3GPPLAA-LTE物理層關鍵技術標準化研究

石俊峰　國網信息通信產業集團有限公司工程師

何清素　國網信息通信產業集團有限公司高級工程師

郭寶賢　國網信息通信產業集團有限公司高級工程師

趙嬌嬌　北京郵電大學碩士研究生

發展策略

3GPPLAA-LTE物理層關鍵技術標準化研究

石俊峰國網信息通信產業集團有限公司工程師

何清素國網信息通信產業集團有限公司高級工程師

郭寶賢國網信息通信產業集團有限公司高級工程師

趙嬌嬌北京郵電大學碩士研究生

隨著移動數據業務和智能終端的快速增長，授權頻譜資源的日益匱乏，LTE網絡正面臨著提高頻譜利用率及用戶體驗等各方面的考驗。考慮到非授權頻段擁有豐富的頻譜資源，如何實現將LTE部署在該頻段以減輕現有網絡的負擔成為關注的熱點。因此，3GPP標準化組織將LTE輔助授權接入（Licensed-assistedaccess，LAA）列為LTER13的重點研究項目。本文對LAA展開深入研究，并介紹其基本內容及物理層關鍵技術的標準化工作。

3GPP LAA-LTE物理層關鍵技術 標準化 LBT頻率復用

1　引言

隨著移動數據業務以及智能終端的爆炸式增長，LTE網絡面臨著提高頻譜利用率，滿足用戶高傳輸速率、低時延的需求等各方面的考驗。同時，授權頻段頻譜資源日益匱乏，容易造成室內和公共熱點區域的網絡擁堵，降低LTE網絡的性能。與授權頻段相比，非授權頻段具有豐富的頻譜資源，如5GHz頻段擁有近500MHz的可用頻譜，且在滿足相關管制要求下，不需要授權就可以直接使用。面對無線通信業務增長和頻譜資源有限性之間的矛盾，移動運營商和設備商紛紛將目光投向了非授權頻段，探討如何將LTE網絡部署在該頻段，以減輕現有網絡的負擔。

2014年9月，3GPP組織將LTE輔助授權接入（Licensed-assistedAccessUsingLTE，LAA-LTE）列為下一代LTE增強網絡（R13）的重點研究項目，擴展LTE網絡的工作頻段，使其可以工作在非授權頻段。本文首先介紹了LAA的基本內容，其次研究了LAA物理層關鍵技術的標準化工作，并對其關鍵技術進行了歸納與分析。

2　LAA系統

LAA的主要思想是采用載波聚合技術，聚合一個主小區（Pcell）和一個或者多個輔小區（Scell）。主小區工作在授權頻段，主要用于發送重要信息，管理服務質量等；輔小區工作在非授權頻段，機會主義地提高數據傳輸速率。輔小區可以配置為僅支持下行或者同時支持上下行，圖1為僅支持下行的情況。

因非授權頻段上存在著不同的運營商或者不同的通信系統，擴展LTE網絡，使其工作在非授權頻段上，不同的運營商或者不同的通信系統之間有效、公平共存問題，是LAA設計時需要考慮的問題。3GPP指出，LAA系統的設計應使得：LAA可以在任何地區的管理要求下運行，且提供足夠的可配置性；與Wi-Fi有效、公平共存，具體是指在吞吐量和時延方面，LAA對Wi-Fi服務的影響應不超過工作在同一載波上的另一個Wi-Fi網絡對此Wi-Fi服務的影響；不同運營商部署的LAA網絡之間的有效、公平共存。

LAA需要具備的功能包括多個方面，涉及信道接入機制、資源管理等，具體如下：

（1）監聽避讓機制（ListenBeforeTalk）：監聽避讓機制，使無線局域網之間有效共享相同的頻譜資源。設備進行數據發送前，先進行空閑信道評估（CCA），CCA利用能量檢測來確定信道是否空閑。

（2）動態頻率選擇：動態頻率選擇旨在檢測來自雷達系統的干擾，避免同雷達系統工作在同一信道；如果檢測到雷達數據，則將傳輸迅速切換到其他信道。

（3）載波選擇：非授權頻段有大量可用的頻譜資源，LAA可以選擇低干擾的載波進行數據傳輸。

（4）傳輸功率控制：傳輸功率控制是某些地區的強制性要求，發送設備能夠在最大標準發送功率的基礎上降低3～6dB。

（5）具有最大傳輸時間限制的載波間歇傳輸：在非授權頻段，信道可用性并不能時刻得到保證。而且在某些地區，如歐洲和日本，禁止非授權頻段上的連續傳輸，并對傳輸脈沖的最大時間進行了限制。因此，具有最大傳輸時間限制的間歇傳輸是LAA的一個必需功能。

（6）RRM測量（包括小區識別）：包括小區識別的無線資源管理（RRM）測量，可使Scells進行移動，在非授權頻段穩健運行。

（7）AGC設置。

（7）粗同步。

（8）至少對于解調的頻率/時間精確估計。

（9）信道狀態信息（CSI）測量，包括對信道本身以及干擾的測量。

圖1　LAA示意圖

3　LAA物理層標準化進展

LAA的標準化與其他3GPP標準化項目相同，分為研究項目（SI）和工作項目（WI）兩個階段。SI階段主要的目標是研究LTE網絡可以工作在非授權頻段，且確保與Wi-Fi網絡公平共存所需要的改進。WI階段主要的目標是制定具體的技術規范，關注輔小區配置為僅支持下行的情況，主要有包含空閑信道評估的信道接入框架、具有最大傳輸時間的間歇傳輸、UE支持的載波選擇、RRM測量和CSI測量等。此外，WI階段還需要對基站和用戶于5GHz頻譜的核心需求進行規范。本文主要研究LAA物理層關鍵技術的標準化工作，包括信道接入機制、頻譜復用、CSI測量和上報、隱藏節點和載波選擇。

3.1信道接入機制

LBT（ListenBeforeTalk），即先聽后說，是保證LTE技術引進未授權頻段最重要的保證機制，也是LAA系統中許多其他設計的基礎。因為非授權頻段上信道的可用性并不能時刻得到保證，LBT要求在傳輸數據前先監聽信道，進行空閑信道評估（CCA），在確保信道空閑的情況下再進行數據傳輸。3GPP對各種信道接入機制進行了評估，主要包括：

（1）無LBT

在世界上某些地區和國家，并不強制要求在非授權頻段上實施LBT機制。

（2）無隨機退避LBT

采用固定時長的幀，包括信道占用時間和空閑時間。在要進行數據傳輸之前進行CCA，如果信道空閑，則在隨后的信道占用時間進行數據傳輸，否則在整個幀周期內都無法傳輸數據。發送方發送數據前確定信號是否空閑的時間長度是確定的。

無隨機退避LBT存在的問題是固定幀周期使得信道傳輸效率變低。另外，如果允許頻率復用，可能造成信道競爭方面的不公平。

（3）采用固定長度競爭窗口的隨機退避LBT

采用不固定幀周期的幀結構，以負載變化為依據的模式。競爭窗口長度固定，采用的是擴展CCA （ExtendedCCA），在檢測到信道空閑時，數據傳輸可以立即開始，否則就要進入競爭窗口，即固定數目的ECCA窗口。

進一步來說，為了保證和Wi-Fi的公平，引入了和Wi-Fi中相似的技術。在其中的特定時間插入一段延遲時間（DeferTime）。

（4）采用非固定長度競爭窗口的隨機退避LBT

在檢測到信道被占用或者到達最大傳輸時間之后，發送端進入競爭窗口。與采用固定長度競爭窗口不同的是，發送端可以改變競爭窗口的長度。

3GPP建議采用上述第4種LBT機制，即非固定長度競爭窗口的隨機退避LBT，作為LAA下行包含PDSCH的信道接入機制的基礎，具體流程參見圖2。

圖2　下行LAASCel Cat4 LBT流程圖

3.2頻率復用

LTE系統頻率復用因子為1的特點，使得屬于同一運營商的不同小區間可以使用同一頻率進行數據傳輸，從而提高頻譜效率。此外，考慮到LAA的間歇傳輸以及與Wi-Fi等設備的干擾共存，在非授權頻段上盡可能以較短的時間完成數據傳輸是非常重要的。然而，由于非授權頻段上信道的可用性不能時刻得到保證，LAA系統必須進行LBT操作，此機制會阻礙頻率復用因子1的實施。

在3GPPRAN1-LAAAd-Hoc會議上，同意將實現考慮LBT機制情況下的同一運營商內部相鄰小區間的頻率復用作為LAA的一個設計目標。關于如何實現頻率復用，各方提出了不同的方法，總結起來包括：在同步LAA運營商系統內，利用同步空閑信道評估（CCA）和正交保留信號（ReservationSignal）來實現相鄰小區間的頻率復用；在異步LAA運營商系統內，考慮采用基站間協作的方式實現相鄰小區間的頻率復用。

隨著3GPP會議的召開，頻率復用問題的各種實現方式仍在繼續討論中。在3GPPRAN1_80bis會議上，就LAA中頻率復用的實現方式給出了4種選擇：CCA門限值自適應；傳輸起始時刻對齊；從能量檢測或改進能量檢測中去除信號；以上3種方式的組合或其他方式。在3GPPRAN1_81會議上，提出在R13中不考慮從能量檢測或改進能量檢測中去除信號來實現頻率復用的方法，而將傳輸起始時刻對齊作為LAA下行頻率復用討論的基準。本文主要介紹CCA門限值自適應和傳輸起始時刻對齊兩種方法。

（1）CCA門限值自適應方法

CCA門限值自適應方法通過對LBT技術進行改進從而實現在LAA中的頻率復用。在同一個運營商內部的LAA系統中，基站在進行CCA檢測時可以有效地分辨出信道中的能量來源。如果是同一運營商相鄰LAA基站在占用信道，則將CCA檢測門限值提高一定值，這個定值由相鄰基站的發射功率決定。如果是Wi-Fi或周圍其他無線接入系統占用信道，則CCA檢測的門限值保持不變。這樣就可以保證同一運營商的不同LAA之間實現頻率復用因子為1。

這種方法不要求精確的時頻同步及基站間的協作，在具體實現中有一定的優勢。但是，要求基站側在進行CCA時可以識別出信道中能量的來源，需要對硬件設備進行相應的改進，開銷較大。

（2）傳輸起始時刻對齊

3GPP組織在圍繞LAA系統的幀結構設計，主要分成了以幀為基礎的FrameBasedEquipment（FBE）和以負載為基礎的LoadBasedEquipment（LBE）。其中，FBE保持了LTE中的固定時長固定結構的幀，LBE則是根據負載的多少來決定傳輸數據包的大小，打破了LTE原有的幀結構。此處僅針對FBE幀結構設計的傳輸起始時刻對齊進行分析。

在LBE幀結構設計情況下，初始CCA之后可能的ECCA及隨機退避，再加上以負載為基礎的設計，都讓基站間的時頻同步無法保證頻率復用的實現，因此可以考慮基站協作。首先，需要統一基站間隨機退避計數器的初始數值，以保證基站從相同的時刻以相同的模式開始進行CCA/ECCA。接下來，在CCA/ECCA進行的時候基站間需要交換相關的信息，其中包括當前退避計數器數值及期望CCA/ECCA結束的時間等，使得基站可以在同一時刻結束CCA/ECCA從而同時開始數據傳輸以實現頻率復用。

利用傳輸起始時刻對齊的方法來實現同一運營商不同LAA小區間的頻率復用，精確的時頻同步必不可少。同時，如何保證在每一個CCA/ECCA時隙都精確的進行基站間的信息交互也是一個很大的挑戰。

3.3CSI測量和上報

（1）CSI測量

非授權頻段上Wi-Fi和LAA采用基于競爭的信道接入機制，使得UE附近間歇性數據脈沖和靜寂期交替發生，因此UE的干擾環境可能會快速波動。由于LAA為間歇傳輸，UE應該在接收服務小區的DL傳輸的情況進行干擾測量。以LAA支持基于CSI-RS，CSI-IM的CSI測量（或者對TM9基于CSI-RS）為例，3GPP指出：

●NPZCSI-RS的傳輸可能需遵循LBT。

●含蓄或者明確地指示出NPZCSI-RS和CSI-IM在子幀中的出現。

●包含CSI-RS、CSI-IM的可能子幀：從UE角度，可周期性出現，或者非周期性出現，或者兩者的結合。

NPZCSI-RS傳輸前要進行LBT，UECSI測量機會難以獲得，而且獲得好的盲檢測非常困難，檢測出現的錯誤率高，比如UE相信基站已經發送了，但是基站并沒有發送。因此，需要含蓄或者明確地指示出NPZ CSI-RS和CSI-IM在子幀中的出現，可以考慮采用將特定RNTI擾碼的DCI信息在多個UE的共同搜索空間里發送，告知信息應用的Scell和時間；或者當調度用戶較少的時候，可以采用通過UE接收UL授權進行指示。

（2）CSI上報

對鏈路自適應和調度來說，周期性CSI上報很重要；同時，非周期性CSI上報有助于系統獲得更為及時的信息。因此，對于CSI上報，3GPPLAA認同兩種選擇：

●支持LAAScell的周期性和非周期性CSI上報。

●僅支持LAAScell的非周期性CSI上報。

建議采用CA中現存的機制來進行非周期性CSI上報，包括額外的R13CA增強，可在授權頻段的一個載波PUSCH或者一個LAAScell上報。

關于LAA是否需要支持周期性CSI上報，各方仍在討論中。如果僅支持非周期性CSI上報的話，雖然可以獲得更及時的信息，但在控制信令容量有限或者非授權頻段PUSCH頻繁不可用的情況下，周期性CSI上報更為有效。當然，周期性CSI上報在LBT機制下需要進行相應的修改，比如當測量信號不可得時，可以考慮上報缺省CSI索引。

3.4隱藏節點

相比Wi-Fi而言，隱藏節點問題對LAA的影響不顯著，但是隨著節點密度的增加，問題會變得突出。因此，考慮采取簡單的機制避免隱藏節點有助于LAA系統整體性能的提升。解決隱藏節點問題，3GPP各方提案中主要存在3種思路，即使用LTE系統現存的機制、RTS-CTS及其增強機制、基于干擾者類型的解決方法。

使用LTE系統現存的機制，例如UE的上報，尋求服務小區的幫助和下行功率控制。當用戶遇到隱藏節點時，向eNB上報。根據這個上報結果，eNB不再考慮調度該UE。eNB可以調度其他沒有上報隱藏節點的用戶。具體的過程：eNB配置一個閾值水平，用戶向eNB上報隱藏節點的出現（干擾水平）。具體的上報細節可以考慮CSI：用戶進行CSI/干擾測量，反饋給基站。當干擾值過高時基站會意識到隱藏節點的潛在存在。

在LAA系統中，可以直接采用Wi-Fi中的RTS/CTS機制，允許Wi-Fi和LAA節點解碼相互的RTS/CTS信號，但是直接采用Wi-Fi中的機制會限制LTE為點對點鏈路，限制LTE網絡中多用戶物理資源的多路復用。此外，可以考慮引入新的LAA多路復用的RTS/CTS設計，允許多用戶調度，具有低RTS/CTS時延。

基于干擾者類型的解決方法具體指：UE通過與相鄰節點之間的信息交互，根據干擾者的類型采取相應的措施。若干擾者是同一運營商的不同節點，利用現有LTE機制，如HARQ、MCS、AMC處理干擾；若干擾者為其他類型節點，采用UE上報的方式，eNB接到上報結果后不調度該UE，減少隱藏節點的影響。

3.5載波選擇

載波選擇作為LAA應該具備的功能之一，對LAA系統與非授權頻段其他系統有效共存、實現自身負載均衡均具有非常重要的意義。在非授權頻段，LAA系統與其他系統共存，可使用的載波非固定且可用性不能時刻得到保障，需要動態地選擇可用的載波；同時，載波選擇可在當前載波變得超載或者有其他載波負載較少、信道質量較好的時候進行，允許UE被調度在不同的載波上，有助于LAA在所有的載波間進行負載平衡。具體而言，載波選擇是指LAACells可以測量或者從UE側獲得可用載波上的測量報告，并且根據結果選擇一個或者一組載波。

載波選擇可以使LAA選擇一個或者多個非授權頻段載波進行數據傳輸，充分利用非授權頻段的頻譜資源。同時，LAA支持多載波操作，也帶來了其他需要考慮的問題，包括多載波LBT如何設計、多載波間功率分配問題等，這些問題在LAAWI階段也在不斷地討論中。

4　結束語

本文介紹了LAA相關背景，并給出了LAA的基本知識，包括主要思想、設計目標和應該具備的功能。在此基礎上，進一步分析了LAA物理層關鍵技術的標準化工作，針對信道接入機制、頻譜復用、CSI測量和上報、隱藏節點和載波選擇5個關鍵技術進行了重點歸納和討論。筆者后續將根據3GPP的協議進展和提案進程，對LAA物理層關鍵技術的標準化工作做進一步的研究。

1 The 3rd Generation Partnership Project（3GPP）TR 36.889.3rd Generation Partnership Project.Technical Specification Group RadioAccess Network.Study on Licensed-AssistedAccess to UnlicensedSpectrum.（Release13）.06，2015

2 The 3rd Generation Partnership Project（3GPP）RP-151045. New Work Item on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum.06，2015

2015-11-20）