闻立群：长文解读LTE-U 需先解决与Wi-Fi共存

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中国信息通信研究院/闻立群

移动网络和有线网络数据流量的激增以及智能设备的快速增长，给网络运营商网络容量带来巨大压力。授权频段，尤其是价值较高的低频段资源是有限的，并正被快速增长的用户群迅速消耗。

全球范围内，5GHz免许可频段还拥有相当一部分的可用频谱，移动运营商和设备商都在寻求使用此频段提升许可频段载波容量的方法。为此，2013年12月召开的3GPP无线电接入网络标准会上，高通、爱立信、Verizon、中国移动、华为和其他倡导者正式提出“LTE-Unlicense(即LTE-U）”，将LTE扩展至免许可频段，通过使用免许可频段承载移动服务的数据流量，并作为许可频段的补充提升LTE网络容量。这个免许可频段聚焦在5725~5850MHz。

为缓解容量压力而生

3GPP提出的LTE-U技术框架,将免许可频段作为许可频段的补充，通过载波聚合框架来分流尽力而为业务(best-effort)流量,因此将LTE-U也称为授权辅助接入(Licensed Assisted Access)。在该框架中，主蜂窝在许可频段承载关键控制信令、移动性和用户数据等高服务质量需求的数据，次蜂窝则在免许可频段承载服务质量需求不高的尽力而为业务。

将免许可频段聚合至许可载波以提升容量的方式主要有三种，其中前两种比较常见。

一是补充下行链路模式（SDL），即免许可频段只被用来做下行链路传输，这在当前的网络应用中很典型；

二是载波聚合模式（CA），即允许免许可频段用于下行链路和上行链路，如典型的LTE TDD系统，它最关键优势就是灵活调节用于上行和下行链路免许可频段资源的量。在SDL和CA模式中，免许可频段都仅用于数据层，所有的控制层流量都由许可频段处理，运营商对许可和免许可频段资源同时进行控制。目前3GPP主要LTE-U倡议者对部署场景主要聚焦于SDL模式，因为它对运营商来说可以实现简单部署和运营，同时降低设备的复杂性。

还有第三种模式称为独立模式（SA），即在免许可频段独立运行LTE而不使用许可频段。目前这种模式还没有在3GPP内正式提出，但实际上3GPP已设想把LTE-U给具有授权频段的无线运营商使用，将没有频段许可证的运营商排除在外。

助运营商拓展服务内容

由于目前管制政策一般限制免许可运营的最大传输功率为1瓦特甚至更低，因此LTE-U需部署在室外场地或室内小基站。同时，LTE-U的诞生给运营商带了许多便利。

首先，便于LTE网络管理。运营商使用LTE-U的一个关键动机是帮助他们在单一无线电接入技术下获得更多的可用频谱。目前，部分移动运营商正使用Wi-Fi网络卸载流量以减轻蜂窝移动网络的负担，通过在一个技术（LTE）下结合使用许可和免许可频段，运营商期待能够简化网络管理，使LTE网络基础设施和网络管理及安全能力得到紧密整合，同时获得对免许可频段的控制。此外，许可和免许可频段上单一的无线电技术也有利于更好的控制用户体验。

其次，可帮助有线运营商参与有线移动服务。对于没有授权频谱的有线运营商来说，LTE-U提供了几种参与移动价值链的方式：

一是“LTE-U小基站即服务”（SCaaS）模式，有线运营商可以建设LTE-U小基站，以批发的形式向多个移动运营商提供SCaaS；

二是有线运营商可充分利用LTE-U小基站向MVNO（移动虚拟网络运营商）提供零售移动服务；

三是用LTE-U独立模式扩展有线Wi-Fi概念，将LTE-U SA模式作为另外一种向家庭用户提供端到端服务的方式。

与Wi-Fi存“公地悲剧”风险

LTE-U的发展面临着诸多挑战，其中与现有的Wi-Fi生态系统共存是最大压力。缺乏相互干扰的协调和管理，是不同无线技术在免许可频段发展上遭遇的共同问题，尽管大多数技术在设计时能够处理同种类系统之间的干扰，但因不同系统具有不同的时隙、调度模式，因此他们之间的干扰处理存在一定困难，需要两个标准组织3GPP（for LTE）和IEEE（for Wi-Fi）研究解决。如果没有互相认可的共存标准，LTE-U和Wi-Fi生态系统将存在“公地悲剧”的风险。

Wi-Fi使用免许可频段，同时与其他多个无线电技术竞争频谱资源，因此被设计为异步的、分散的。Wi-Fi使用载波感知多址接入和冲突避免信道接入方式（CSMA/CA），在这种基于竞争的信道接入协议中，Wi-Fi节点（AP或者设备）在某个信道进行传输前先“监听”，只有当一个信道被认为是“空着”（也就是探测到的干扰水平低于某一门槛值）的时候，节点才会被允许进行信号传输；如果信道被监测到“被占用”状态，则节点将推迟一段时间（随机）再进行信号传输以免冲突。基于此，Wi-Fi在有许多设备竞争使用公共免许可频谱资源的高密度环境中效率不高。

与Wi-Fi不同，网络分配给LTE的资源要有效率的多。LTE使用授权频段，可以保证频谱的绝对使用权，因此被设计为同步的、集中式的。LTE使用OFDMA信道接入技术，允许同时传输，伴随优化的频率和时间分配，一般不进行载波感知探测（因为该技术认为许可频段的独家使用权），根据控制和管理信令安排最佳信道。因此，整体而言，LTE在分配频谱资源方面更加“侵略性”，Wi-Fi则更加“礼貌”。

如果不指定LTE和Wi-Fi的共存标准，只简单将LTE-U作为LTE的“新频段”而没有共存机制，很可能导致LTE-U挤走Wi-Fi。诺基亚最近的报告中强调了这种风险。

在诺基亚的研究中，评估了LTE和Wi-Fi两个系统同时处于“稀疏”和“密集”环境下共存的系统性能表现。仿真结果显示，LTE系统性能在Wi-Fi使用相同频段时几乎没有任何变化（在大多数情况下小于4%），而Wi-Fi在LTE出现时系统性能显著降低（在“稀疏”环境中大约70%，在“密集”环境下超过90%）。

主要原因是，Wi-Fi的使用经常被LTE共信道干扰阻止，使得Wi-Fi大部分时间总是处于“监听”模式，显著影响了用户的吞吐量。如果设定共存机制，例如基于Wi-Fi和LTE信道措施的“智能”信道选择，那么Wi-Fi的性能降低将可能有所改善。

实际上，LTE-U与Wi-Fi能否共存，最终还是取决于LTE-U在各种共存场景中的“侵略”或“友好”程度，但该问题目前还没有得到生态系统各参与实体的有效制约和解决。因此，笔者预计LTE-U网络必将导致共存问题。

发展受到免许可频段政策影响

全球各地区对免许可频段政策并不是一致的，大体分为两类：一类政策没有涉及免许可频度用户间共存要求和规定，在免许可频段的监管主要是限制发射功率，以避免干扰相邻频段和共频段的首要用户，代表国家有美国、中国、韩国等；另一类政策在免许可频段设定了具体的共存协议，即“先听后讲”（listen before talk），一般都复制了Wi-Fi的CSMA/CA操作，代表国家是欧洲、日本和印度。

不同的管制要求将影响LTE-U的推出。在没有共存要求的地区，LTE-U在理论上可以按照“原样”部署，没有额外的在共存方面的管制要求，因此可能会较早出现LTE-U的网络部署。在规则上有具体共存参数要求的地区，LTE-U则需要额外的技术改进和进行标准化工作，推出网络的时间点会更晚也更为统一。

目前，LTE-U已经纳入3GPP Release 13标准，并将于2016年正式推出，相关标准将在2016年完成，相应产品将于2017年问世。不过，标准化前的产品可以在这个时间点前问世，如美国、中国等地区，可能会出现专有解决方案和网络部署，这些专有方案并不能满足欧洲等地区的管制要求。由于标准化前的共存特点还是未知，3GPP共存特性是否会在这些地区采用也未可知，因此，可能会出现多种专有方式共存的局面，并可能持续一段时间。

图LTE-U标准化年份图

共存设计应兼顾公平和效率

Wi-Fi和LTE-U数据传输如果同时进行将相互干扰，因为Wi-Fi包含共存程序，允许多个Wi-Fi系统共存；而LTE则假设只有一个运营商单独使用频谱，因此，如何实现LTE-U与Wi-Fi公平共存而不降低数据吞吐量效率，是当前需要解决的关键问题。理想情况下的共存需求和解决方案，应该给每个网络和技术提供公平使用频谱的机会，同时满足当地的管制要求，其中占用频谱时间的公平性和数据吞吐量效率，是需要最重要的两个因素。

传输时间公平等同于参与者们平等的使用频谱量。共存机制理想上需要给每个网络提供相等的使用机会，尤其要保证每个网络在流量达到或超过空中接口数据吞吐容量时，能使用相等的频谱。如在流量高峰时期，有10个网络想使用美国UNII-3频段的100MHz非授权频段，那么每个网络英国得到平均10MHz的频谱，而并不需要给网络中的每个设备提供相同的平均数据速率，因为速率大小取决于许多因素。

共存机制还应该考虑数据速率效率。许多共存技术在确保传输时间公平时，都以牺牲数据速率公平为代价。如信道评估时间增长，退回等待时间增加,设备可以传输的时间变短等，都能降低设备的数据传输效率。

LTE-U的设计方向之一是采用与Wi-Fi相同的模式。LTE-U在传输信号前首先监听信道以确保信道是空的。LTE在传输过程中也应该保证不长时间占据频谱，以确保和Wi-Fi传输时间的公平，这种情况下，LTE的效率优势将显著降低。如果只将LTE-U设计成简单的更新频段的LTE技术,则LTE-U的数据吞吐量将达到Wi-Fi的5倍，但LTE-U的效率是依赖其集中化和空中接口连续使用的优势，如果将Wi-Fi一样的共存程序应用于LTE-U，那么相较Wi-Fi，LTE-U将失去原本的效率优势。

LTE-U的另一个设计方向是使用调度机制暂时释放信道。尤其是TDD LTE-U，可以设计成每隔Y个时帧暂停传送数据X个时帧，这种占空比的方式。这样不仅可以保持LTE-U的效率，还可以让其它技术在LTE-U数据传输占空比期间进行传输，以提高频谱利用率。

可见，对于所有的技术和网络占用时间公平的原则，很可能会降低LTE-U的数据吞吐效率，因此，需要合理设计LTE-U。

LTE-U发展前景不甚明朗

LTE-U若顺利发展首先需解决共存问题。LTE-U虽能在越来越拥挤的免许可频段给用户带来更高的数据吞吐量，但这个特性也使得其在非授权频段与其它技术共存问题方面存在挑战。虽然一些国家并没有共存要求，但最终LTE-U必须解决与Wi-Fi的共存问题才能得以发展。

也是基于上述原因，LTE-U不会取代Wi-Fi。因为LTE-U所宣称的高数据传输效率是以独占频谱为前提的，而LTE-U需要解决与Wi-Fi的共存问题，但实现中二者共存公平是以牺牲LTE-U的效率为代价的。因此，LTE-U与Wi-Fi相比将没有明显的效率优势，并不会取代Wi-Fi。

目前，LTE-U在全球部署步伐并不一致。在美国、中国和韩国等没有非授权频段共存机制要求的国家，会有运营商率先部署LTE-U，时间点在2015~2016年标准出台前，这可能影响Wi-Fi的使用。而在欧洲、日本和印度等有明确非授权频段共存机制要求的国家和地区，LTE-U的部署时间将比较晚，需要先在技术层面达到管制要求才能推出，而这并不影响Wi-Fi网络的使用。

此外，一些运营商持反对态度也使得LTE-U的未来发展面临不确定性。虽然有中国移动、Verizon、爱立信、高通等大型运营商和设备商的支持，但也有些移动运营商的积极性并不高甚至反对，如AT&T、Orange、Vodafone、Telefonica SA等。主要原因在于这些运营商已经部署了大量的Wi-Fi作为其核心网络的补充，如果建设LTE-U则降低了此前投资的价值。