LTE-U與WiFi共存技術(shù)綜述*

孫靜怡，李艾靜,2，張 磊，周 昆

（1.陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，信息社會(huì)的流量數(shù)據(jù)呈井噴式爆炸。2017年思科可視化網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（Visual Networking Index，VNI）預(yù)測(cè)報(bào)告[1]顯示，2022年全球IP年流量將突破4.8 ZB，2017—2022年互聯(lián)網(wǎng)流量將增加4.8倍，平均互聯(lián)網(wǎng)流量將增加3.7倍。2017年智能手機(jī)占全部IP流量的17%，到2022年智能手機(jī)將占總流量的44%。

移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求爆炸式增長，使得現(xiàn)有的具有跨區(qū)切換和跨本地網(wǎng)自動(dòng)漫游功能[2]的移動(dòng)通信系統(tǒng)難以滿足用戶的需求。2020年，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)5G技術(shù)在研究人員的努力下，將正式投入商用。《5G承載需求白皮書》提出，相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G采用更寬的無線頻譜和更大規(guī)模的多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）新技術(shù)，將峰值帶寬和用戶體驗(yàn)帶寬提升數(shù)十倍[3]。5G的智能靈活、高效開放、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革，推動(dòng)承載網(wǎng)架構(gòu)相應(yīng)演進(jìn)，并具備網(wǎng)絡(luò)切片、靈活組網(wǎng)和調(diào)度、協(xié)同管控以及高精度同步等功能[4]。

然而，授權(quán)頻譜的短缺依舊是5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要障礙。大量頻帶資源分配給運(yùn)營商，造成現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量即將達(dá)到可用上限。頻譜稀缺，使現(xiàn)代移動(dòng)系統(tǒng)的部署面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而由于在同一頻段可以使用的不同無線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致情況進(jìn)一步惡化[5]。長期演進(jìn)技術(shù)也被稱為第三代合作伙伴計(jì)劃的授權(quán)輔助接入技術(shù)，是非授權(quán)頻譜中解決頻譜短缺的一個(gè)重要研究方向。目前，應(yīng)對(duì)爆炸性數(shù)據(jù)流量需求帶來的挑戰(zhàn)以及緩解目前授權(quán)頻段資源緊張的現(xiàn)狀主要有兩種解決方案。一是提高授權(quán)頻段的利用率。二是將LTE部署到非授權(quán)頻段，通過非授權(quán)頻段擴(kuò)充蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量，具有廣闊的發(fā)展前景。

第一種方法對(duì)傳輸速率的提升及容量的提升有其上限，且代價(jià)昂貴，無法及時(shí)解決現(xiàn)有信息爆炸的情況。因此，現(xiàn)在主流的方案是采取第二種方法。目前，處于2.4 GHz的ISM頻段（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻段）和5 GHz U-NII頻段（非授權(quán)國家信息基礎(chǔ)）通常被統(tǒng)稱為非授權(quán)頻段（Unlicensed Band）。由于5 GHz的可利用帶寬比2.4 GHz能夠提供的更寬的帶寬，且頻段更干凈，因此將LTE部署到5 GHz頻段，通過非授權(quán)頻段擴(kuò)充蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量越來越受到研究人員的關(guān)注。

本文第1節(jié)介紹LTE和WiFi共存技術(shù)的理論和發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，第2節(jié)介紹WiFi與LTE-U共存時(shí)的干擾，第3節(jié)對(duì)現(xiàn)有的共存技術(shù)進(jìn)行分類，并詳細(xì)分析國內(nèi)外共存技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，第4節(jié)和第5節(jié)指出下一步研究的方向。

1 LTE-U與WiFi基本介紹及共存挑戰(zhàn)

LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)是正交頻分多址，具有連續(xù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。為了更好地保證服務(wù)質(zhì)量、傳輸頻譜效率和各個(gè)小區(qū)之間的調(diào)度，LTE系統(tǒng)采用集中式MAC協(xié)議，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)度資源，在下行鏈路上共享信道，為數(shù)據(jù)流量分配物理資源。

LTE-U是一種由LTE-U論壇進(jìn)行規(guī)范的技術(shù)方案，由高通公司首先提出。它利用現(xiàn)有的載波聚合功能，以LTE的授權(quán)頻段作為錨點(diǎn)，將多個(gè)（非連續(xù)的）信道聚合在一起作為組件載波，使得LTE直接訪問非授權(quán)頻段，以非授權(quán)的頻帶作為下行的輔助信道使用。隨著技術(shù)的發(fā)展，LTE-U論壇逐漸形成3種主要的組網(wǎng)方式，如圖1所示。補(bǔ)充下行方式組網(wǎng)和載波聚時(shí)分組網(wǎng)的相同之處在于都是以授權(quán)頻段作為主載波，非授權(quán)頻段作為輔助載波。不同點(diǎn)在于載波聚時(shí)分組網(wǎng)的輔助載波可以同時(shí)承接上下行數(shù)據(jù)傳輸，而補(bǔ)充下行組網(wǎng)非授權(quán)的頻帶僅可承擔(dān)下行的輔助信道。單獨(dú)組網(wǎng)方式主要在非授權(quán)頻段使用，主要用于沒有蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況。文獻(xiàn)[6]介紹了LTE物理層控制通道的發(fā)展。文獻(xiàn)[7-8]從不同角度對(duì)LTE和LTE演進(jìn)版（LTE-Advanced，LTE-A）的無線資源管理（Radio Resource Management，RRM）進(jìn)行了研究。

WLAN系統(tǒng)最主要的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，主要工作在5 GHz或2.4 GHz兩個(gè)非授權(quán)頻段。由于WiFi為大眾熟知，通常用WiFi代指WLAN系統(tǒng)。WiFi的MAC協(xié)議不使用集中式控制器，而是基于帶避碰機(jī)制的載波感知多址（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidan，CSMA/CA）進(jìn)行隨機(jī)信道接入。盡管兩者的共存具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際推廣和使用仍然存在很多難題。WiFi和LTE工作機(jī)制的比較，如表1所示。

圖1 LTE-U組網(wǎng)方式

表1 WiFi和LTE工作機(jī)制比較

兩者共存的主要挑戰(zhàn)是兩者使用相同的頻段，WiFi的性能將受到重大影響，而LTE的性能幾乎不變。LTE和WiFi在MAC層的機(jī)制不同，LTE起初的設(shè)計(jì)思路是對(duì)占用的頻譜擁有獨(dú)占控制，而WiFi技術(shù)是基于通道感知和隨機(jī)后退機(jī)制的原理。所以，當(dāng)兩者共存時(shí)，WiFi用戶很難感知到空閑的信道并進(jìn)行傳輸。

除了關(guān)鍵技術(shù)之間的性能差異以外，WiFi廣泛用于企業(yè)和用戶的卸載、運(yùn)營商的熱點(diǎn)接入。隨著WiFi越來越受歡迎，這種技術(shù)的使用也在不斷擴(kuò)大。由于非授權(quán)頻段的LTE主要通過低功率的無線接入小單元（Small Cell，SC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行接入，且通常部署在室內(nèi)位置，運(yùn)營商可能面臨在LTE和WiFi之間進(jìn)行選擇的復(fù)雜決策[9]。

此外，不同運(yùn)營商、不同國家之間的政策不同。例如，以日本、歐洲為代表的國家和地區(qū)使用先聽后講技術(shù)[10]，而韓國、印度、美國等對(duì)LBT進(jìn)行限制的國家及地區(qū)則使用基于第三代伙伴合作計(jì)劃（The 3rd Generation Partner Project，3GPP）標(biāo) 準(zhǔn)Rel 10/11/12的LTE-U技術(shù)。

2 WiFi與LTE-U共存時(shí)的干擾

多個(gè)文獻(xiàn)研究了在非授權(quán)頻段中運(yùn)行但沒有采取合適措施時(shí)，LTE-U對(duì)WiFi網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)重破壞。為了實(shí)現(xiàn)共存，實(shí)際研究時(shí)要將重點(diǎn)放在如何在相同頻譜上對(duì)不同共存軟件無線電進(jìn)行操作。針對(duì)這個(gè)問題，列舉了LTE與WiFi共存的主要衡量的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 用戶吞吐量

用戶吞吐量是最常用的指標(biāo)之一，是指在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)每個(gè)LTE/WiFi節(jié)點(diǎn)正確接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量。當(dāng)WiFi和LTE-U在單信道共存時(shí)，文獻(xiàn)[11]表明，WiFi的吞吐量相較LTE的吞吐量明顯受到了更大影響。由于LTE的獨(dú)占性，在與WiFi共存時(shí)，與獨(dú)立運(yùn)行相比，吞吐量損失了20%～97%，而LTE-U只降低了1%～10%。

2.2 系統(tǒng)能量效率

系統(tǒng)能量效率被定義為系統(tǒng)總吞吐量除以總功率。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)能量損耗的需求日益迫切。對(duì)于來自不同無線電的干擾管理，系統(tǒng)能量效率作為非授權(quán)頻譜中保持公平共存的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，不以系統(tǒng)的吞吐量為目標(biāo)，在保證其他用戶最低速率需求的前提下，提高目標(biāo)用戶的能量效率。文獻(xiàn)[12-13]通過評(píng)估各種神經(jīng)參數(shù)的影響，提出了一種分布式算法來自適應(yīng)地更改LAA的能量效率。

2.3 信號(hào)干擾加噪聲比

信號(hào)干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）是仿真過程中收集到的所有接收數(shù)據(jù)包的平均信噪比。LTE和WiFi共存將導(dǎo)致兩者的SINR均降低，而LTE傳輸和WiFi的SINR在共存時(shí)降低幅度比LTE還要大。在稀疏部署場景中，WiFi的平均SINR降低范圍介于19%～23%，而在密集部署場景中介于17%～29%。

2.4 WiFi聽訊模式

WiFi聽訊模式衡量WiFi傳送/接收質(zhì)量是有意義的。目前，有3種共存條件下的優(yōu)化方案，即LTE向WiFi系統(tǒng)的業(yè)務(wù)卸載、資源共享和混合模式。通過當(dāng)前聽訊模式情況，可以判別WiFi用戶和LTE用戶業(yè)務(wù)的使用繁忙程度。

3 共存技術(shù)分類

現(xiàn)有的共存技術(shù)分為信道分離技術(shù)和信道共享技術(shù)兩大類。信道分離技術(shù)是指WiFi業(yè)務(wù)相對(duì)空閑，非授權(quán)頻段資源豐富，基站可以選擇空閑的信道進(jìn)行傳輸。信道共享技術(shù)是指在WiFi業(yè)務(wù)繁忙時(shí)，LTE-U用戶和WiFi用戶需要共享信道，非授權(quán)信道需要重復(fù)使用。根據(jù)方法的不同，它具體又可以分為10余類，具體見表2。

表2 共存技術(shù)分類

3.1 信道分離技術(shù)

隨機(jī)選擇性接入是系統(tǒng)安排相對(duì)固定的信道，用來隨機(jī)選擇進(jìn)行傳輸。文獻(xiàn)[14-15]表明，多個(gè)用戶可隨機(jī)選擇系統(tǒng)提供未被其他設(shè)備占用的非授權(quán)頻段的信道進(jìn)行使用。然而，由于非授權(quán)頻段的開放性，長時(shí)間提供固定的“干凈”信道會(huì)對(duì)WiFi用戶造成較大的干擾。

設(shè)置接入點(diǎn)協(xié)調(diào)控制是通過集中式調(diào)度，動(dòng)態(tài)根據(jù)需求對(duì)LTE-U用戶和WiFi用戶的需求進(jìn)行集中式任務(wù)分配。文獻(xiàn)[16]提出了一種中心控制的協(xié)作共存機(jī)制，通過在LTE-U與WiFi之間建立超級(jí)接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二者協(xié)調(diào)共存。

基于全雙工模式，文獻(xiàn)[17]解決了WiFi模式/速率的適應(yīng)和LTE-U信號(hào)的檢測(cè)問題。通過引入基于FD的滑動(dòng)窗口相關(guān)器檢測(cè)LTE-U信號(hào)，并分析了在自干擾抑制下的檢測(cè)器性能，引入了基于POMDP的部分可觀察馬爾可夫決策過程的方案。根據(jù)LTE-U干擾的WiFi情況，聯(lián)合調(diào)整WiFi FD模式和傳輸速率。結(jié)果表明，聯(lián)合速率和模式自適應(yīng)比在低信噪比時(shí)平均提供約1.5倍，在最佳HD理論吞吐量時(shí)提供高信噪比吞吐量增益1.9倍。

3.2 信道共享技術(shù)

信道共享技術(shù)可分為時(shí)域共存和頻域共存，其中時(shí)域共存中比較常見的方式是占空比技術(shù)和LBT技術(shù)，頻域共存中常見的是動(dòng)態(tài)頻率選擇（Dynamic Frequency Selection，DFS）技術(shù)。

3.2.1 占空比技術(shù)

典型的非協(xié)作訪問是占空比技術(shù)。通過定義一個(gè)特定的時(shí)分復(fù)用模式，在LTE-U系統(tǒng)傳輸時(shí)（LTE ON）WiFi不能傳輸，WiFi系統(tǒng)傳輸時(shí)（LTE OFF），LTE-U不能傳輸，兩者從時(shí)域上互不影響，占空比及開關(guān)周期會(huì)影響LTE-U系統(tǒng)的性能。

文獻(xiàn)[18-25]表明，占空比技術(shù)通常被認(rèn)為比LBT更具有侵略性也不公平，因?yàn)樗蛔袷嘏cWiFi相同的規(guī)則。但是，LBT的引入需要修改MAC協(xié)議，可能會(huì)剝奪LTE的優(yōu)勢(shì)。常見的占空比方式有載波感知自適應(yīng)傳輸（Carrier Sense Adaptive Transmission，CSAT）技術(shù)、幾乎空白子幀（Almost-Blank Subframes，ABS）技術(shù)、靜默LTE子幀[20-21]和借助LtFi平臺(tái)等方式。

文獻(xiàn)[18]根據(jù)基站或用戶需求提供LTE與WiFi的最佳占空比方案。文獻(xiàn)[19]采用隨機(jī)幾何方法對(duì)多路無線電接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中WiFi和LTE-U的共存性能進(jìn)行建模和分析，推導(dǎo)出WiFi的保留概率及其一般路徑損耗指數(shù)的上界，以及WiFi和LTE-U的密度對(duì)WiFi性能的影響。當(dāng)WiFi和LTE-U節(jié)點(diǎn)密度分別趨于無窮大時(shí)，空間吞吐量漸近；當(dāng)WiFi的密度趨于無窮大，WiFi和LTE-U的空間吞吐量收斂于兩個(gè)不同的常數(shù)。而LTE-U密度的遞增會(huì)導(dǎo)致WiFi網(wǎng)絡(luò)的空間吞吐量遞減。

文獻(xiàn)[22]提出使用了一種能夠完全兼容LTE-U和WiFi硬件的LtFi系統(tǒng)，即在LTE-U BSs的空中接口上使用側(cè)信道，通過廣播到相鄰的WiFi節(jié)點(diǎn)來連接和識(shí)別信息，在后續(xù)步驟中使用該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)回程上創(chuàng)建雙向控制通道。這是一種能夠在位于同一位置的LTE-U和WiFi網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間建立交叉技術(shù)通信。在擁擠的無線環(huán)境中，LTE-U的接收功率水平也能達(dá)到-92 dBm，數(shù)據(jù)傳輸也很可靠。

頻譜的低效利用導(dǎo)致信道中的空閑被稱為白空間。WiFi的白空間為LTE-U提供了相當(dāng)大的頻譜機(jī)會(huì)且無成本。通過機(jī)器學(xué)習(xí)能夠讓基站動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)白空間的持續(xù)時(shí)間，并相應(yīng)地調(diào)度傳輸。文獻(xiàn)[24-25]表明，ABS的目的是防止信道中被不同無線電資源接入時(shí)，如每5個(gè)子幀中有n幀需要關(guān)閉LTELAA，WiFi用戶使用信道資源來替換LTE-LAA節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)有很多用戶試圖訪問網(wǎng)絡(luò)時(shí)，WiFi用戶可能會(huì)花很多時(shí)間在后退上。如果LTE能夠利用這些靜默時(shí)間，WiFi性能有可能能夠得到提高[29]。由此設(shè)想提出了ABS子幀技術(shù)。ABS子幀是LTE的子幀，具有較低傳輸功率，目的是增強(qiáng)小區(qū)干擾協(xié)調(diào)。使用ABS技術(shù)期間，由WiFi的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到LTE信道的空閑從而接入信道，是一種類似占空比的共存方式。文獻(xiàn)[23]總結(jié)了ABS輔助下的共存機(jī)制的實(shí)例，表明利用改進(jìn)的ABS技術(shù)可以控制非授權(quán)頻譜中的LAA，同時(shí)對(duì)上行和/或下行子幀進(jìn)行消聲處理，不包含LTE通用參考信號(hào)。結(jié)果表明，WiFi能夠重用LTE所放棄的空子幀，吞吐量隨空子幀數(shù)的增加而增加。文獻(xiàn)[25]提出了一種基于Q學(xué)習(xí)的方法，提供了一種平衡LTE-U利用率和WiFi延遲的方法，使LTE-U的基站能夠動(dòng)態(tài)識(shí)別和進(jìn)一步利用WiFi信道中的空白，而無需詳細(xì)了解WiFi信道中的空白。通過自適應(yīng)地調(diào)整LTE-U的占空比，使LTE-U傳輸?shù)目臻e資源得到最大化利用，同時(shí)降低了對(duì)WiFi流量的延遲。

文獻(xiàn)[30]表明LTE-U在空通道上運(yùn)行時(shí)，其最大允許占空比為95%，但是如果這樣做會(huì)嚴(yán)重影響WiFi共享信道，因?yàn)樾艠?biāo)發(fā)送/接收將被打亂。而如果LTE-U縮減80%（即20 ms打開/5 ms關(guān)閉）時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)的空信道信標(biāo)丟失能夠降低到可接受的水平。

高通[31]建議占空比技術(shù)的使用周期為40 ms、80 ms或160 ms，占空比比例限制為50%。這個(gè)技術(shù)通過主動(dòng)觀察無線信道估計(jì)其利用率，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)信道選擇和自適應(yīng)占空比循環(huán)。原則上，占用最少的信道是首選。該機(jī)制被稱為載波感知自適應(yīng)傳輸，用于調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)與相鄰WiFi和LTE節(jié)點(diǎn)公平共享無線資源，如圖2所示。

圖2 CSAT機(jī)制下自適應(yīng)的調(diào)節(jié)開關(guān)周期和占空比

基于占空比方法[31-32]在未經(jīng)授權(quán)的頻段上使用幾乎空白的子幀周期性地打開和關(guān)閉LTE信號(hào)。在這種情況下，WiFi用戶只能在LTE信號(hào)關(guān)閉的情況下接入非授權(quán)頻段。因此，LTE-U系統(tǒng)在非授權(quán)頻段的使用上占主導(dǎo)地位。

3.2.2 LBT技術(shù)

典型的協(xié)作訪問是LBT技術(shù)，即LTE設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸前應(yīng)當(dāng)定期偵聽信道中其他占用者的存在。若信道被占用，將退避一段時(shí)間再進(jìn)行傳輸[33]。偵聽過程也稱空閑信道評(píng)估（Clear Channel Assessment，CCA），LBT使用與WiFi系統(tǒng)相近的碰撞檢測(cè)機(jī)制，更易保證WiFi用戶的性能，適用于WiFi AP密度較低的區(qū)域。如圖3所示，在LBT機(jī)制下，WiFi與LTE-U共存的場景中，LTE-U用戶通過與WiFi用戶競爭獲得傳輸時(shí)間。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)為LBT方案提供了兩個(gè)選項(xiàng)：基于框架的設(shè)備（Frame Based Equipment，F(xiàn)BE）和基于負(fù)載的設(shè)備（Load Based Equipment，LBE）。FBE采用的是固定的幀結(jié)構(gòu)，配合LTE的幀結(jié)構(gòu)，在固定的位置進(jìn)行偵聽；FBE模式通道訪問簡單，適用于非擁擠的情況。LBE模式可以自行調(diào)整傳輸時(shí)間和接入信道。在LBE模式下，隨機(jī)退避機(jī)制與無線的CSMA/CA由無線接入小單元執(zhí)行，以獲得信道訪問，有望解決解決訪問公平性問題，缺點(diǎn)是在與LTE配合時(shí)無法確定幀開始的時(shí)間，應(yīng)用時(shí)相對(duì)復(fù)雜。實(shí)際使用中，授權(quán)接入（Licensed Assisted Access，LAA）技術(shù)采用了LBE模式，并已被證明在實(shí)際部署中提供了更好的共存結(jié)果[34]。

圖3 LBT機(jī)制下WiFi與LTE-U共存場景

文獻(xiàn)[26]使用基于LBT的（E-FBE）增強(qiáng)型的幀結(jié)構(gòu)，類似于WiFi的競爭回退接入方式，從而避免了使用者之間的沖突[35]。但是，該方案將導(dǎo)致延遲，頻譜利用率將有所下降。文獻(xiàn)[27]構(gòu)建了一個(gè)馬爾可夫鏈模型來精確模擬LAA的LBT機(jī)制。提出的模型也適用于Multefire，并通過數(shù)值分析和仿真分析證明了模型驗(yàn)證。通過提出的模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化LAA的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，與WiFi LBT相比，LAA具有更高的傳輸效率。此外，綜合分析了同質(zhì)和異構(gòu)的共存性，研究了網(wǎng)絡(luò)工作方案。結(jié)果表明，隨著信道運(yùn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，LAA在WiFi上實(shí)現(xiàn)了更高的吞吐量。文獻(xiàn)[28]提出了基于LBT的LTE-U系統(tǒng)自適應(yīng)信道接入，討論了小基站與一個(gè)WiFi AP共享非授權(quán)頻段時(shí)的優(yōu)化問題以及與多個(gè)WiFi AP共享非授權(quán)頻段時(shí)的優(yōu)化問題，將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為使WiFi用戶的碰撞概率最小的問題來求最優(yōu)解。

文獻(xiàn)[36]詳細(xì)介紹了FBE和LBE方案，其中DCF中的指數(shù)回退方法已被靜態(tài)回退或均勻分布回退方案所取代。但是，文獻(xiàn)[37]由于缺乏自適應(yīng)能力，小基站（Small Base Station，SBS）和WiFi APs都不能實(shí)現(xiàn)最佳、公平的共存。通過動(dòng)態(tài)頻率選擇（Dynamic Frequency Selection，DFS）機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)頻域共存。通過同時(shí)檢測(cè)不同信道的狀態(tài)，讓LTE-U選擇一個(gè)最空閑的信道進(jìn)行占用并傳輸數(shù)據(jù)[38]。DFS適用場景主要是低密度的情況。其他輔助共存方式包括分布式協(xié)調(diào)函數(shù)（Distributed Coordination Function，DCF）符合LBT規(guī)則，可以實(shí)現(xiàn)WiFi與LTE的公平共存[18]。采用二進(jìn)制指數(shù)回退實(shí)現(xiàn)是一種輔助共存策略[23]，但本質(zhì)上不能解決LTE-U與WiFi在非授權(quán)頻段的共存問題，只能作為輔助共存策略[32]。

小基站和小單元用戶（Small Cell Users，SUS）在使用前會(huì)檢測(cè)到非授權(quán)的頻段。目前，大部分的共存方案都將LBT技術(shù)作為不可缺少的方式。高效正確的信道感知為LTE-U和WiFi的共存提供了有效的依據(jù)，從而保證了資源分配的高效性和可靠性。

目前發(fā)展的其他技術(shù)包括LAA/Multefire，都是基于非授權(quán)頻譜的基于LTE的無線接入技術(shù)。它們最大的不同是，LAA需要以授權(quán)頻段的載波作為錨點(diǎn)，而Multefire不需要，可以獨(dú)立組網(wǎng)。文獻(xiàn)[39-40]利用Q-learning學(xué)習(xí)算法，聯(lián)合自適應(yīng)占空比和動(dòng)態(tài)通道切換機(jī)制，自動(dòng)選擇合適的靜默周期和信道組合。基于博弈論的LTE/WiFi協(xié)作[38,41]進(jìn)一步要求標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)設(shè)施支持（如集中代理）。不同于傳統(tǒng)拍賣模型，價(jià)格密封拍賣指定最高（或最低）投標(biāo)人提交投標(biāo)將贏得拍賣，拍賣項(xiàng)目將出售價(jià)格由第二個(gè)最高（或最低）收購。

4 下一步研究的方向

現(xiàn)有的共存機(jī)制大部分是針對(duì)中心式場景，同時(shí)針對(duì)單個(gè)運(yùn)營商討論較多，在共存場景中是不實(shí)際的。帶寬和無線鏈路質(zhì)量的頻繁和不可預(yù)測(cè)的變化，使收集有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的更新信息變得更加困難狀態(tài)。

4.1 通過SDN動(dòng)態(tài)執(zhí)行LTE與WiFi協(xié)調(diào)的任務(wù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）被應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)[42]。文獻(xiàn)[43]介紹了多種方法使用SDN范式管理無線電接入網(wǎng)。控制平面和數(shù)據(jù)平面的分離是SDN體系結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)[44]。控制平面在邏輯上集中在使用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的控制器中。而在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，SDN范式也可以用于控制和配

置無線電參數(shù)，以便管理干擾、優(yōu)化接入或提高能效。通過在需要相鄰小區(qū)之間收集LTE和WiFi的狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)，利用SDN動(dòng)態(tài)執(zhí)行這種協(xié)調(diào)的任務(wù)，從而交接管理和傳輸功率分配，實(shí)現(xiàn)LTE-U與WiFi的共存。

4.2 通過學(xué)習(xí)算法制定最優(yōu)時(shí)隙和子載波分配方案

WiFi網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載狀況通常具有規(guī)律性，可以通過在較大的時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)WiFi的負(fù)載變化規(guī)律，從而充分利用WiFi網(wǎng)絡(luò)空余的非授權(quán)頻段資源提高總體性能并兼顧公平性。通過考慮基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法減少與WiFi共存帶來的干擾進(jìn)行空閑時(shí)間的選擇，制定最優(yōu)時(shí)隙和子載波的分配方案。

4.3 基于CSAT技術(shù)共存的調(diào)整占空比方案

相對(duì)于非協(xié)作共存的方式，協(xié)作式共存能更有效地實(shí)現(xiàn)WiFi和LTE在未授權(quán)頻段的友好共存。當(dāng)前提出的集中管理頻譜資源并基于占空比ON/OFF的方式分配給WiFi和LTE使用，是一種很好的協(xié)作式共存方式。為了避免LTE-U技術(shù)對(duì)現(xiàn)有WiFi系統(tǒng)和其他小基站的持續(xù)干擾，采取基于CSAT技術(shù)共存的調(diào)整占空比方案，保證在免許可頻段上的正交資源共享，且占空比可以按比例進(jìn)行切換。

5 結(jié)語

隨著5G的發(fā)展，下一步可以考慮更多約束條件和系統(tǒng)環(huán)境。對(duì)于LTE-U和WiFi共存問題，針對(duì)多個(gè)運(yùn)營商，分布式共存場景將是重點(diǎn)研究方向。研究表明，機(jī)器學(xué)習(xí)算法不僅適用于分布式場景，也能夠在中心式場景中發(fā)揮有效作用。借助機(jī)器學(xué)習(xí)和博弈論等計(jì)算方法研究聯(lián)合資源優(yōu)化分配、非授權(quán)頻段的干擾管理、路由選擇、用戶公平性分配等問題，同時(shí)結(jié)合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行研究，使得小基站不僅可以通過與環(huán)境交互自適應(yīng)地學(xué)習(xí)。同時(shí)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力連續(xù)映射，使小基站具備良好的記憶能力，是未來主要的研究方法之一。