LTE-U欲發(fā)展，需先解決與Wi-Fi共存問題

中國信息通信研究院通信信息所 | 聞立群

北京信諾司法鑒定所 | 門汝寧

LTE-U欲發(fā)展，需先解決與Wi-Fi共存問題

中國信息通信研究院通信信息所 | 聞立群

北京信諾司法鑒定所 | 門汝寧

LTE-U的發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中與現(xiàn)有的Wi-Fi生態(tài)系統(tǒng)共存是最大壓力，如果沒有互相認(rèn)可的共存標(biāo)準(zhǔn)，LTE-U和Wi-Fi生態(tài)系統(tǒng)將存在“公地悲劇”的風(fēng)險(xiǎn)。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的激增以及智能設(shè)備的快速增長，給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)容量帶來巨大壓力。授權(quán)頻段，尤其是價(jià)值較高的低頻段資源不僅有限，并正被快速增長的用戶群迅速消耗。全球范圍內(nèi)，5GHz免許可頻段還擁有相當(dāng)一部分的可用頻譜，移動(dòng)運(yùn)營商和設(shè)備商都在尋求使用此頻段提升許可頻段載波容量的方法。為此，2013年12月召開的3GPP無線電接入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)上，高通、愛立信、Verizon、中國移動(dòng)、華為和其他倡導(dǎo)者正式提出“LTE-Unlicense(即LTE-U）”，將LTE擴(kuò)展至免許可頻段，通過使用免許可頻段承載移動(dòng)服務(wù)的數(shù)據(jù)流量，并作為許可頻段的補(bǔ)充提升LTE網(wǎng)絡(luò)容量。這個(gè)免許可頻段聚焦在5725～5850MHz。

為緩解容量壓力而生

3GPP提出的LTE-U技術(shù)框架,將免許可頻段作為許可頻段的補(bǔ)充，通過載波聚合框架來分流盡力而為的(best-effort)業(yè)務(wù)流量，因此LTE-U也稱為授權(quán)輔助接入(Licensed Assisted Access)。在該框架中，主蜂窩在許可頻段承載關(guān)鍵控制信令、移動(dòng)性和用戶數(shù)據(jù)等高服務(wù)質(zhì)量需求的數(shù)據(jù)，次蜂窩則在免許可頻段承載服務(wù)質(zhì)量需求不高的盡力而為業(yè)務(wù)。

將免許可頻段聚合至許可載波以提升容量的方式主要有三種，其中前兩種比較常見。

一是補(bǔ)充下行鏈路模式（SDL），即免許可頻段只被用來做下行鏈路傳輸，這在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中很典型；二是載波聚合模式（CA），即允許免許可頻段用于下行鏈路和上行鏈路，如典型的LTE TDD系統(tǒng)，它最關(guān)鍵優(yōu)勢就是靈活調(diào)節(jié)用于上行和下行鏈路免許可頻段資源的量。在SDL和CA模式中，免許可頻段都僅用于數(shù)據(jù)層，所有的控制層流量都由許可頻段處理，運(yùn)營商對許可和免許可頻段資源同時(shí)進(jìn)行控制。目前3GPP主要LTE-U倡議者對部署場景多聚焦于SDL模式，因?yàn)樗鼘\(yùn)營商來說可以實(shí)現(xiàn)簡單部署和運(yùn)營，同時(shí)降低設(shè)備的復(fù)雜性。

還有第三種模式稱為獨(dú)立模式（SA），即在免許可頻段獨(dú)立運(yùn)行LTE而不使用許可頻段。目前這種模式還沒有在3GPP內(nèi)正式提出，但實(shí)際上3GPP已設(shè)想把LTE-U給具有授權(quán)頻段的無線運(yùn)營商使用，這就將沒有頻段許可證的運(yùn)營商排除在外。

助運(yùn)營商拓展服務(wù)內(nèi)容

由于目前管制政策一般限制免許可運(yùn)營的最大傳輸功率為1瓦特甚至更低，因此LTE-U需部署在室外場地或室內(nèi)小基站。同時(shí)，LTE-U的誕生給運(yùn)營商帶了許多便利。

首先，便于LTE網(wǎng)絡(luò)管理。運(yùn)營商使用LTE-U的一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)機(jī)是幫助他們在單一無線電接入技術(shù)下獲得更多的可用頻譜。目前，部分移動(dòng)運(yùn)營商正使用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)卸載流量以減輕蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，通過在一個(gè)技術(shù)（LTE）下結(jié)合使用許可和免許可頻段，運(yùn)營商期待能夠簡化網(wǎng)絡(luò)管理，使LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)管理及安全能力得到緊密整合，同時(shí)獲得對免許可頻段的控制。此外，許可和免許可頻段上單一的無線電技術(shù)也有利于更好的控制用戶體驗(yàn)。

其次，可幫助有線運(yùn)營商參與有線移動(dòng)服務(wù)。對于沒有授權(quán)頻譜的有線運(yùn)營商來說，LTE-U提供了幾種參與移動(dòng)價(jià)值鏈的方式：一是“LTE-U小基站即服務(wù)”（SCaaS）模式，有線運(yùn)營商可以建設(shè)LTE-U小基站，以批發(fā)的形式向多個(gè)移動(dòng)運(yùn)營商提供SCaaS；二是有線運(yùn)營商可充分利用LTE-U小基站向MVNO（移動(dòng)虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商）提供零售移動(dòng)服務(wù)；三是用LTE-U獨(dú)立模式擴(kuò)展有線Wi-Fi概念，將LTE-U SA模式作為另外一種向家庭用戶提供端到端服務(wù)的方式。

與Wi-Fi存“公地悲劇”風(fēng)險(xiǎn)

LTE-U的發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中與現(xiàn)有的Wi-Fi生態(tài)系統(tǒng)共存是最大壓力。缺乏相互干擾的協(xié)調(diào)和管理，是不同無線技術(shù)在免許可頻段發(fā)展上遭遇的共同問題，盡管大多數(shù)技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)能夠處理同種類系統(tǒng)之間的干擾，但因不同系統(tǒng)具有不同的時(shí)隙、調(diào)度模式，因此他們之間的干擾處理存在一定困難，需要兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP（for LTE）和IEEE（for Wi-Fi）研究解決。如果沒有互相認(rèn)可的共存標(biāo)準(zhǔn)，LTE-U和Wi-Fi生態(tài)系統(tǒng)將存在“公地悲劇”的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 LTE-U標(biāo)準(zhǔn)化年份圖

Wi-Fi使用免許可頻段，同時(shí)與其他多個(gè)無線電技術(shù)競爭頻譜資源，因此被設(shè)計(jì)為異步的、分散的。Wi-Fi使用載波感知多址接入和沖突避免信道接入方式（CSMA/CA），在這種基于競爭的信道接入?yún)f(xié)議中，Wi-Fi節(jié)點(diǎn)（AP或者設(shè)備）在某個(gè)信道進(jìn)行傳輸前先“監(jiān)聽”，只有當(dāng)一個(gè)信道被認(rèn)為是“空著”（也就是探測到的干擾水平低于某一門檻值）的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)才會(huì)被允許進(jìn)行信號(hào)傳輸；如果信道被監(jiān)測到“被占用”狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)將推遲一段時(shí)間（隨機(jī)）再進(jìn)行信號(hào)傳輸以免沖突?；诖?，Wi-Fi在有許多設(shè)備競爭使用公共免許可頻譜資源的高密度環(huán)境中效率不高。

與Wi-Fi不同，網(wǎng)絡(luò)分配給LTE的資源要有效率的多。LTE使用授權(quán)頻段，可以保證頻譜的絕對使用權(quán)，因此被設(shè)計(jì)為同步的、集中式的。LTE使用OFDMA信道接入技術(shù)，允許同時(shí)傳輸，伴隨優(yōu)化的頻率和時(shí)間分配，一般不進(jìn)行載波感知探測（因?yàn)樵摷夹g(shù)認(rèn)為許可頻段的獨(dú)家使用權(quán)），根據(jù)控制和管理信令安排最佳信道。因此，整體而言，LTE在分配頻譜資源方面更加“侵略性”，Wi-Fi則更加“禮貌”。

如果不指定LTE和Wi-Fi的共存標(biāo)準(zhǔn)，只簡單將LTE-U作為LTE的“新頻段”而沒有共存機(jī)制，很可能導(dǎo)致LTE-U擠走Wi-Fi。諾基亞在最近的報(bào)告中強(qiáng)調(diào)了這種風(fēng)險(xiǎn)。在諾基亞的研究中，評估了LTE和Wi-Fi兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)處于“稀疏”和“密集”環(huán)境下共存的系統(tǒng)性能表現(xiàn)。仿真結(jié)果顯示，LTE系統(tǒng)性能在Wi-Fi使用相同頻段時(shí)幾乎沒有任何變化（在大多數(shù)情況下小于4%），而Wi-Fi在LTE出現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)性能顯著降低（在“稀疏”環(huán)境中大約70%，在“密集”環(huán)境下超過90%）。主要原因是，Wi-Fi的使用經(jīng)常被LTE共信道干擾阻止，使得Wi-Fi大部分時(shí)間總是處于“監(jiān)聽”模式，顯著影響了用戶的吞吐量。如果設(shè)定共存機(jī)制，例如基于Wi-Fi和LTE信道措施的“智能”信道選擇，那么Wi-Fi的性能降低將可能有所改善。實(shí)際上，LTE-U與Wi-Fi能否共存，最終還是取決于LTE-U在各種共存場景中的“侵略”或“友好”程度，但該問題目前還沒有得到生態(tài)系統(tǒng)各參與實(shí)體的有效制約和解決。因此，筆者預(yù)計(jì)LTE-U網(wǎng)絡(luò)必將導(dǎo)致共存問題。

發(fā)展受到免許可頻段政策影響

全球各地區(qū)對免許可頻段政策并不是一致的，大體分為兩類：一類政策沒有涉及免許可頻度用戶間共存要求和規(guī)定，在免許可頻段的監(jiān)管主要是限制發(fā)射功率，以避免干擾相鄰頻段和共頻段的首要用戶，代表國家有美國、中國、韓國等；另一類政策在免許可頻段設(shè)定了具體的共存協(xié)議，即“先聽后講”（listen before talk），一般都復(fù)制了Wi-Fi的CSMA/CA操作，代表國家是歐洲、日本和印度。

不同的管制要求將影響LTE-U的推出。在沒有共存要求的地區(qū)，LTE-U在理論上可以按照“原樣”部署，沒有額外的在共存方面的管制要求，因此可能會(huì)較早出現(xiàn)LTE-U的網(wǎng)絡(luò)部署。在規(guī)則上有具體共存參數(shù)要求的地區(qū)，LTE-U則需要額外的技術(shù)改進(jìn)和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，推出網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間點(diǎn)會(huì)更晚也更為統(tǒng)一。

目前，LTE-U已經(jīng)納入3GPP Release 13標(biāo)準(zhǔn)，并將于2016年正式推出，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將在2016年完成，相應(yīng)產(chǎn)品將于2017年問世。不過，標(biāo)準(zhǔn)化前的產(chǎn)品可以在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)前問世，如美國、中國等地區(qū)，可能會(huì)出現(xiàn)專有解決方案和網(wǎng)絡(luò)部署，這些專有方案并不能滿足歐洲等地區(qū)的管制要求。由于標(biāo)準(zhǔn)化前的共存特點(diǎn)還是未知，3GPP共存特性是否會(huì)在這些地區(qū)采用也未可知，因此，可能會(huì)出現(xiàn)多種專有方式共存的局面，并可能持續(xù)一段時(shí)間。

共存設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧公平和效率

Wi-Fi和LTE-U數(shù)據(jù)傳輸如果同時(shí)進(jìn)行將相互干擾，因?yàn)閃i-Fi包含共存程序，允許多個(gè)Wi-Fi系統(tǒng)共存；而LTE則假設(shè)只有一個(gè)運(yùn)營商單獨(dú)使用頻譜。因此，如何實(shí)現(xiàn)LTE-U與Wi-Fi公平共存而不降低數(shù)據(jù)吞吐量效率，是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題。理想情況下的共存需求和解決方案，應(yīng)該給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)提供公平使用頻譜的機(jī)會(huì)，同時(shí)滿足當(dāng)?shù)氐墓苤埔?，其中占用頻譜時(shí)間的公平性和數(shù)據(jù)吞吐量效率，是需要最重要的兩個(gè)因素。

傳輸時(shí)間公平等同于參與者們平等的使用頻譜量。共存機(jī)制理想上需要給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供相等的使用機(jī)會(huì)，尤其要保證每個(gè)網(wǎng)絡(luò)在流量達(dá)到或超過空中接口數(shù)據(jù)吞吐容量時(shí)，能使用相等的頻譜。如在流量高峰時(shí)期，有10個(gè)網(wǎng)絡(luò)想使用美國UNII-3頻段的100MHz非授權(quán)頻段，那么每個(gè)網(wǎng)絡(luò)英國得到平均10MHz的頻譜，而并不需要給網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備提供相同的平均數(shù)據(jù)速率，因?yàn)樗俾蚀笮∪Q于許多因素。

共存機(jī)制還應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)速率效率。許多共存技術(shù)在確保傳輸時(shí)間公平時(shí)，都以犧牲數(shù)據(jù)速率公平為代價(jià)。如信道評估時(shí)間增長，退回等待時(shí)間增加,設(shè)備可以傳輸?shù)臅r(shí)間變短等，都能降低設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸效率。

LTE-U的設(shè)計(jì)方向之一是采用與Wi-Fi相同的模式。LTE-U在傳輸信號(hào)前首先監(jiān)聽信道以確保信道是空的。LTE在傳輸過程中也應(yīng)該保證不長時(shí)間占據(jù)頻譜，以確保和Wi-Fi傳輸時(shí)間的公平，這種情況下，LTE的效率優(yōu)勢將顯著降低。如果只將LTE-U設(shè)計(jì)成簡單的更新頻段的LTE技術(shù),則LTE-U的數(shù)據(jù)吞吐量將達(dá)到Wi-Fi的5倍，但LTE-U的效率是依賴其集中化和空中接口連續(xù)使用的優(yōu)勢，如果將Wi-Fi一樣的共存程序應(yīng)用于LTE-U，那么相較Wi-Fi，LTE-U將失去原本的效率優(yōu)勢。

LTE-U的另一個(gè)設(shè)計(jì)方向是使用調(diào)度機(jī)制暫時(shí)釋放信道。尤其是TDD LTE-U，可以設(shè)計(jì)成每隔Y個(gè)時(shí)幀暫停傳送數(shù)據(jù)X個(gè)時(shí)幀，這種占空比的方式。這樣不僅可以保持LTE-U的效率，還可以讓其它技術(shù)在LTE-U數(shù)據(jù)傳輸占空比期間進(jìn)行傳輸，以提高頻譜利用率。

可見，對于所有的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)占用時(shí)間公平的原則，很可能會(huì)降低LTE-U的數(shù)據(jù)吞吐效率，因此，需要合理設(shè)計(jì)LTE-U。

LTE-U發(fā)展前景不甚明朗

LTE-U若順利發(fā)展首先需解決共存問題。LTE-U雖能在越來越擁擠的免許可頻段給用戶帶來更高的數(shù)據(jù)吞吐量，但這個(gè)特性也使得其在非授權(quán)頻段與其它技術(shù)共存問題方面存在挑戰(zhàn)。雖然一些國家并沒有共存要求，但最終LTE-U必須解決與Wi-Fi的共存問題才能得以發(fā)展。

也是基于上述原因，LTE-U不會(huì)取代Wi-Fi。因?yàn)長TE-U所宣稱的高數(shù)據(jù)傳輸效率是以獨(dú)占頻譜為前提的，而LTE-U需要解決與Wi-Fi的共存問題，但實(shí)現(xiàn)中二者共存公平是以犧牲LTE-U的效率為代價(jià)的。因此，LTE-U與Wi-Fi相比將沒有明顯的效率優(yōu)勢，并不會(huì)取代Wi-Fi。

目前，LTE-U在全球部署步伐并不一致。在美國、中國和韓國等沒有非授權(quán)頻段共存機(jī)制要求的國家，會(huì)有運(yùn)營商率先部署LTE-U，時(shí)間點(diǎn)在2015～2016年（標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)前），這可能影響Wi-Fi的使用。而在歐洲、日本和印度等有明確非授權(quán)頻段共存機(jī)制要求的國家和地區(qū)，LTE-U的部署時(shí)間將比較晚，需要先在技術(shù)層面達(dá)到管制要求才能推出，而這并不影響Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的使用。

此外，一些運(yùn)營商持反對態(tài)度也使得LTE-U的未來發(fā)展面臨不確定性。雖然有中國移動(dòng)、Verizon、愛立信、高通等大型運(yùn)營商和設(shè)備商的支持，但也有些移動(dòng)運(yùn)營商的積極性并不高甚至反對，如AT&T、Orange、Vodafone、Telefonica SA等。主要原因在于這些運(yùn)營商已經(jīng)部署了大量的Wi-Fi作為其核心網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，如果建設(shè)LTE-U則降低了此前投資的價(jià)值。