-Fi的友好共存。文獻(xiàn)[1]中基于此共存機制對LTE-U與Wi-Fi的共存性能進行了評估，證實了LTE-U切實提升了LTE用戶的下載速率；LTE-U小區(qū)代替部分Wi-Fi節(jié)點后，Wi-Fi吞吐量也并未下降，多數(shù)場景下有明顯提升。

3 LTE-U網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略

3.1 頻率使用策略

我國5GHz非授權(quán)頻譜中，5 150～5 350 MHz用于室內(nèi)部署，由公眾共享，面臨更為擁塞的信道環(huán)境和復(fù)雜的干擾情況，并且5 250～5 350 MHz對設(shè)備的動態(tài)頻率選擇DFS、發(fā)射功率控制TPC和輻射功率等方面都有嚴(yán)格要求；5 725～5 850 MHz則室內(nèi)室外都可部署，運營商共用，面臨干擾較少，且頻段使用要求未包含DFS和TPC功能[2]。因而建議優(yōu)先在5 725～5 850 MHz頻段室內(nèi)部署LTE-U，減少其面臨的干擾問題，加快LTE-U商用進程。長遠(yuǎn)考慮，隨著具備TPC/DFS功能的LTE-U設(shè)備開發(fā)成熟和LTE-U與Wi-Fi干擾共存機制的標(biāo)準(zhǔn)化進展，LTE-U的部署應(yīng)擴展到室外及5 150～5 350 MHz和未來5 470～5 725 MHz頻段。這需要中國移動發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈引領(lǐng)作用，推動LTE-U設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)化工作的成熟。

圖5 LTE-U小區(qū)DTX示意圖

另一方面，移動通信產(chǎn)業(yè)界正在為移動通信爭取更多的授權(quán)頻譜，LTE-U技術(shù)引入帶來的可用頻譜總量大幅增加的情況很可能會對此產(chǎn)生沖擊。LTE-U技術(shù)可使用豐富的非授權(quán)頻譜資源，這將減少移動通信對授權(quán)頻譜的需求，進而影響國際國內(nèi)無線頻譜管理機構(gòu)對移動通信頻譜的劃分與分配。因而，中國移動需要綜合考慮自己的頻譜使用申請策略，在優(yōu)先保證TD-LTE/ FDD LTE網(wǎng)絡(luò)頻譜需求的情況下，推進LTE-U頻率分配使用，保證LTE網(wǎng)絡(luò)合理健康發(fā)展。

3.2 載波聚合方案

LAA方案基于載波聚合技術(shù)，要求必須有授權(quán)頻譜作為LTE主載波與LTE-U（輔載波）聚合[2]?，F(xiàn)階段中國移動只有TD-LTE牌照，因而只能以授權(quán)TDLTE作為主載波，采用DL+UL方案與LTE-U進行載波聚合。DL+UL方案要求移動終端同時支持上下行載波聚合，對終端要求較高。而且中國移動TD-LTE頻率包括F/D/E 3個頻段，因而需要考慮“F/D/ E+U” 3種不同的頻帶間載波聚合方案。結(jié)合LTE-U頻率使用策略，初期主要考慮用于室內(nèi)覆蓋的E頻段與LTE-U之間的載波聚合；而未來隨著LTE-U的室外部署，則需要考慮F/D頻段與LTE-U的載波聚合。另外為了避免交叉時隙干擾，建議采用相同時隙配比的載波聚合方案以對齊LTE子幀。

中國移動目前也在積極申請LTE FDD牌照，并在穩(wěn)步推進GSM頻率重耕以騰出部分FDD頻譜進行LTE FDD組網(wǎng)試驗，因而在LTE-U網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中應(yīng)提早考慮以授權(quán)LTE FDD為主載波的DL-only載波聚合方案研究，配合中國移動FDD網(wǎng)絡(luò)發(fā)展步伐，提前布局，搶占先機，實現(xiàn)TDD與FDD網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展。

由于頻段、制式的多樣化，LTE-U載波聚合方案也呈現(xiàn)多樣化，這對移動終端的載波聚合能力提出了超高的要求。中國移動需要發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈的主導(dǎo)優(yōu)勢，爭取終端廠商的支持，突破終端上行載波聚合和多頻段頻帶間載波聚合等能力限制，推動終端商用化，為用戶提供更好的上傳下載體驗，鞏固自己的領(lǐng)先地位和品牌形象。

3.3 網(wǎng)絡(luò)部署策略

LTE-U利用非授權(quán)頻譜資源，為LTE網(wǎng)絡(luò)帶來巨大的擴容空間，成為運營商解決日益嚴(yán)重的流量需求與頻譜資源短缺矛盾的解決方案。在中國移動現(xiàn)階段LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)中，需要考慮、兼顧后續(xù)LTE-U網(wǎng)絡(luò)部署和擴容問題，在可能部署LTE-U的站點提前預(yù)留設(shè)備空間和接口，并保留在獲得FDD牌照后向FDD升級演進的能力。

中國移動現(xiàn)階段LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進入到深度覆蓋階段，通過增加宏基站或部署小基站進行補盲、補熱?？紤]到LTE-U標(biāo)準(zhǔn)化工作進展和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資成本，LTE-U將主要用于未來LTE網(wǎng)絡(luò)擴容，通過載波聚合技術(shù)使用豐富的非授權(quán)頻譜資源，解決高價值、高流量區(qū)域的容量需求。這需要分區(qū)域、分場景的進行LTE網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃，根據(jù)容量增長預(yù)測結(jié)果，將LTE-U部署在網(wǎng)絡(luò)容量壓力巨大且已有載波擴容潛力消耗殆盡的地區(qū)。另外，由于LTE-U部署在5GHz高頻段，傳播性能較差，頻段覆蓋范圍較小，在未來LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)條件下，需要合理規(guī)劃LTE-U覆蓋范圍，采用小基站小半徑視距覆蓋，實現(xiàn)LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的無縫對接，為用戶提供優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)體驗。

3.4 干擾規(guī)避

LTE-U在5 GHz非授權(quán)頻譜上部署時不僅面臨LTE-U與Wi-Fi之間的干擾，也包括不同運營商間的LTE-U干擾。因為LTE技術(shù)本身具有的功率控制和輻射功率限制等，LTE-U間的互干擾相對較小，可采用現(xiàn)有的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)ICIC、eICIC（Enhanced ICIC）及FeICIC（Further eICIC）等技術(shù)解決。而LTE-U與Wi-Fi系統(tǒng)間的互干擾問題，則需要合理公平的共存機制以實現(xiàn)兩系統(tǒng)友好共存。

歐洲、日本等地區(qū)使用非授權(quán)頻譜時要求LBT（Listen Before Talk，先聽后講），即使用頻段前需要先監(jiān)聽評估該頻段是否被占用，設(shè)備占用空閑頻段且不超過10 ms，然后釋放頻段重新開始LBT進程；而北美、韓國和中國等地區(qū)則沒有LBT限制。為了保證LTE-U技術(shù)滿足全球市場的需求，3GPP在LAA標(biāo)準(zhǔn)化中采用基于LBT機制的動態(tài)頻率選擇DFS技術(shù)來規(guī)避LTE-U與Wi-Fi間的互干擾，這是LTE-U長遠(yuǎn)發(fā)展的保證。對于中國移動而言，LTE-U初期部署時可考慮采用2.4章節(jié)中介紹的共存機制來規(guī)避干擾。但長遠(yuǎn)來看，部署具有LBT機制的LTE-U是必然趨勢，中國移動應(yīng)積極參與LAA相關(guān)共存機制的標(biāo)準(zhǔn)化工作，引領(lǐng)實現(xiàn)LTE-U和Wi-Fi的友好公平共存，為LTE-U獲得更廣闊的發(fā)展空間。

4 總結(jié)

LTE-U技術(shù)作為一種切實可行的非授權(quán)頻譜使用方法，正獲得越來越多的運營商和設(shè)備商的重視，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作也在穩(wěn)步推進。作為全球TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)導(dǎo)者，中國移動應(yīng)積極參與并引領(lǐng)LTE-U技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，關(guān)注LTE-U頻譜分配情況，提早規(guī)劃頻譜使用和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略，保證中國移動LTE網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)先地位，提高LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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，楊旸. LTE和Wi-Fi系統(tǒng)間靈活頻譜使用關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中興通訊技術(shù)，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