3GPPLAA-LTE物理層關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究

石俊峰　國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司工程師

何清素　國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司高級工程師

郭寶賢　國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司高級工程師

趙嬌嬌　北京郵電大學(xué)碩士研究生

發(fā)展策略

3GPPLAA-LTE物理層關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究

石俊峰國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司工程師

何清素國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司高級工程師

郭寶賢國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司高級工程師

趙嬌嬌北京郵電大學(xué)碩士研究生

隨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和智能終端的快速增長，授權(quán)頻譜資源的日益匱乏，LTE網(wǎng)絡(luò)正面臨著提高頻譜利用率及用戶體驗等各方面的考驗?？紤]到非授權(quán)頻段擁有豐富的頻譜資源，如何實現(xiàn)將LTE部署在該頻段以減輕現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)成為關(guān)注的熱點(diǎn)。因此，3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織將LTE輔助授權(quán)接入（Licensed-assistedaccess，LAA）列為LTER13的重點(diǎn)研究項目。本文對LAA展開深入研究，并介紹其基本內(nèi)容及物理層關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

3GPP LAA-LTE物理層關(guān)鍵技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)化 LBT頻率復(fù)用

1　引言

隨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及智能終端的爆炸式增長，LTE網(wǎng)絡(luò)面臨著提高頻譜利用率，滿足用戶高傳輸速率、低時延的需求等各方面的考驗。同時，授權(quán)頻段頻譜資源日益匱乏，容易造成室內(nèi)和公共熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)擁堵，降低LTE網(wǎng)絡(luò)的性能。與授權(quán)頻段相比，非授權(quán)頻段具有豐富的頻譜資源，如5GHz頻段擁有近500MHz的可用頻譜，且在滿足相關(guān)管制要求下，不需要授權(quán)就可以直接使用。面對無線通信業(yè)務(wù)增長和頻譜資源有限性之間的矛盾，移動運(yùn)營商和設(shè)備商紛紛將目光投向了非授權(quán)頻段，探討如何將LTE網(wǎng)絡(luò)部署在該頻段，以減輕現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

2014年9月，3GPP組織將LTE輔助授權(quán)接入（Licensed-assistedAccessUsingLTE，LAA-LTE）列為下一代LTE增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)（R13）的重點(diǎn)研究項目，擴(kuò)展LTE網(wǎng)絡(luò)的工作頻段，使其可以工作在非授權(quán)頻段。本文首先介紹了LAA的基本內(nèi)容，其次研究了LAA物理層關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了歸納與分析。

2　LAA系統(tǒng)

LAA的主要思想是采用載波聚合技術(shù)，聚合一個主小區(qū)（Pcell）和一個或者多個輔小區(qū)（Scell）。主小區(qū)工作在授權(quán)頻段，主要用于發(fā)送重要信息，管理服務(wù)質(zhì)量等；輔小區(qū)工作在非授權(quán)頻段，機(jī)會主義地提高數(shù)據(jù)傳輸速率。輔小區(qū)可以配置為僅支持下行或者同時支持上下行，圖1為僅支持下行的情況。

因非授權(quán)頻段上存在著不同的運(yùn)營商或者不同的通信系統(tǒng)，擴(kuò)展LTE網(wǎng)絡(luò)，使其工作在非授權(quán)頻段上，不同的運(yùn)營商或者不同的通信系統(tǒng)之間有效、公平共存問題，是LAA設(shè)計時需要考慮的問題。3GPP指出，LAA系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)使得：LAA可以在任何地區(qū)的管理要求下運(yùn)行，且提供足夠的可配置性；與Wi-Fi有效、公平共存，具體是指在吞吐量和時延方面，LAA對Wi-Fi服務(wù)的影響應(yīng)不超過工作在同一載波上的另一個Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)對此Wi-Fi服務(wù)的影響；不同運(yùn)營商部署的LAA網(wǎng)絡(luò)之間的有效、公平共存。

LAA需要具備的功能包括多個方面，涉及信道接入機(jī)制、資源管理等，具體如下：

（1）監(jiān)聽避讓機(jī)制（ListenBeforeTalk）：監(jiān)聽避讓機(jī)制，使無線局域網(wǎng)之間有效共享相同的頻譜資源。設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送前，先進(jìn)行空閑信道評估（CCA），CCA利用能量檢測來確定信道是否空閑。

（2）動態(tài)頻率選擇：動態(tài)頻率選擇旨在檢測來自雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，避免同雷達(dá)系統(tǒng)工作在同一信道；如果檢測到雷達(dá)數(shù)據(jù)，則將傳輸迅速切換到其他信道。

（3）載波選擇：非授權(quán)頻段有大量可用的頻譜資源，LAA可以選擇低干擾的載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（4）傳輸功率控制：傳輸功率控制是某些地區(qū)的強(qiáng)制性要求，發(fā)送設(shè)備能夠在最大標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送功率的基礎(chǔ)上降低3～6dB。

（5）具有最大傳輸時間限制的載波間歇傳輸：在非授權(quán)頻段，信道可用性并不能時刻得到保證。而且在某些地區(qū)，如歐洲和日本，禁止非授權(quán)頻段上的連續(xù)傳輸，并對傳輸脈沖的最大時間進(jìn)行了限制。因此，具有最大傳輸時間限制的間歇傳輸是LAA的一個必需功能。

（6）RRM測量（包括小區(qū)識別）：包括小區(qū)識別的無線資源管理（RRM）測量，可使Scells進(jìn)行移動，在非授權(quán)頻段穩(wěn)健運(yùn)行。

（7）AGC設(shè)置。

（7）粗同步。

（8）至少對于解調(diào)的頻率/時間精確估計。

（9）信道狀態(tài)信息（CSI）測量，包括對信道本身以及干擾的測量。

圖1　LAA示意圖

3　LAA物理層標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

LAA的標(biāo)準(zhǔn)化與其他3GPP標(biāo)準(zhǔn)化項目相同，分為研究項目（SI）和工作項目（WI）兩個階段。SI階段主要的目標(biāo)是研究LTE網(wǎng)絡(luò)可以工作在非授權(quán)頻段，且確保與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)公平共存所需要的改進(jìn)。WI階段主要的目標(biāo)是制定具體的技術(shù)規(guī)范，關(guān)注輔小區(qū)配置為僅支持下行的情況，主要有包含空閑信道評估的信道接入框架、具有最大傳輸時間的間歇傳輸、UE支持的載波選擇、RRM測量和CSI測量等。此外，WI階段還需要對基站和用戶于5GHz頻譜的核心需求進(jìn)行規(guī)范。本文主要研究LAA物理層關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，包括信道接入機(jī)制、頻譜復(fù)用、CSI測量和上報、隱藏節(jié)點(diǎn)和載波選擇。

3.1信道接入機(jī)制

LBT（ListenBeforeTalk），即先聽后說，是保證LTE技術(shù)引進(jìn)未授權(quán)頻段最重要的保證機(jī)制，也是LAA系統(tǒng)中許多其他設(shè)計的基礎(chǔ)。因為非授權(quán)頻段上信道的可用性并不能時刻得到保證，LBT要求在傳輸數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道，進(jìn)行空閑信道評估（CCA），在確保信道空閑的情況下再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。3GPP對各種信道接入機(jī)制進(jìn)行了評估，主要包括：

（1）無LBT

在世界上某些地區(qū)和國家，并不強(qiáng)制要求在非授權(quán)頻段上實施LBT機(jī)制。

（2）無隨機(jī)退避LBT

采用固定時長的幀，包括信道占用時間和空閑時間。在要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前進(jìn)行CCA，如果信道空閑，則在隨后的信道占用時間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，否則在整個幀周期內(nèi)都無法傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)前確定信號是否空閑的時間長度是確定的。

無隨機(jī)退避LBT存在的問題是固定幀周期使得信道傳輸效率變低。另外，如果允許頻率復(fù)用，可能造成信道競爭方面的不公平。

（3）采用固定長度競爭窗口的隨機(jī)退避LBT

采用不固定幀周期的幀結(jié)構(gòu)，以負(fù)載變化為依據(jù)的模式。競爭窗口長度固定，采用的是擴(kuò)展CCA （ExtendedCCA），在檢測到信道空閑時，數(shù)據(jù)傳輸可以立即開始，否則就要進(jìn)入競爭窗口，即固定數(shù)目的ECCA窗口。

進(jìn)一步來說，為了保證和Wi-Fi的公平，引入了和Wi-Fi中相似的技術(shù)。在其中的特定時間插入一段延遲時間（DeferTime）。

（4）采用非固定長度競爭窗口的隨機(jī)退避LBT

在檢測到信道被占用或者到達(dá)最大傳輸時間之后，發(fā)送端進(jìn)入競爭窗口。與采用固定長度競爭窗口不同的是，發(fā)送端可以改變競爭窗口的長度。

3GPP建議采用上述第4種LBT機(jī)制，即非固定長度競爭窗口的隨機(jī)退避LBT，作為LAA下行包含PDSCH的信道接入機(jī)制的基礎(chǔ)，具體流程參見圖2。

圖2　下行LAASCel Cat4 LBT流程圖

3.2頻率復(fù)用

LTE系統(tǒng)頻率復(fù)用因子為1的特點(diǎn)，使得屬于同一運(yùn)營商的不同小區(qū)間可以使用同一頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高頻譜效率。此外，考慮到LAA的間歇傳輸以及與Wi-Fi等設(shè)備的干擾共存，在非授權(quán)頻段上盡可能以較短的時間完成數(shù)據(jù)傳輸是非常重要的。然而，由于非授權(quán)頻段上信道的可用性不能時刻得到保證，LAA系統(tǒng)必須進(jìn)行LBT操作，此機(jī)制會阻礙頻率復(fù)用因子1的實施。

在3GPPRAN1-LAAAd-Hoc會議上，同意將實現(xiàn)考慮LBT機(jī)制情況下的同一運(yùn)營商內(nèi)部相鄰小區(qū)間的頻率復(fù)用作為LAA的一個設(shè)計目標(biāo)。關(guān)于如何實現(xiàn)頻率復(fù)用，各方提出了不同的方法，總結(jié)起來包括：在同步LAA運(yùn)營商系統(tǒng)內(nèi)，利用同步空閑信道評估（CCA）和正交保留信號（ReservationSignal）來實現(xiàn)相鄰小區(qū)間的頻率復(fù)用；在異步LAA運(yùn)營商系統(tǒng)內(nèi)，考慮采用基站間協(xié)作的方式實現(xiàn)相鄰小區(qū)間的頻率復(fù)用。

隨著3GPP會議的召開，頻率復(fù)用問題的各種實現(xiàn)方式仍在繼續(xù)討論中。在3GPPRAN1_80bis會議上，就LAA中頻率復(fù)用的實現(xiàn)方式給出了4種選擇：CCA門限值自適應(yīng)；傳輸起始時刻對齊；從能量檢測或改進(jìn)能量檢測中去除信號；以上3種方式的組合或其他方式。在3GPPRAN1_81會議上，提出在R13中不考慮從能量檢測或改進(jìn)能量檢測中去除信號來實現(xiàn)頻率復(fù)用的方法，而將傳輸起始時刻對齊作為LAA下行頻率復(fù)用討論的基準(zhǔn)。本文主要介紹CCA門限值自適應(yīng)和傳輸起始時刻對齊兩種方法。

（1）CCA門限值自適應(yīng)方法

CCA門限值自適應(yīng)方法通過對LBT技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)從而實現(xiàn)在LAA中的頻率復(fù)用。在同一個運(yùn)營商內(nèi)部的LAA系統(tǒng)中，基站在進(jìn)行CCA檢測時可以有效地分辨出信道中的能量來源。如果是同一運(yùn)營商相鄰LAA基站在占用信道，則將CCA檢測門限值提高一定值，這個定值由相鄰基站的發(fā)射功率決定。如果是Wi-Fi或周圍其他無線接入系統(tǒng)占用信道，則CCA檢測的門限值保持不變。這樣就可以保證同一運(yùn)營商的不同LAA之間實現(xiàn)頻率復(fù)用因子為1。

這種方法不要求精確的時頻同步及基站間的協(xié)作，在具體實現(xiàn)中有一定的優(yōu)勢。但是，要求基站側(cè)在進(jìn)行CCA時可以識別出信道中能量的來源，需要對硬件設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，開銷較大。

（2）傳輸起始時刻對齊

3GPP組織在圍繞LAA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要分成了以幀為基礎(chǔ)的FrameBasedEquipment（FBE）和以負(fù)載為基礎(chǔ)的LoadBasedEquipment（LBE）。其中，F(xiàn)BE保持了LTE中的固定時長固定結(jié)構(gòu)的幀，LBE則是根據(jù)負(fù)載的多少來決定傳輸數(shù)據(jù)包的大小，打破了LTE原有的幀結(jié)構(gòu)。此處僅針對FBE幀結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳輸起始時刻對齊進(jìn)行分析。

在LBE幀結(jié)構(gòu)設(shè)計情況下，初始CCA之后可能的ECCA及隨機(jī)退避，再加上以負(fù)載為基礎(chǔ)的設(shè)計，都讓基站間的時頻同步無法保證頻率復(fù)用的實現(xiàn)，因此可以考慮基站協(xié)作。首先，需要統(tǒng)一基站間隨機(jī)退避計數(shù)器的初始數(shù)值，以保證基站從相同的時刻以相同的模式開始進(jìn)行CCA/ECCA。接下來，在CCA/ECCA進(jìn)行的時候基站間需要交換相關(guān)的信息，其中包括當(dāng)前退避計數(shù)器數(shù)值及期望CCA/ECCA結(jié)束的時間等，使得基站可以在同一時刻結(jié)束CCA/ECCA從而同時開始數(shù)據(jù)傳輸以實現(xiàn)頻率復(fù)用。

利用傳輸起始時刻對齊的方法來實現(xiàn)同一運(yùn)營商不同LAA小區(qū)間的頻率復(fù)用，精確的時頻同步必不可少。同時，如何保證在每一個CCA/ECCA時隙都精確的進(jìn)行基站間的信息交互也是一個很大的挑戰(zhàn)。

3.3CSI測量和上報

（1）CSI測量

非授權(quán)頻段上Wi-Fi和LAA采用基于競爭的信道接入機(jī)制，使得UE附近間歇性數(shù)據(jù)脈沖和靜寂期交替發(fā)生，因此UE的干擾環(huán)境可能會快速波動。由于LAA為間歇傳輸，UE應(yīng)該在接收服務(wù)小區(qū)的DL傳輸?shù)那闆r進(jìn)行干擾測量。以LAA支持基于CSI-RS，CSI-IM的CSI測量（或者對TM9基于CSI-RS）為例，3GPP指出：

●NPZCSI-RS的傳輸可能需遵循LBT。

●含蓄或者明確地指示出NPZCSI-RS和CSI-IM在子幀中的出現(xiàn)。

●包含CSI-RS、CSI-IM的可能子幀：從UE角度，可周期性出現(xiàn)，或者非周期性出現(xiàn)，或者兩者的結(jié)合。

NPZCSI-RS傳輸前要進(jìn)行LBT，UECSI測量機(jī)會難以獲得，而且獲得好的盲檢測非常困難，檢測出現(xiàn)的錯誤率高，比如UE相信基站已經(jīng)發(fā)送了，但是基站并沒有發(fā)送。因此，需要含蓄或者明確地指示出NPZ CSI-RS和CSI-IM在子幀中的出現(xiàn)，可以考慮采用將特定RNTI擾碼的DCI信息在多個UE的共同搜索空間里發(fā)送，告知信息應(yīng)用的Scell和時間；或者當(dāng)調(diào)度用戶較少的時候，可以采用通過UE接收UL授權(quán)進(jìn)行指示。

（2）CSI上報

對鏈路自適應(yīng)和調(diào)度來說，周期性CSI上報很重要；同時，非周期性CSI上報有助于系統(tǒng)獲得更為及時的信息。因此，對于CSI上報，3GPPLAA認(rèn)同兩種選擇：

●支持LAAScell的周期性和非周期性CSI上報。

●僅支持LAAScell的非周期性CSI上報。

建議采用CA中現(xiàn)存的機(jī)制來進(jìn)行非周期性CSI上報，包括額外的R13CA增強(qiáng)，可在授權(quán)頻段的一個載波PUSCH或者一個LAAScell上報。

關(guān)于LAA是否需要支持周期性CSI上報，各方仍在討論中。如果僅支持非周期性CSI上報的話，雖然可以獲得更及時的信息，但在控制信令容量有限或者非授權(quán)頻段PUSCH頻繁不可用的情況下，周期性CSI上報更為有效。當(dāng)然，周期性CSI上報在LBT機(jī)制下需要進(jìn)行相應(yīng)的修改，比如當(dāng)測量信號不可得時，可以考慮上報缺省CSI索引。

3.4隱藏節(jié)點(diǎn)

相比Wi-Fi而言，隱藏節(jié)點(diǎn)問題對LAA的影響不顯著，但是隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加，問題會變得突出。因此，考慮采取簡單的機(jī)制避免隱藏節(jié)點(diǎn)有助于LAA系統(tǒng)整體性能的提升。解決隱藏節(jié)點(diǎn)問題，3GPP各方提案中主要存在3種思路，即使用LTE系統(tǒng)現(xiàn)存的機(jī)制、RTS-CTS及其增強(qiáng)機(jī)制、基于干擾者類型的解決方法。

使用LTE系統(tǒng)現(xiàn)存的機(jī)制，例如UE的上報，尋求服務(wù)小區(qū)的幫助和下行功率控制。當(dāng)用戶遇到隱藏節(jié)點(diǎn)時，向eNB上報。根據(jù)這個上報結(jié)果，eNB不再考慮調(diào)度該UE。eNB可以調(diào)度其他沒有上報隱藏節(jié)點(diǎn)的用戶。具體的過程：eNB配置一個閾值水平，用戶向eNB上報隱藏節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)（干擾水平）。具體的上報細(xì)節(jié)可以考慮CSI：用戶進(jìn)行CSI/干擾測量，反饋給基站。當(dāng)干擾值過高時基站會意識到隱藏節(jié)點(diǎn)的潛在存在。

在LAA系統(tǒng)中，可以直接采用Wi-Fi中的RTS/CTS機(jī)制，允許Wi-Fi和LAA節(jié)點(diǎn)解碼相互的RTS/CTS信號，但是直接采用Wi-Fi中的機(jī)制會限制LTE為點(diǎn)對點(diǎn)鏈路，限制LTE網(wǎng)絡(luò)中多用戶物理資源的多路復(fù)用。此外，可以考慮引入新的LAA多路復(fù)用的RTS/CTS設(shè)計，允許多用戶調(diào)度，具有低RTS/CTS時延。

基于干擾者類型的解決方法具體指：UE通過與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的信息交互，根據(jù)干擾者的類型采取相應(yīng)的措施。若干擾者是同一運(yùn)營商的不同節(jié)點(diǎn)，利用現(xiàn)有LTE機(jī)制，如HARQ、MCS、AMC處理干擾；若干擾者為其他類型節(jié)點(diǎn)，采用UE上報的方式，eNB接到上報結(jié)果后不調(diào)度該UE，減少隱藏節(jié)點(diǎn)的影響。

3.5載波選擇

載波選擇作為LAA應(yīng)該具備的功能之一，對LAA系統(tǒng)與非授權(quán)頻段其他系統(tǒng)有效共存、實現(xiàn)自身負(fù)載均衡均具有非常重要的意義。在非授權(quán)頻段，LAA系統(tǒng)與其他系統(tǒng)共存，可使用的載波非固定且可用性不能時刻得到保障，需要動態(tài)地選擇可用的載波；同時，載波選擇可在當(dāng)前載波變得超載或者有其他載波負(fù)載較少、信道質(zhì)量較好的時候進(jìn)行，允許UE被調(diào)度在不同的載波上，有助于LAA在所有的載波間進(jìn)行負(fù)載平衡。具體而言，載波選擇是指LAACells可以測量或者從UE側(cè)獲得可用載波上的測量報告，并且根據(jù)結(jié)果選擇一個或者一組載波。

載波選擇可以使LAA選擇一個或者多個非授權(quán)頻段載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，充分利用非授權(quán)頻段的頻譜資源。同時，LAA支持多載波操作，也帶來了其他需要考慮的問題，包括多載波LBT如何設(shè)計、多載波間功率分配問題等，這些問題在LAAWI階段也在不斷地討論中。

4　結(jié)束語

本文介紹了LAA相關(guān)背景，并給出了LAA的基本知識，包括主要思想、設(shè)計目標(biāo)和應(yīng)該具備的功能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了LAA物理層關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，針對信道接入機(jī)制、頻譜復(fù)用、CSI測量和上報、隱藏節(jié)點(diǎn)和載波選擇5個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)歸納和討論。筆者后續(xù)將根據(jù)3GPP的協(xié)議進(jìn)展和提案進(jìn)程，對LAA物理層關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作做進(jìn)一步的研究。

1 The 3rd Generation Partnership Project（3GPP）TR 36.889.3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group RadioAccess Network.Study on Licensed-AssistedAccess to UnlicensedSpectrum.（Release13）.06，2015

2 The 3rd Generation Partnership Project（3GPP）RP-151045. New Work Item on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum.06，2015

2015-11-20）