LTE-U關鍵技術與網(wǎng)絡規(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計院有限公司，北京 100080）

LTE-U關鍵技術與網(wǎng)絡規(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計院有限公司，北京 100080）

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

LTE-U；非授權頻譜；LAA；載波聚合；網(wǎng)絡規(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重制約了LTE網(wǎng)絡的容量。5GHz頻段存在著豐富的非授權頻譜資源，如能有效利用則可以解決LTE授權頻譜資源不足與數(shù)據(jù)需求增長之間的矛盾。LTE-U（LTE in Unlicensed Band）通過載波聚合技術實現(xiàn)非授權頻譜的利用，大大提高了LTE網(wǎng)絡容量，受到運營商和設備商越來越多的重視。

圖1 LTE-U技術示意圖

LTE-U是指在非授權頻譜上采用LTE技術為用戶提供電信級別移動通信服務的一種無線接入技術[1]，如圖1所示。通過載波聚合，LTE-U可以分擔部署在授權頻譜上LTE系統(tǒng)的流量壓力。與已部署在非授權頻譜上的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)絡的無縫覆蓋，獲得更好的覆蓋和用戶體驗。

LTE-U采用異構網(wǎng)絡架構部署在非授權頻譜上，與授權LTE載波聚合，網(wǎng)絡架構和技術實現(xiàn)復雜度高。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的關鍵技術，然后從頻率使用、載波聚合方案、網(wǎng)絡部署策略、干擾規(guī)避等方面探討研究了LTE-U對網(wǎng)絡規(guī)劃的影響，針對性的提出了以提升中國移動LTE網(wǎng)絡質(zhì)量與建設效率為目標的LTE-U網(wǎng)絡規(guī)劃策略，為中國移動未來LTE-U部署提供參考。

2 LTE-U關鍵技術

2.1 我國非授權頻譜

非授權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授權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非授權頻譜總量將達到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，具有廣闊的技術應用前景。

2.2 LTE-U技術方案

LTE-U技術論壇就LTE在非授權頻譜上的部署方式提出了3種技術方案：授權輔助接入（Licensed-Assisted Access，LAA）、雙連接（Dual Connectivity，DC）和無授權輔助接入（Standalone)[2，3]（如圖2所示）。LAA方案提出了兩種非授權頻譜使用方式：DL-only和DL+UL，主要思想是采用載波聚合技術將授權頻譜LTE和非授權頻譜LTE-U聚合，利用授權LTE傳送關鍵信息和保證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頻譜和非授權頻譜上建立連接，其中授權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)務可以在授權LTE或LTE-U上發(fā)送。而無授權輔助接入（Standalone）則是將LTE單獨部署在非授權頻譜上，不存在授權頻譜連接鏈路。

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中推進相關標準化工作，而雙連接和無授權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)/室外部署和授權載波與非授權載波間的協(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/非授權載波，且小基站間的回程鏈路可以是理想或非理想回程，但非授權小區(qū)與授權小區(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是授權宏蜂窩與非授權小基站間異頻組網(wǎng)時載波聚合的場景；場景2則是沒有宏蜂窩覆蓋時，授權小基站與非授權小基站間異頻組網(wǎng)載波聚合的場景；場景3中考慮了授權宏蜂窩和授權小基站同頻組網(wǎng)，而授權小基站與非授權小基站間異頻組網(wǎng)載波聚合的場景；場景4則是在授權宏蜂窩、授權小基站與非授權小基站三者異頻組網(wǎng)時，授權/非授權小基站間載波聚合的場景。如果場景4中授權宏蜂窩與授權小基站間是理想回程，則可在授權宏蜂窩、授權小基站與非授權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長期占用非授權頻譜信道資源，必然導致Wi-Fi傳輸效率的大幅下降。如何設計兩系統(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對使用非授權頻譜的監(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[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。

在使用非授權頻譜時，LTE-U首先基于信道測量結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)授權頻譜LTE小區(qū)的流量負載情況，打開或關閉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[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)絡規(guī)劃策略

3.1 頻率使用策略

我國5GHz非授權頻譜中，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)境和復雜的干擾情況，并且5 250～5 350 MHz對設備的動態(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。長遠考慮，隨著具備TPC/DFS功能的LTE-U設備開發(fā)成熟和LTE-U與Wi-Fi干擾共存機制的標準化進展，LTE-U的部署應擴展到室外及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)鏈引領作用，推動LTE-U設備和標準化工作的成熟。

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頻譜，LTE-U技術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技術可使用豐富的非授權頻譜資源，這將減少移動通信對授權頻譜的需求，進而影響國際國內(nèi)無線頻譜管理機構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)絡頻譜需求的情況下，推進LTE-U頻率分配使用，保證LTE網(wǎng)絡合理健康發(fā)展。

3.2 載波聚合方案

LAA方案基于載波聚合技術，要求必須有授權頻譜作為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)絡規(guī)劃中應提早考慮以授權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)絡發(fā)展步伐，提前布局，搶占先機，實現(xiàn)TDD與FDD網(wǎng)絡的融合發(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，鞏固自己的領先地位和品牌形象。

3.3 網(wǎng)絡部署策略

LTE-U利用非授權頻譜資源，為LTE網(wǎng)絡帶來巨大的擴容空間，成為運營商解決日益嚴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)絡規(guī)劃、建設中，需要考慮、兼顧后續(xù)LTE-U網(wǎng)絡部署和擴容問題，在可能部署LTE-U的站點提前預留設備空間和接口，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)絡建設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標準化工作進展和網(wǎng)絡建設投資成本，LTE-U將主要用于未來LTE網(wǎng)絡擴容，通過載波聚合技術使用豐富的非授權頻譜資源，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)絡容量規(guī)劃，根據(jù)容量增長預測結果，將LTE-U部署在網(wǎng)絡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異構網(wǎng)絡架構條件下，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異構網(wǎng)絡間的無縫對接，為用戶提供優(yōu)異的網(wǎng)絡體驗。

3.4 干擾規(guī)避

LTE-U在5 GHz非授權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ICIC、eICIC（Enhanced ICIC）及FeICIC（Further eICIC）等技術解決。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技術滿足全球市場的需求，3GPP在LAA標準化中采用基于LBT機制的動態(tài)頻率選擇DFS技術來規(guī)避LTE-U與Wi-Fi間的互干擾，這是LTE-U長遠發(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。但長遠來看，部署具有LBT機制的LTE-U是必然趨勢，中國移動應積極參與LAA相關共存機制的標準化工作，引領實現(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

LTE-U技術作為一種切實可行的非授權頻譜使用方法，正獲得越來越多的運營商和設備商的重視，其技術標準化工作也在穩(wěn)步推進。作為全球TD-LTE網(wǎng)絡的領導者，中國移動應積極參與并引領LTE-U技術的標準化工作，關注LTE-U頻譜分配情況，提早規(guī)劃頻譜使用和網(wǎng)絡規(guī)劃策略，保證中國移動LTE網(wǎng)絡領先地位，提高LTE網(wǎng)絡建設效率。

[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)間靈活頻譜使用關鍵技術[J]. 中興通訊技術，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