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文檔簡介

1、LTE-U技術調研摘要 本文在LTE-U技術提出的背景上,首先介紹了LTE-U基本原理,后續(xù)重點研究了LTE-U的幾項關鍵技術,最后分析了LTE-U的技術優(yōu)勢,并指出了其發(fā)展道路。關鍵詞 LTE-U;信道共享;接入技術;載波聚合Technical Investigation of LTE UnlicensedAbstract-This paper begins with a discussion of the background of LTE-U , followed by introducing the basic principles of LTE-U . Then , some key

2、 technologies of LTE-U were researched . Finally , this paper summarized and analyzed the technical advantages , and pointed to the development direction of LTE-U.Key Words-LTE-U;channel sharing;access technology;carrier aggregation1 背景隨著移動智能設備的飛速發(fā)展、無線用戶數(shù)量的急劇增長、高清晰多媒體流業(yè)務的快速涌現(xiàn)等等,使得日益增長的無線需求與昂貴有限的授權頻譜

3、之間的矛盾日益凸顯,為了緩解授權移動網(wǎng)絡的壓力,利用資源相對豐富的免授權頻段來應對高數(shù)據(jù)量的挑戰(zhàn)成為一種思路,各運營商已通過在免授權頻譜上部署Wi-Fi(高保真無線上網(wǎng))等系統(tǒng)來減輕無線網(wǎng)絡的負擔,從而通過免授權頻譜來分流無線業(yè)務。一方面,技術改善可以帶來移動網(wǎng)絡性能的提升,另一個方面,尋求更多的頻譜資源也能提升移動通信性能。頻譜資源之于無線通信,就如同石油之于地球一樣,是決定無線帶寬的根本,頻段越寬,傳輸速率越快,系統(tǒng)吞吐量越大。然而,分配給運營商的頻譜資源非常有限且高額,運營商絞盡腦汁地充分利用來之不易的頻譜資源,但即便如此也很難滿足日益增長的用戶需求。在國內運營商中,中國移動的LTE頻譜

4、資源合計130MHz,中國聯(lián)通合計90MHz,中國電信合計100MHz,而Wi-Fi部署在的免授權頻譜資源,2.4GHz頻段附近約90MHz可用,5GHz頻段附近有900MHz之多。相對十分豐富且免費的免授權頻譜足以驅使運營商、設備商去積極研發(fā)相關技術和設備。將LTE部署到免授權頻段,在免授權頻段上采用LTE空口協(xié)議完成通信,即免授權載波上的LTE,簡稱LTE-U(LTE Advanced in Unlicensed Spectrums)。采用LTE-U技術,可以利用集中調度、干擾協(xié)調、自適應請求重傳(HARQ)等技術,相比Wi-Fi等接入技術,LTE-U系統(tǒng)具有更好的魯棒性,可以獲得更高的頻

5、譜效率,提供更大的覆蓋范圍以及更好的用戶體驗。目前,已經(jīng)有許多公司以及研究機構向3GPP提出在免授權頻段部署LTE技術,即LTE-U,來加速LTE的室內傳輸。主要的候選方案有:授權輔助接入(LAA)、雙連接(DC)、免授權輔助接入(Standalone)技術等,LTE-U作為第五代移動通信系統(tǒng)(5G)增強技術,吸引了全世界范圍內移動通信研究工作者的廣泛關注。2 LTE-U基本原理同Wi-Fi相比,LTE部署在未授權頻段具有很大優(yōu)勢:從用戶角度看,LTE-U聯(lián)合LTE將會提供給用戶更高的數(shù)據(jù)速率、更好的覆蓋性能、更高的可靠性,這毫無疑問將會是一種完美的用戶體驗;從移動運營商角度看,核心網(wǎng)同時運行

6、于授權和未授權頻段,這將十分便于移動網(wǎng)絡的運營管理與升級。本部分將重點介紹LTE-U的頻段選擇、信道共享、接入方式和場景部署等基本原理。2.1 免授權頻段選擇選擇合適的免授權頻段部署LTE-U是我們考慮的首要問題,首先低于6GHz頻段能夠較好的抵抗路徑衰落,2.4GHz附近已被Wi-Fi以及藍牙等接入技術密集占用,5GHz頻段附近被WLAN占用,最適合部署LTE-U的頻段是5-6GHz,尤其是靠近6GHz的頻段。世界各地區(qū)免授權頻譜分析見表2.1:表1 5GHz附近免授權頻譜分析頻段5150-5250MHz5250-5350MHz5470-5725MHz5725-5825MHz有效全向輻射功率

7、(EIRP)17/23dBm23/30dBm23/30dBm23/30/36dBm美國/加拿大室內室內/室外室內/室外室內/室外歐盟室內室內室內/室外/日本室內室內室內/室外/中國室內室內/室內/室外印度室內室內/室內/室外澳大利亞室內室內/室外室內/室外室內/室外表1總結了世界范圍內的幾個重點國家對于5GHz附近的免授權頻譜的占用情況,綜合考量之下,在我國,部署LTE-U的首選免授權頻段是5725-5825MHz,其次是5470-5725MHz頻段。2.2 頻譜公平使用問題2.2.1 不同接入技術之間的共存LTE-U在5GHz免授權頻段部署時面臨的首要問題就是同其他接入技術的共存問題,LTE

8、-U與現(xiàn)有接入技術(如Wi-Fi系統(tǒng))實現(xiàn)免授權頻段的公平使用是二者共存的前提。當前的LTE系統(tǒng)是連續(xù)傳輸?shù)?,排他性的使用授權頻譜,且不與其他運營商和無線接入技術共享頻譜資源,然而免授權頻譜是開放性的資源,允許任何無線接入技術使用,如果LTE不做任何處理直接占用免授權頻譜資源,會違背免授權頻段使用的法規(guī)要求,對部署在免授權頻段的其他無線接入系統(tǒng)是不公平的。LTE-U可以利用CSAT(載波感應自適應傳輸)技術同Wi-Fi等接入技術共享可用信道。2.2.2 不同運營商之間的共存眾所周知,免授權頻段是開放式接入頻譜資源,只要工作在免授權頻段上的無線設備滿足國家或區(qū)域的有關規(guī)定,無需經(jīng)過認證,用戶終端

9、或設備便可使用免授權頻段,這意味著免授權頻段不限制運營商的類型和數(shù)量,同一區(qū)域免授權頻段上可能同時存在多RAT系統(tǒng)占用的情況,如果要將LTE-U部署在免授權頻段,那么就需要考慮不同運營商之間的友好共存問題。在LTE-U的部署中,可以將免授權頻段按頻段劃分給不同運營商,還可以按照時間和頻段進行聯(lián)合劃分。如圖2.2所示:圖1 劃分頻段給運營商圖1中可見,可以按照頻段將免授權頻譜進行時間上的永久劃分,分給不同的運營商,這種劃分方法簡單易行,但頻譜的利用率不高;另外可以根據(jù)不同運營商的業(yè)務情況,將免授權頻譜資源進行時間和頻段上的聯(lián)合劃分,這種劃分方式復雜度高于前一種方式,但能夠獲得更高的頻譜利用率。2

10、.3 LTE-U接入方式LTE-U可選擇不同的接入方式,這里重點介紹LAA(授權輔助接入),LAA是一種實現(xiàn)授權頻段與免授權頻段高效共用的頻譜使用方案。LAA采用載波聚合(CA)技術,聚合授權頻譜和免授權頻譜,如圖2所示:圖2 授權輔助接入示意圖授權頻段作為主載波單元(PCC)傳送關鍵信息和保證QoS,免授權頻段作為輔載波單元(SCC),可配置成下行補充鏈路或上行和下行鏈路,提供額外的無線資源。由圖2可見,免授權頻譜資源由基站集中調度分配,通過媒體訪問控制(MAC)單元的激活/去激活操作免授權頻譜的使用和釋放,動態(tài)的使用資源。利用LAA,當LAA基站激活免授權頻譜資源時,LTE在此免授權頻譜上

11、傳輸蜂窩數(shù)據(jù);當LAA基站去激活免授權頻譜資源時,Wi-Fi等其他接入系統(tǒng)便可以使用免授權頻譜資源,從而實現(xiàn)各接入技術靈活使用免授權頻譜的目的。2.4 場景部署LTE-U可采用兩種不同的場景部署,如圖3所示:圖3 LTE-U場景部署示意圖LTE-U通過在室外設置小型基站,由運營商來完成接入,這與Wi-Fi等接入技術由用戶自主完成接入不同。此外,LTE-U可以采用共建架構,同LTE共用同一基站,該方式能大大降低LTE-U的架構成本和運營成本;也可以采用非共建架構,在LTE宏小區(qū)中搭建足夠數(shù)目的LTE-U微小區(qū)基站。3 LTE-U關鍵技術作為LTE系統(tǒng)在免授權頻譜上的演進結果,LTE-U將會繼承L

12、TE系統(tǒng)的許多先進技術。同時,為了與現(xiàn)有運行于免授權頻譜上的其他通信系統(tǒng)實現(xiàn)信道共享,LTE-U將會引入自己獨特的信道共享策略。3.1 集中調度技術LTE-U使用了集中調度的技術,即時間、空間、頻譜等無線資源由基站集中控制集中分配,終端之間無需競爭資源。與LTE-U采用的集中調度相反,Wi-Fi采用了搶占式調度技術,在服務用戶數(shù)較少的情況下,該調度技術可以體現(xiàn)出其優(yōu)越性,但當用戶數(shù)超過基站可以服務的能力之后,由于無法同時響應這些用戶的請求,便可能會出現(xiàn)服務器崩潰的后果;同時,隨著服務用戶的增多還會導致碰撞現(xiàn)象的頻繁發(fā)生,致使資源利用效率的大大降低。針對Wi-Fi技術這一系列的調度問題,LTE-

13、U由于采用了集中調度,所以不存在數(shù)據(jù)碰撞的現(xiàn)象,這將會有效的避免了資源的浪費;對于用戶密集的地區(qū),為了提升LTE-U基站的服務能力,我們可以通過增加基站,來分擔單個基站的負荷。與Wi-Fi相比,在調度技術方面,LTE-U便有了明顯的優(yōu)勢。3.2 ICIC(干擾協(xié)調)技術LTE-U系統(tǒng)中的ICIC(干擾協(xié)調)技術6主要是通過對系統(tǒng)資源(時頻資源、功率等)進行限制和協(xié)調,根據(jù)不同用戶的具體情況,合理的進行資源塊和功率的分配,已達到相鄰小區(qū)間干擾協(xié)調的目的。具體而言, ICIC技術為了增大小區(qū)邊緣的容量,我們采用了頻率復用的方法,LTE-U系統(tǒng)中頻率復用因子選為3。如圖4所示,相鄰小區(qū)間采用了不同的

14、頻段,從而可以很好地避免相鄰小區(qū)頻率間干擾。為了進一步限制小區(qū)間干擾,基站通過發(fā)射功率指示(RNTP)來通知其相鄰小區(qū)的下行干擾情況,相鄰小區(qū)基站在收到指示信號后會根據(jù)干擾情況來進一步調整自身發(fā)射功率。圖4 ICIC原理示意如圖5所示,在LTE宏小區(qū)中,為了提升小區(qū)邊緣服務質量,LTE-U系統(tǒng)采用eICIC策略4。該方案的原理是把一個或多個子幀配置為空子幀(ABS),這類ABS子偵專門為微小區(qū)、微微小區(qū)、家庭基站小區(qū)邊緣的UE提供服務,從而有效的避免來自宏小區(qū)的主要干擾,能夠有效提升小區(qū)邊緣UE的服務速率。圖5 eICIC原理示意圖而在Wi-Fi系統(tǒng)中, AP搶占到資源后占用全部頻譜資源,從而

15、沒有辦法在頻率上進行協(xié)調。盡管AP能夠在時間上進行資源協(xié)調,但由于存在競爭與回退的問題,會導致系統(tǒng)資源的浪費。3.3自適應重傳請求(HARQ)技術采用自適應重傳請求(HARQ)技術,當物理層數(shù)據(jù)塊傳錯時,LTE-U接收端不會丟棄傳錯的數(shù)據(jù)塊,而會等待重傳的數(shù)據(jù)塊的到來。接收端在接收到重傳的數(shù)據(jù)塊之后會進行合并操作。HARQ技術可以有效的利用之前的傳輸能量,從而提高能量效率和傳輸成功率。與Wi-Fi系統(tǒng)中直接丟棄錯誤數(shù)據(jù)塊的策略相比,LTE-U在能量效率與傳輸成功率上要更勝一籌。3.4 CA(載波聚合)技術商用LTE網(wǎng)絡起始于Cat3和Cat47,起初LTE并未使用CA(載波聚合)技術,圖6顯示

16、的是CA技術的商用歷程。從圖中我們可以明顯看出隨著CA技術的應用,LTE系統(tǒng)的容量得到了成倍的提升,這無疑將會給用戶帶來很好的上網(wǎng)體驗。圖6 CA技術商用歷程在起初的Cat4中,LTE使用的是20MHz連續(xù)頻譜,到了2013年CA技術第一次出現(xiàn)在LTE系統(tǒng)中,首次實現(xiàn)了兩個10MHz頻譜的聚合,之后通過不斷發(fā)展演進,使用CA技術聚合的頻帶越來越寬,使系統(tǒng)的容量逐年成倍的增長。在頻譜資源稀缺的今天,為實現(xiàn)頻譜資源的高效利用,運行于免授權頻譜上的LTE-U系統(tǒng)同樣將會采用CA技術。具體而言,LTE-U可以將授權頻帶作為主載波,終端跟基站可以在授權頻帶上建立無線資源控制連接,通過載波感知獲取當前空閑

17、的免授權頻帶資源,從而可以將其作為輔助載波用于數(shù)據(jù)的傳輸。3.5 信道共享策略LTE-U運行于免授權頻譜上必將與Wi-Fi系統(tǒng)出現(xiàn)信道沖突的局面,為解決這一問題,LTE-U將會采用多種信道共享的策略。目前,已經(jīng)被提出的解決方案有LBT、CSAT、DFS、TPC8。在Wi-Fi和LTE-U密集部署的小區(qū), LTE-U系統(tǒng)可能無法檢測到空閑的信道,在這種情況下,LTE-U可以通過CSAT(載波感知自適應傳輸)技術來實現(xiàn)與同一小區(qū)和相鄰小區(qū)的Wi-Fi或LTE-U信道共享。對于CSAT機制,其定義了一個發(fā)送循環(huán)周期,在這個循環(huán)周期里,LTE-U只用一部分時間間隔進行數(shù)據(jù)的傳輸,其中傳輸執(zhí)行與傳輸停止

18、的占空比是由小區(qū)內其他傳輸系統(tǒng)的活動程度決定的,這樣就可以確保信道的共享和服務的質量。圖7 CSAT原理圖如圖8所示,在下行鏈路傳輸過程中,由基站端進行載波偵聽,在確保免授權頻段空閑的情況下,基站才會使用其進行數(shù)據(jù)的傳輸;與此類似,上行鏈路中免授權頻段的偵聽工作由用戶端來完成。圖8 LTE-U幀結構為了更加有效的實現(xiàn)信道共享,我們還可以將CSAT與LBT傳輸機制進行有效的結合,如圖9所示。圖9 LBT與CSAT結合原理圖DFS9信道共享方案則是為了實現(xiàn)與非IMT系統(tǒng)(如雷達系統(tǒng))的信道共享;TPC則可以作為以上幾種信道共享機制的輔助方案,聯(lián)合控制實現(xiàn)信道的共享。4 LTE-U技術優(yōu)勢LTE-U

19、延續(xù)了LTE標準中的一系列優(yōu)勢技術,這為系統(tǒng)性能的提升做了堅實的后盾。在LTE系統(tǒng)的載波聚合技術與生態(tài)小區(qū)已經(jīng)十分成熟的今天,這使得在微小區(qū)中部署LTE-U系統(tǒng),并且實現(xiàn)與授權頻譜的聚合成為可能。由于大部分免授權頻譜在世界范圍內的通用性,這將會使得該技術更易推廣。同時,LTE-U支持為快速移動的用戶提供服務,并且可以實現(xiàn)小區(qū)間的無縫接入,在這些方面,其他免授權頻譜上的接入技術都是無法比擬的。隨著無線網(wǎng)絡部署的越來越密集,各種系統(tǒng)間的干擾將會變得越發(fā)嚴重,干擾協(xié)調將會成為制約系統(tǒng)性能提升的關鍵之一。由于LTE-U服務將由運營商進行提供,同Wi-Fi等接入技術相比,干擾協(xié)調將會容易很多。在干擾協(xié)調

20、的基礎上,LTE-U結合了集中調度技術、CA、HARQ、QoS 保證技術,這些優(yōu)勢都將保障系統(tǒng)獲得更高的頻譜效率,更大的系統(tǒng)容量,從而帶來更好的用戶體驗。在LTE-U網(wǎng)絡部署方面,我們可以充分利用現(xiàn)有的LTE設備,當然我們需要對LTE空中接口協(xié)議進行一定的修改,以便使得LTE可以順利運行在免授權頻譜上,這對運營降低成本來說將會是一個明智的選擇,對于用戶也將會獲得巨大的受益。同時,由于LTE-U采用了很多免授權頻譜共享機制,這都將為LTE-U的推廣起到助力的作用,使得LTE系統(tǒng)可以更加平滑的演進,為4G向5G的跨越奠定堅實的基礎。5 LTE-U發(fā)展之路從LTE-U的技術優(yōu)勢來看,似乎LTE-U大

21、有迅速取代Wi-Fi等接入技術的趨勢,但是Wi-Fi等接入技術也不會停滯不前;另外,企業(yè)網(wǎng)市場也存在“獨立運營LTE-U”的需求,未來在免授權載波的使用上競爭將更加激烈。在部署與發(fā)展LTE-U的道路上,應該充分考慮并利用LTE的技術優(yōu)勢,如調度技術、CA、HARQ等等,其次增加一些必要技術,如LBT、DFS、TPC等,也要考慮一些抗干擾技術,如擴頻技術等等。另外,許多非技術上的因素也要加以考慮,如不同國家對免授權頻段的開放、LTE-U的成本優(yōu)勢、運營商對于引進LTE-U的顧慮等等。6結束語本文首先介紹了LTE-U的背景,給出了LTE-U的概念,在此基礎上介紹了其基本原理,包括免授權頻段的選擇、頻譜公平使用、LT

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