LTE-U技术调研

LTE-U技术调研摘要本文在LTE-U技术提出的背景上，首先介绍了LTE-U基本原理，后续重点研究了LTE-U的几项关键技术，最后分析了LTE-U的技术优势，并指出了其发展道路。关键词LTE-U；信道共享；接入技术；载波聚合TechnicalInvestigationofLTEUnlicensedAbstract---ThispaperbeginswithadiscussionofthebackgroundofLTE-U,followedbyintroducingthebasicprinciplesofLTE-U.Then,somekeytechnologiesofLTE-Uwereresearched.Finally,thispapersummarizedandanalyzedthetechnicaladvantages,andpointedtothedevelopmentdirectionofLTE-U.KeyWords---LTE-U；channelsharing；accesstechnology；carrieraggregation1背景随着移动智能设备的飞速发展、无线用户数量的急剧增长、高清晰多媒体流业务的快速涌现等等，使得日益增长的无线需求与昂贵有限的授权频谱之间的矛盾日益凸显，为了缓解授权移动网络的压力，利用资源相对丰富的免授权频段来应对高数据量的挑战成为一种思路，各运营商已通过在免授权频谱上部署Wi-Fi（高保真无线上网）等系统来减轻无线网络的负担，从而通过免授权频谱来分流无线业务。一方面，技术改善可以带来移动网络性能的提升，另一个方面，寻求更多的频谱资源也能提升移动通信性能。频谱资源之于无线通信，就如同石油之于地球一样，是决定无线带宽的根本，频段越宽，传输速率越快，系统吞吐量越大。然而，分配给运营商的频谱资源非常有限且高额，运营商绞尽脑汁地充分利用来之不易的频谱资源，但即便如此也很难满足日益增长的用户需求。在国内运营商中，中国移动的LTE频谱资源合计130MHz，中国联通合计90MHz，中国电信合计100MHz，而Wi-Fi部署在的免授权频谱资源，2.4GHz频段附近约90MHz可用，5GHz频段附近有900MHz之多。相对十分丰富且免费的免授权频谱足以驱使运营商、设备商去积极研发相关技术和设备。将LTE部署到免授权频段，在免授权频段上采用LTE空口协议完成通信，即免授权载波上的LTE，简称LTE-U（LTEAdvancedinUnlicensedSpectrums）。采用LTE-U技术，可以利用集中调度、干扰协调、自适应请求重传（HARQ）等技术，相比Wi-Fi等接入技术，LTE-U系统具有更好的鲁棒性，可以获得更高的频谱效率，提供更大的覆盖范围以及更好的用户体验。目前，已经有许多公司以及研究机构向3GPP提出在免授权频段部署LTE技术，即LTE-U，来加速LTE的室内传输。主要的候选方案有：授权辅助接入（LAA）、双连接（DC）、免授权辅助接入（Standalone）技术等，LTE-U作为第五代移动通信系统（5G）增强技术，吸引了全世界范围内移动通信研究工作者的广泛关注。2LTE-U基本原理同Wi-Fi相比，LTE部署在未授权频段具有很大优势：从用户角度看，LTE-U联合LTE将会提供给用户更高的数据速率、更好的覆盖性能、更高的可靠性，这毫无疑问将会是一种完美的用户体验；从移动运营商角度看，核心网同时运行于授权和未授权频段，这将十分便于移动网络的运营管理与升级。本部分将重点介绍LTE-U的频段选择、信道共享、接入方式和场景部署等基本原理。2.1免授权频段选择选择合适的免授权频段部署LTE-U是我们考虑的首要问题，首先低于6GHz频段能够较好的抵抗路径衰落，2.4GHz附近已被Wi-Fi以及蓝牙等接入技术密集占用，5GHz频段附近被WLAN占用，最适合部署LTE-U的频段是5-6GHz，尤其是靠近6GHz的频段。世界各地区免授权频谱分析见表2.1：表15GHz附近免授权频谱分析频段5150-5250MHz5250-5350MHz5470-5725MHz5725-5825MHz有效全向辐射功率（EIRP）17/23dBm23/30dBm23/30dBm23/30/36dBm美国/加拿大室内室内/室外室内/室外室内/室外欧盟室内室内室内/室外/日本室内室内室内/室外/中国室内室内/室内/室外印度室内室内/室内/室外澳大利亚室内室内/室外室内/室外室内/室外表1总结了世界范围内的几个重点国家对于5GHz附近的免授权频谱的占用情况，综合考量之下，在我国，部署LTE-U的首选免授权频段是5725-5825MHz，其次是5470-5725MHz频段。2.2频谱公平使用问题2.2.1不同接入技术之间的共存LTE-U在5GHz免授权频段部署时面临的首要问题就是同其他接入技术的共存问题，LTE-U与现有接入技术（如Wi-Fi系统）实现免授权频段的公平使用是二者共存的前提。当前的LTE系统是连续传输的，排他性的使用授权频谱，且不与其他运营商和无线接入技术共享频谱资源，然而免授权频谱是开放性的资源，允许任何无线接入技术使用，如果LTE不做任何处理直接占用免授权频谱资源，会违背免授权频段使用的法规要求，对部署在免授权频段的其他无线接入系统是不公平的。LTE-U可以利用CSAT（载波感应自适应传输）技术同Wi-Fi等接入技术共享可用信道。2.2.2不同运营商之间的共存众所周知，免授权频段是开放式接入频谱资源，只要工作在免授权频段上的无线设备满足国家或区域的有关规定，无需经过认证，用户终端或设备便可使用免授权频段，这意味着免授权频段不限制运营商的类型和数量，同一区域免授权频段上可能同时存在多RAT系统占用的情况，如果要将LTE-U部署在免授权频段，那么就需要考虑不同运营商之间的友好共存问题。在LTE-U的部署中，可以将免授权频段按频段划分给不同运营商，还可以按照时间和频段进行联合划分。如图2.2所示：运营商A运营商B运营商C运营商D时间t频率f频率f时间t运营商A运营商D运营商B运营商C运营商A运营商B运营商C运营商D运营商A运营商C运营商D图1划分频段给运营商图1中可见，可以按照频段将免授权频谱进行时间上的永久划分，分给不同的运营商，这种划分方法简单易行，但频谱的利用率不高；另外可以根据不同运营商的业务情况，将免授权频谱资源进行时间和频段上的联合划分，这种划分方式复杂度高于前一种方式，但能够获得更高的频谱利用率。2.3LTE-U接入方式LTE-U可选择不同的接入方式，这里重点介绍LAA（授权辅助接入），LAA是一种实现授权频段与免授权频段高效共用的频谱使用方案。LAA采用载波聚合（CA）技术，聚合授权频谱和免授权频谱，如图2所示：授权频谱未授权频谱授权频谱未授权频谱PCCPCCSCCSCC图2授权辅助接入示意图授权频段作为主载波单元（PCC）传送关键信息和保证QoS，免授权频段作为辅载波单元（SCC），可配置成下行补充链路或上行和下行链路，提供额外的无线资源。由图2可见，免授权频谱资源由基站集中调度分配，通过媒体访问控制（MAC）单元的激活/去激活操作免授权频谱的使用和释放，动态的使用资源。利用LAA，当LAA基站激活免授权频谱资源时，LTE在此免授权频谱上传输蜂窝数据；当LAA基站去激活免授权频谱资源时，Wi-Fi等其他接入系统便可以使用免授权频谱资源，从而实现各接入技术灵活使用免授权频谱的目的。2.4场景部署LTE-U可采用两种不同的场景部署，如图3所示：场景：运营商管理公共运营商架构室内/室外非个人非个人架构部署：非独立部署协作式非协作式图3LTE-U场景部署示意图LTE-U通过在室外设置小型基站，由运营商来完成接入，这与Wi-Fi等接入技术由用户自主完成接入不同。此外，LTE-U可以采用共建架构，同LTE共用同一基站，该方式能大大降低LTE-U的架构成本和运营成本；也可以采用非共建架构，在LTE宏小区中搭建足够数目的LTE-U微小区基站。3LTE-U关键技术作为LTE系统在免授权频谱上的演进结果，LTE-U将会继承LTE系统的许多先进技术。同时，为了与现有运行于免授权频谱上的其他通信系统实现信道共享，LTE-U将会引入自己独特的信道共享策略。3.1集中调度技术LTE-U使用了集中调度的技术，即时间、空间、频谱等无线资源由基站集中控制集中分配，终端之间无需竞争资源。与LTE-U采用的集中调度相反，Wi-Fi采用了抢占式调度技术，在服务用户数较少的情况下，该调度技术可以体现出其优越性，但当用户数超过基站可以服务的能力之后，由于无法同时响应这些用户的请求，便可能会出现服务器崩溃的后果；同时，随着服务用户的增多还会导致碰撞现象的频繁发生，致使资源利用效率的大大降低。针对Wi-Fi技术这一系列的调度问题，LTE-U由于采用了集中调度，所以不存在数据碰撞的现象，这将会有效的避免了资源的浪费；对于用户密集的地区，为了提升LTE-U基站的服务能力，我们可以通过增加基站，来分担单个基站的负荷。与Wi-Fi相比，在调度技术方面，LTE-U便有了明显的优势。3.2ICIC（干扰协调）技术LTE-U系统中的ICIC（干扰协调）技术[6]主要是通过对系统资源（时频资源、功率等）进行限制和协调，根据不同用户的具体情况，合理的进行资源块和功率的分配，已达到相邻小区间干扰协调的目的。具体而言，ICIC技术为了增大小区边缘的容量，我们采用了频率复用的方法，LTE-U系统中频率复用因子选为3。如图4所示，相邻小区间采用了不同的频段，从而可以很好地避免相邻小区频率间干扰。为了进一步限制小区间干扰，基站通过发射功率指示（RNTP）来通知其相邻小区的下行干扰情况，相邻小区基站在收到指示信号后会根据干扰情况来进一步调整自身发射功率。f2f3f1f3f2f1f2f3f1f1f2f3f2f3f1f1f2f3f1f2f3图4ICIC原理示意如图5所示，在LTE宏小区中，为了提升小区边缘服务质量，LTE-U系统采用eICIC策略[4]。该方案的原理是把一个或多个子帧配置为空子帧（ABS），这类ABS子侦专门为微小区、微微小区、家庭基站小区边缘的UE提供服务，从而有效的避免来自宏小区的主要干扰，能够有效提升小区边缘UE的服务速率。UE1ForUE2ForUE1ForUE2ForUE301233940414243……subframeUE2UE3图5eICIC原理示意图而在Wi-Fi系统中，AP抢占到资源后占用全部频谱资源，从而没有办法在频率上进行协调。尽管AP能够在时间上进行资源协调，但由于存在竞争与回退的问题，会导致系统资源的浪费。3.3自适应重传请求（HARQ）技术采用自适应重传请求（HARQ）技术，当物理层数据块传错时，LTE-U接收端不会丢弃传错的数据块，而会等待重传的数据块的到来。接收端在接收到重传的数据块之后会进行合并操作。HARQ技术可以有效的利用之前的传输能量，从而提高能量效率和传输成功率。与Wi-Fi系统中直接丢弃错误数据块的策略相比，LTE-U在能量效率与传输成功率上要更胜一筹。3.4CA（载波聚合）技术商用LTE网络起始于Cat3和Cat4[7]，起初LTE并未使用CA（载波聚合）技术，图6显示的是CA技术的商用历程。从图中我们可以明显看出随着CA技术的应用，LTE系统的容量得到了成倍的提升，这无疑将会给用户带来很好的上网体验。150M20MHz2´2MIMO150M10+10MHz2´2MIMO300M20+20MHz2´2MIMO450M3CA2´2MIMO600M4CA2´2MIMO1Gbps+100MHzand/or4´4MIMO20122013201420152016Cat4Cat4Cat6Cat9Cat11/12图6CA技术商用历程在起初的Cat4中，LTE使用的是20MHz连续频谱，到了2013年CA技术第一次出现在LTE系统中，首次实现了两个10MHz频谱的聚合，之后通过不断发展演进，使用CA技术聚合的频带越来越宽，使系统的