LTE-U欲發展，需先解決與Wi-Fi共存問題

中國信息通信研究院通信信息所 | 聞立群

北京信諾司法鑒定所 | 門汝寧

LTE-U欲發展，需先解決與Wi-Fi共存問題

中國信息通信研究院通信信息所 | 聞立群

北京信諾司法鑒定所 | 門汝寧

LTE-U的發展面臨著諸多挑戰，其中與現有的Wi-Fi生態系統共存是最大壓力，如果沒有互相認可的共存標準，LTE-U和Wi-Fi生態系統將存在“公地悲劇”的風險。

移動網絡和有線網絡數據流量的激增以及智能設備的快速增長，給網絡運營商網絡容量帶來巨大壓力。授權頻段，尤其是價值較高的低頻段資源不僅有限，并正被快速增長的用戶群迅速消耗。全球范圍內，5GHz免許可頻段還擁有相當一部分的可用頻譜，移動運營商和設備商都在尋求使用此頻段提升許可頻段載波容量的方法。為此，2013年12月召開的3GPP無線電接入網絡標準會上，高通、愛立信、Verizon、中國移動、華為和其他倡導者正式提出“LTE-Unlicense(即LTE-U）”，將LTE擴展至免許可頻段，通過使用免許可頻段承載移動服務的數據流量，并作為許可頻段的補充提升LTE網絡容量。這個免許可頻段聚焦在5725～5850MHz。

為緩解容量壓力而生

3GPP提出的LTE-U技術框架,將免許可頻段作為許可頻段的補充，通過載波聚合框架來分流盡力而為的(best-effort)業務流量，因此LTE-U也稱為授權輔助接入(Licensed Assisted Access)。在該框架中，主蜂窩在許可頻段承載關鍵控制信令、移動性和用戶數據等高服務質量需求的數據，次蜂窩則在免許可頻段承載服務質量需求不高的盡力而為業務。

將免許可頻段聚合至許可載波以提升容量的方式主要有三種，其中前兩種比較常見。

一是補充下行鏈路模式（SDL），即免許可頻段只被用來做下行鏈路傳輸，這在當前的網絡應用中很典型；二是載波聚合模式（CA），即允許免許可頻段用于下行鏈路和上行鏈路，如典型的LTE TDD系統，它最關鍵優勢就是靈活調節用于上行和下行鏈路免許可頻段資源的量。在SDL和CA模式中，免許可頻段都僅用于數據層，所有的控制層流量都由許可頻段處理，運營商對許可和免許可頻段資源同時進行控制。目前3GPP主要LTE-U倡議者對部署場景多聚焦于SDL模式，因為它對運營商來說可以實現簡單部署和運營，同時降低設備的復雜性。

還有第三種模式稱為獨立模式（SA），即在免許可頻段獨立運行LTE而不使用許可頻段。目前這種模式還沒有在3GPP內正式提出，但實際上3GPP已設想把LTE-U給具有授權頻段的無線運營商使用，這就將沒有頻段許可證的運營商排除在外。

助運營商拓展服務內容

由于目前管制政策一般限制免許可運營的最大傳輸功率為1瓦特甚至更低，因此LTE-U需部署在室外場地或室內小基站。同時，LTE-U的誕生給運營商帶了許多便利。

首先，便于LTE網絡管理。運營商使用LTE-U的一個關鍵動機是幫助他們在單一無線電接入技術下獲得更多的可用頻譜。目前，部分移動運營商正使用Wi-Fi網絡卸載流量以減輕蜂窩移動網絡的負擔，通過在一個技術（LTE）下結合使用許可和免許可頻段，運營商期待能夠簡化網絡管理，使LTE網絡基礎設施和網絡管理及安全能力得到緊密整合，同時獲得對免許可頻段的控制。此外，許可和免許可頻段上單一的無線電技術也有利于更好的控制用戶體驗。

其次，可幫助有線運營商參與有線移動服務。對于沒有授權頻譜的有線運營商來說，LTE-U提供了幾種參與移動價值鏈的方式：一是“LTE-U小基站即服務”（SCaaS）模式，有線運營商可以建設LTE-U小基站，以批發的形式向多個移動運營商提供SCaaS；二是有線運營商可充分利用LTE-U小基站向MVNO（移動虛擬網絡運營商）提供零售移動服務；三是用LTE-U獨立模式擴展有線Wi-Fi概念，將LTE-U SA模式作為另外一種向家庭用戶提供端到端服務的方式。

與Wi-Fi存“公地悲劇”風險

LTE-U的發展面臨著諸多挑戰，其中與現有的Wi-Fi生態系統共存是最大壓力。缺乏相互干擾的協調和管理，是不同無線技術在免許可頻段發展上遭遇的共同問題，盡管大多數技術在設計時能夠處理同種類系統之間的干擾，但因不同系統具有不同的時隙、調度模式，因此他們之間的干擾處理存在一定困難，需要兩個標準組織3GPP（for LTE）和IEEE（for Wi-Fi）研究解決。如果沒有互相認可的共存標準，LTE-U和Wi-Fi生態系統將存在“公地悲劇”的風險。

圖 LTE-U標準化年份圖

Wi-Fi使用免許可頻段，同時與其他多個無線電技術競爭頻譜資源，因此被設計為異步的、分散的。Wi-Fi使用載波感知多址接入和沖突避免信道接入方式（CSMA/CA），在這種基于競爭的信道接入協議中，Wi-Fi節點（AP或者設備）在某個信道進行傳輸前先“監聽”，只有當一個信道被認為是“空著”（也就是探測到的干擾水平低于某一門檻值）的時候，節點才會被允許進行信號傳輸；如果信道被監測到“被占用”狀態，則節點將推遲一段時間（隨機）再進行信號傳輸以免沖突。基于此，Wi-Fi在有許多設備競爭使用公共免許可頻譜資源的高密度環境中效率不高。

與Wi-Fi不同，網絡分配給LTE的資源要有效率的多。LTE使用授權頻段，可以保證頻譜的絕對使用權，因此被設計為同步的、集中式的。LTE使用OFDMA信道接入技術，允許同時傳輸，伴隨優化的頻率和時間分配，一般不進行載波感知探測（因為該技術認為許可頻段的獨家使用權），根據控制和管理信令安排最佳信道。因此，整體而言，LTE在分配頻譜資源方面更加“侵略性”，Wi-Fi則更加“禮貌”。

如果不指定LTE和Wi-Fi的共存標準，只簡單將LTE-U作為LTE的“新頻段”而沒有共存機制，很可能導致LTE-U擠走Wi-Fi。諾基亞在最近的報告中強調了這種風險。在諾基亞的研究中，評估了LTE和Wi-Fi兩個系統同時處于“稀疏”和“密集”環境下共存的系統性能表現。仿真結果顯示，LTE系統性能在Wi-Fi使用相同頻段時幾乎沒有任何變化（在大多數情況下小于4%），而Wi-Fi在LTE出現時系統性能顯著降低（在“稀疏”環境中大約70%，在“密集”環境下超過90%）。主要原因是，Wi-Fi的使用經常被LTE共信道干擾阻止，使得Wi-Fi大部分時間總是處于“監聽”模式，顯著影響了用戶的吞吐量。如果設定共存機制，例如基于Wi-Fi和LTE信道措施的“智能”信道選擇，那么Wi-Fi的性能降低將可能有所改善。實際上，LTE-U與Wi-Fi能否共存，最終還是取決于LTE-U在各種共存場景中的“侵略”或“友好”程度，但該問題目前還沒有得到生態系統各參與實體的有效制約和解決。因此，筆者預計LTE-U網絡必將導致共存問題。

發展受到免許可頻段政策影響

全球各地區對免許可頻段政策并不是一致的，大體分為兩類：一類政策沒有涉及免許可頻度用戶間共存要求和規定，在免許可頻段的監管主要是限制發射功率，以避免干擾相鄰頻段和共頻段的首要用戶，代表國家有美國、中國、韓國等；另一類政策在免許可頻段設定了具體的共存協議，即“先聽后講”（listen before talk），一般都復制了Wi-Fi的CSMA/CA操作，代表國家是歐洲、日本和印度。

不同的管制要求將影響LTE-U的推出。在沒有共存要求的地區，LTE-U在理論上可以按照“原樣”部署，沒有額外的在共存方面的管制要求，因此可能會較早出現LTE-U的網絡部署。在規則上有具體共存參數要求的地區，LTE-U則需要額外的技術改進和進行標準化工作，推出網絡的時間點會更晚也更為統一。

目前，LTE-U已經納入3GPP Release 13標準，并將于2016年正式推出，相關標準將在2016年完成，相應產品將于2017年問世。不過，標準化前的產品可以在這個時間點前問世，如美國、中國等地區，可能會出現專有解決方案和網絡部署，這些專有方案并不能滿足歐洲等地區的管制要求。由于標準化前的共存特點還是未知，3GPP共存特性是否會在這些地區采用也未可知，因此，可能會出現多種專有方式共存的局面，并可能持續一段時間。

共存設計應兼顧公平和效率

Wi-Fi和LTE-U數據傳輸如果同時進行將相互干擾，因為Wi-Fi包含共存程序，允許多個Wi-Fi系統共存；而LTE則假設只有一個運營商單獨使用頻譜。因此，如何實現LTE-U與Wi-Fi公平共存而不降低數據吞吐量效率，是當前需要解決的關鍵問題。理想情況下的共存需求和解決方案，應該給每個網絡和技術提供公平使用頻譜的機會，同時滿足當地的管制要求，其中占用頻譜時間的公平性和數據吞吐量效率，是需要最重要的兩個因素。

傳輸時間公平等同于參與者們平等的使用頻譜量。共存機制理想上需要給每個網絡提供相等的使用機會，尤其要保證每個網絡在流量達到或超過空中接口數據吞吐容量時，能使用相等的頻譜。如在流量高峰時期，有10個網絡想使用美國UNII-3頻段的100MHz非授權頻段，那么每個網絡英國得到平均10MHz的頻譜，而并不需要給網絡中的每個設備提供相同的平均數據速率，因為速率大小取決于許多因素。

共存機制還應該考慮數據速率效率。許多共存技術在確保傳輸時間公平時，都以犧牲數據速率公平為代價。如信道評估時間增長，退回等待時間增加,設備可以傳輸的時間變短等，都能降低設備的數據傳輸效率。

LTE-U的設計方向之一是采用與Wi-Fi相同的模式。LTE-U在傳輸信號前首先監聽信道以確保信道是空的。LTE在傳輸過程中也應該保證不長時間占據頻譜，以確保和Wi-Fi傳輸時間的公平，這種情況下，LTE的效率優勢將顯著降低。如果只將LTE-U設計成簡單的更新頻段的LTE技術,則LTE-U的數據吞吐量將達到Wi-Fi的5倍，但LTE-U的效率是依賴其集中化和空中接口連續使用的優勢，如果將Wi-Fi一樣的共存程序應用于LTE-U，那么相較Wi-Fi，LTE-U將失去原本的效率優勢。

LTE-U的另一個設計方向是使用調度機制暫時釋放信道。尤其是TDD LTE-U，可以設計成每隔Y個時幀暫停傳送數據X個時幀，這種占空比的方式。這樣不僅可以保持LTE-U的效率，還可以讓其它技術在LTE-U數據傳輸占空比期間進行傳輸，以提高頻譜利用率。

可見，對于所有的技術和網絡占用時間公平的原則，很可能會降低LTE-U的數據吞吐效率，因此，需要合理設計LTE-U。

LTE-U發展前景不甚明朗

LTE-U若順利發展首先需解決共存問題。LTE-U雖能在越來越擁擠的免許可頻段給用戶帶來更高的數據吞吐量，但這個特性也使得其在非授權頻段與其它技術共存問題方面存在挑戰。雖然一些國家并沒有共存要求，但最終LTE-U必須解決與Wi-Fi的共存問題才能得以發展。

也是基于上述原因，LTE-U不會取代Wi-Fi。因為LTE-U所宣稱的高數據傳輸效率是以獨占頻譜為前提的，而LTE-U需要解決與Wi-Fi的共存問題，但實現中二者共存公平是以犧牲LTE-U的效率為代價的。因此，LTE-U與Wi-Fi相比將沒有明顯的效率優勢，并不會取代Wi-Fi。

目前，LTE-U在全球部署步伐并不一致。在美國、中國和韓國等沒有非授權頻段共存機制要求的國家，會有運營商率先部署LTE-U，時間點在2015～2016年（標準出臺前），這可能影響Wi-Fi的使用。而在歐洲、日本和印度等有明確非授權頻段共存機制要求的國家和地區，LTE-U的部署時間將比較晚，需要先在技術層面達到管制要求才能推出，而這并不影響Wi-Fi網絡的使用。

此外，一些運營商持反對態度也使得LTE-U的未來發展面臨不確定性。雖然有中國移動、Verizon、愛立信、高通等大型運營商和設備商的支持，但也有些移動運營商的積極性并不高甚至反對，如AT&T、Orange、Vodafone、Telefonica SA等。主要原因在于這些運營商已經部署了大量的Wi-Fi作為其核心網絡的補充，如果建設LTE-U則降低了此前投資的價值。