LTE-U与WiFi在非授权频段的共存方案研究

2017-05-18刘思嘉黄晓舸陈前斌

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年2期

关键词：空闲载波频段

刘思嘉，黄晓舸，朱帆，陈前斌

(重庆邮电大学移动通信重点实验室，重庆，400065)

LTE-U与WiFi在非授权频段的共存方案研究

刘思嘉，黄晓舸，朱帆，陈前斌

(重庆邮电大学移动通信重点实验室，重庆，400065)

无线数据业务的快速增长给有限的频谱资源带来新的挑战。在当前的各种提高频谱效率方案中，LTE-U(LTE in unlicensed spectrum，LTE-U)通信系统获得了全球运营商的广泛认可。作为5G关键技术之一，LTE-U运用载波聚合技术(carrier aggregation，CA)借助于非授权频段对数据业务进行分流，以达到提高网络数据传输速率、频谱利用率和增强用户移动性的目的。然而，由于LTE-U和WiFi系统接入技术的不同，如何解决两个系统之间的和谐共存成为LTE-U系统能否在非授权频段上使用的关键。对LTE-U的相关背景知识、工作模式、载波聚合技术、LTE-U设计要点进行介绍。指出当前LTE-U和WiFi在共存问题上面临的挑战，并对当前LTE-U和WiFi系统在非授权频段上共存的解决方案进行阐述分析和对比。对未来LTE-U和WiFi系统共存的研究方向进行了展望。

LTE-U；WiFi；载波聚合；共存方案；非授权频段

0 引言

随着无线通讯技术的高速发展，越来越多的无线应用丰富着人们的生活。高数据量业务的爆发式增长，给原本有限的频谱资源提出了新的挑战。根据预测，到2020年，无线数据业务比起2010年将会增长1 000倍[1]。为此，业内众多公司，如华为[2]、高通[3]、爱立信[4]等，提出了将LTE系统移植在5 GHz非授权频上使用的想法，即LTE-U。由于非授权频段的传输性能并不稳定，为了给用户提供较高的服务质量(quality of service，QoS)，通常建议在LTE-U的基础上使用载波聚合技术[5]。业界内通常以LAA来代表采用了载波聚合技术的LTE-U系统。目前，3GPP(the 3rd generation partnership project)正致力于制定关于LTE系统在5 GHz非授权频段上使用的各项标准事宜。2015年5月发布的Release 13的技术报告中对LTE-U载波聚合、LTE-U布置场景、设计目标和共存方案做了详细的讨论[6]。

尽管LTE-U具有众多优势，但不可否认的是，LTE-U将会对现有WiFi系统造成很大的影响。谷歌在其一份递交给美国联邦通讯委员会(federal communications commission，FCC)的白皮书中得出了LTE-U不会是WiFi的好邻居的结论[7]。近来，随着业界对于LTE-U和WiFi共存方案研究的深入，已有文献证明通过一定的机制以及对LTE-U的约束，可以达到二者的公平共存。本文在对LTE-U关键技术及研究前景进行概述的基础上对LTE-U和WiFi系统共存的主要挑战和目前研究的共存方案进行分析介绍，最后对未来的研究方向进行展望。

1 LTE-U概述

LTE-U是指在非授权频段部署LTE系统，即同时使用授权与非授权频段。现有的非授权频段主要有三段，即用于工业，科学和医用2.4 GHz频段、非授权国际信息设施5 GHz频段，以及最新提出的28 GHz～60 GHz毫米波频段。考虑到现在的2.4 GHz频段太过拥挤，WiFi的研究倾向于在5 GHz上展开，在5 GHz非授权频段的数据传输应满足以下几点要求。

1)传输能量限制。为了避免非授权频段上不同接入技术之间互相干扰，并同时保证一定的传输质量，对于不同使用场景下，规定了不同频段的最大传输能量[8]。如欧洲地区和美国对于5.15 GHz～5.35 GHz的室内无线接入节点的最大能量限制分别是23 dBm和24 dBm。

2)雷达信号保护。由于一些用于天气预测和机场的雷达设备工作在5 GHz非授权频段内，所以对于其他接入技术来说，必须有效地避免接入雷达设备所占用的频段。这种通过检测雷达设备所占用的频段并避开的机制称为动态频率选择(dynamic frequency selection，DFS)[9]。

3)信道接入机制。LTE借助现有的物理层(physical layer, PHY)的层编码和介质访问控制层(media access control, MAC)集中资源调度机制能实现很高的抗干扰能力。相比之下，采用MAC层竞争接入机制的WiFi系统将受到LTE-U的巨大冲激。为了保证WiFi用户接入信道的机会，LTE-U接入信道之前须借助于“先听后发”机制(listen before talk，LBT)[10]对信道是否空闲进行判断，即LTE-U在接入非授权频段前，先对非授权频段进行空闲信道评估(clear channel assessment，CCA)，即对该信道进行能量检测。若检测的能量值小于预设阈值，则用户可使用信道进行固定时间，即道占据时间(channel occupancy time)传输，若检测的能量值大于预设阈值，则LTE-U用户进行退避，直到检测到信道空闲为止。有关于LBT的具体设置，欧洲电信标准协会(european telecommunications standards institute，ETSI)给出了规定，空闲周期的取值应至少为信道占据时间的5%，而预设阀值则要根据干扰发射端的等效辐射功率(equivalent isotropically radiated power，EIRP)来确定，此值用PET来表示，LBT框架结构和参数设置如图1所示。

参数取值范围信道空闲评估时间最少20μs信道占用时间最少1ms,最多10ms空闲时间最少为信道占用时间的5%信道空闲阀值接收天线增益为0dBi情况下,阀值=-73dBm/MHz+23-PET

图1 ETSI的LBT结构和参数设置
Fig.1 Structure of LBT and settings defined by ETSI

1.1 工作模式

由于LTE-U在5 GHz频段上传输的特殊性，3 GPP根据其特点和工作环境，提出了以下LTE-U的两种工作模式[11]。

1)时分双工传输模式(time division duplex，TDD)。TDD模式为LTE-U的备选传输模式。在TDD传输模式中，用户用非授权频段进行上下行数据传输。TDD模式一般用于上下行数据量业务大的情况，其特点是用户在非授权频段的上下行链路分别进行载波聚合。

2)补充下行传输模式(supplemental downlink，SDL)。SDL传输模式是3GPP重点研究的传输模式。在SDL传输模式中，非授权频段只用于传输下行链路数据。上行链路和控制信道则继续在授权频段上传输，即只在下行链路进行载波聚合。SDL模式一般运用于下行业务量较大的场景，并且由于其实现更为简单，因而适合于初步研究。

以上2种工作模式中，均采用了载波聚合(carrier aggregation，CA)技术来辅助其进行数据传输。CA技术可以使多个载波单元同时传输数据信号，因此当终端的某个数据链路发生切换或断开时，用户也不会完全与基站失去联系，在一定程度提高了终端的移动性，同时降低了中断概率。如图2所示。

图2 LTE-U用户载波聚合方案Fig.2 Carrier aggregation scheme of LTE-U users

1.2 系统目标及功能要求

为了LTE-U能够更好地利用非授权频段，3GPP提出以下五点对LTE-U系统的要求[12]。值得说明的是，以下五点要求不一定需全部满足。

1)先听后发机制。该机制也称为空闲频道评估机制，即用户在接入信道前应该先对信道进行监听，确认空闲后再进行数据传输。

2)间断传输。由于非授权频段并不能时刻保证信道一直处于空闲状态，当信道无法保持空闲时，数据传输会被中断。此外，在某些地区，如欧洲和日本，对传输时间有着严格的限定。因此LTE-U必须具备在有限时间内，在一个载波上间断传输的功能。

3)DFS。LTE-U在特定的频段或者区域内，可以通过DFS来避免雷达信号。

4)载波选择。由于在非授权频段上有许多可用的载波，因此LTE-U需要具备从众多可用载波中选择干扰最小、最易于与其他用户和谐共存的载波的能力。

5)传输功率控制。即基站和用户可以将其发射功率减少为最大发射功率的一半及以上，以此来减少干扰并延长电池的使用寿命。

2 LTE-U共存挑战

LTE-U通过借助于CA技术，实现了授权频段载波及非授权频段载波聚合，使得用户能够在LTE系统架构下同时使用授权频段及非授权频段。与传统方式相比，LTE-U不仅能实现授权频段和非授权频段的无缝切换，同时也能带来系统容量的增长，然而这将会对工作在5 GHz非授权频段上的WiFi系统产生很大的威胁。研究结果表明，在不对现有的协议做任何改动的情况下， LTE-U和WiFi系统同时传输数据时，留给WiFi系统接入信道的时间太短，以至于出现WiFi用户很多时候都无法接入信道的情况[13]。除此之外，有研究结果指出，如果不对LTE-U进行任何限制，在特定场景下，WiFi用户将会有超过96%的时间都处于监听状态[14]。因此，LTE-U和WiFi系统的和谐、公平共存是目前急待解决的关键问题之一。

2.1 共存关键问题

关于LTE-U和WiFi共存的问题是业界一直以来讨论的热点，LTE-U和WiFi的共存面临着许多挑战，总结起来主要表现为3个方面：MAC层和PHY层不同的干扰管理机制；非授权频段和授权频段业务分配；多运营商之间共享非授权频段[15]。

2.1.1 MAC层和PHY层不同的干扰管理机制

LTE-U和WiFi系统使用独立不同的无线接入技术(radio access technology，RAT)决定了其在MAC层和PHY层截然不同的干扰管理机制。LTE-U采用是集中式MAC协议，该协议规定基站在每一帧内都将资源分配给能最大化目标指标的用户。相比之下，WiFi在MAC层采用CSMA/CA机制，即每一个用户在传输数据前必须监听信道，只有当信道空闲并满足一定条件时，才可接入信道，否则需要选择回退窗口进行回退，直到检测到信道空闲。当LTE-U和WiFi共同使用非授权频段时，由于LTE-U的MAC层机制并不考虑碰撞问题，故LTE-U将一直占据信道，而WiFi将长时间处于信道监听回退状态，通信质量受到严重影响。

除此之外，LTE-U和WiFi的物理层结构也有所不同，LTE-U的物理层采用了正交频分复用多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)技术，系统带宽通常为1.4 MHz～20 MHz，带宽又划分为一系列的物理资源块(physical resource blocks，PRBs),每一个物理资源块含有12个OFDMA子载波。通过将不同的物理资源块在同一帧中分配给不同的用户，LTE-U系统可以获得用户分集增益。WiFi系统在物理层采用了正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术，但基于CSMA/CA机制，每个信道每次只允许一个用户进行传输，该用户传输时会全部占用20 MHz的信道，LTE-U和WiFi系统的PHY层资源配置情况[16]，如图3所示。

图3 LTE-U和WiFi系统PHY层资源配置情况Fig.3 Resource allocation of PHY in LTE-U and WiFi system

鉴于LTE-U和WiFi系统在MAC层和PHY层的不同，两者之间的资源分配必须高效和智能。

2.1.2 非授权频段和授权频段业务分流

LAA中的CA技术，使其可以利用非授权频段来承担部分从授权频段分流过来的业务，为了在分流业务的同时尽可能地保证WiFi用户的传输质量，LBT机制被广泛地应用于各种WiFi系统和LTE-U的共存方案之中，即LTE-U并不能“随心所欲”地接入非授权频段，而是必须根据检测结果决定是否接入非授权频段。因此，LTE-U在非授权频段上的传输性能非但不会一直维持某一个水平，反而会随着时间而变化。而现实中，LTE-U的业务分流受多种因素制约，一方面如果LTE-U将更多的业务分流到非授权频段上，可以大幅提高频谱利用率和数据传输速率；另一方面，由于LTE-U在非授权频段上传输性能不稳定，QoS难以保证。因此，非授权频段和授权频段业务的合理分配以及在数据传输过程中，如何进行业务分流等问题亟需解决。

2.1.3 多运营商之间共享非授权频段

由于非授权频段的开放性，未来必将会出现多个运营商共享非授权频段的情况。届时，除了考虑多运营商之间非授权频段资源合理分配以确保不同运营商的用户接入机会公平以外，干扰管理方面的问题也不容忽视。

1)RAT间干扰管理。为了减小LTE-U和WiFi系统之间的干扰，实现和谐共存，必须设计出一种可以高效管理RAT之间的干扰机制。传统的干扰管理思想一般从资源分配的角度出发，通过对时间、频率、空间、码型进行分配，从而达到RAT之间的干扰可控，如现有的LBT方案，通过对时间资源进行分配从而实现LTE-U和WiFi的共存和干扰管理，除此之外，从频段角度出发的DFS机制也可用于LTE-U和WiFi之间的共存。

2)RAT内部干扰管理。为了使多个运营商之间协调，网络之间必须实现信息高效共享功能，快速的信息共享有利于消除RAT内部干扰，并且也可以确保RAT内部的接入公平。如果无法实现网络之间的高度信息共享，则可借助LBT联合互相关检测(cross correlation detection，CDD)来消除干扰[17]。

3 LTE-U和WiFi共存方案对比

近年来，为满足移动通信急剧增长的数据量需求，LTE-U和WiFi的共存机制成为了当前业界研究热点之一。目前文献有三种主流方案：基于占空比共存方案[18]、基于解码的技术共存方案[19]和基于空白帧共存方案[20]。

3.1 基于占空比(duty cycle，DC)共存案

为了尽量使用现有标准和技术，美国有线电视实验室(Cable Labs)在3GPP RAN#64次会议上提出了基于时分复用的动态占空比共存方案，该方案通过在时间上将LTE-U和WiFi进行“彼此隔离”，从而达到互不干扰的目的。具体方法为在每一个固定的Duty-cycle里，将时间依次分给LTE-U和WiFi用户传输，即当LTE-U用户传输时，WiFi用户不能传输，反之亦然。其中，LTE-U和WiFi用户占用信道的时间可根据WiFi网络的负载进行动态调整。

值得一提的是，表面上DC方案通过对时间资源的分配从而达到了LTE-U和WiFi系统的共存，但DC方案中并没有要求LTE-U用户在接入非授权频段前对信道状态进行判断，这就导致当LTE-U开始传输时，出现打断WiFi信号传输，引起误帧率上升以及WiFi数据传输速率下降等情况。因此，为了避免出现以上情况，DC方案一般建议与LBT机制结合进行，即在每一个LTE-U周期开始对信道进行评估检测，确认信道空闲后，再接入利用信道，如图4所示。

图4 结合LBT的DC共存方案Fig.4 Coexistence scheme of DC combined with LBT

由于DC方案需要LBT进行信道的CCA，考虑到在一些地区(如美国、中国和韩国)并未对非授权频段上是否使用LBT进行强制规定，高通在文献[21]中提出了一种基于DC方案的改进方案，即载波感知自适应传输(carrier sensing adaptive transmission，CSAT)方案。方案中，小蜂窝先对信道感知10 s～200 s，根据信道感知结果，按照一定比例中断LTE-U数据传输，并将余下传输时间分配给WiFi用户。

CSAT方案中，LTE-U基站通过周期性扫描非授权频段，寻找出最“干净”的信道，即干扰较小的信道，用于SDL载波传输，并且一旦找到更为“干净”的信道，则SDL的传输将会转移至该信道上进行。如果并不存在干净信道，LTE-U则通过CSAT算法和WiFi用户共享信道。如果此时用户或小区的业务量较低，用户可关闭其SCC。由于LTE-U用户的重要信息都在PCC上传输，故关闭SCC不会中断用户与基站之间的通信，还可减少对其他信道的干扰，便于后续信道选择。

DC方案与CSAT方案都允许动态调整LTE-U和WiFi各自的传输时间，在灵活性和公平性方面都有不错的表现。两相比较，CSAT方案中采用动态调整SCC机制，有效减少对WiFi节点的干扰，也为后续的信道选择提供了有力的保障。

CSAT方案采用基于时分复用的方式，适应场景较为灵活，且在密集蜂窝部署下依旧有不错的表现，WiFi用户的平均吞吐量提升可达到46%[21]。综上所述，CSAT方案的主要优点：应用场景灵活、SCC可动态调节、不需修改现有协议、LTE-U和WiFi传输时间灵活可调。该方案的主要缺点：流程较为复杂、对载波感知准确性要求高、未进一步对LTE-U或WiFi的传输性能进行优化。下一步的改进方向：

1)优化信道选择时机。CSAT方案中,为了保证当前信道最为“干净”，用户一直在进行信道选择，并不断地向更为“干净”的信道进行转移，而实际操作中，并不需要时刻保证当前信道最为“干净”，只需要当用户找不到较为干净的信道时，进行信道选择即可。这样一来，虽不能保证用户时刻处于最为“干净”的信道，但极大降低了方案的复杂度，并将用户的传输性能控制在了一定的范围内。

2)优化LTE-U和WiFi的传输性能。在CSAT方案中，并未对整个网络的吞吐量进行优化。未来可研究既保证LTE-U和WiFi之间的公平性，又提高LTE-U和WiFi网络整体吞吐量的优化算法。

3.2 基于解码的技术共存方案

文献[19]中作者首先介绍了一种新的WiFi载波监听方案(carrier sensing under LTE interference，CSULI)，该方案在保留原有的CSMA/CA功能的同时，WiFi用户可以与LTE-U用户同时传输。文献[19]中指出，虽然LTE-U和WiFi的标准带宽都是20 MHz，但实际上它们真正使用的带宽分别是18 MHz和16.25 MHz，并在频段两端各预留出了0.875 MHz的边界带宽，如图5所示。

图5 LTE-U和WiFi带宽占用情况Fig.5 Bandwidth distribution of LTE-U and WiFi

通过借助LTE-U的边界带宽内参考信号，计算出LTE-U的边界带宽，并以此为切入点，依次进行循环和动态步长快速傅立叶变换(fast fourier transformation，FFT)得出LTE-U和WiFi信道参数，最终解决LTE-U和WiFi共存问题。解码技术共存方案通过修改传统WiFi的CSMA/CA机制，既保证了WiFi用户既和LTE-U用户共存，同时又不会出现多个WiFi用户在同一信道上同时传输的情况，有效的解决了LTE-U和WiFi公平共存问题。

该方案适应场景较为灵活，且在各种场景下对于LTE-U和WiFi的公平性要求都能很好的满足，通过修改WiFi的CSMA协议，使得LTE-U和WiFi可同时传输。同时，解码技术的使用，使得接收端可实现不同信号的完全分离。综上所述，基于解码方案的主要优点为应用场景灵活、信道估计高效、公平性高、不需LBT和载波监听、资源利用率高，该方案的主要缺点需修改WiFi协议、未进一步对LTE-U或WiFi的传输性能优化。下一步的改进方向如下。

1)修改LTE-U协议。由于WiFi已广泛普及，基于解码方案中提出的修改WiFi协议实现较为困难。目前，提案考虑修改LTE-U协议，将LTE-U视为特殊的WiFi用户并和WiFi用户一起进行信道竞争以此保证传输的公平性。

2)优化LTE-U或WiFi指标。基于解码方案很好地解决了LTE-U和WiFi之间的共存问题，但是对其他方面的性能，如QoS，却没有进行研究，未来可以考虑根据用户业务优先级或业务类型对LTE-U和WiFi系统性能做进一步提升。

3.3 基于空白帧的共存方案

基于空白帧的共存方案是受到LTE Release10中提出的将几乎空白帧(almost blank subframe，ABS)用于增强的小区间干扰协调(enhanced inter-cell interference coordination，EICIC)的启发，并在ABS的基础上进行改进，从而实现LTE-U和WiFi共存的方案。

文献[20]中提出，LTE-U会在其帧结构内设立空白子帧(blank subframe，BS)，这些BS将专门用于WiFi用户的数据传输，故不会受到LTE-U干扰，从而达到LTE-U和WiFi用户共存的目的，具体方式如图6所示。

子帧号共存时间01234567890msDSUUDDSUUD1msDSWUDDSUUD2msDSWWUUSUUD

图6 基于空白帧的共存方案

Fig.6 Coexistence scheme based on blank subframe

图6中，D代表下行子帧，S代表特殊子帧，U代表上行子帧，W代表共存帧，即WiFi占用的帧。该方案通过设置LTE-U帧内个别子帧为BS，从而实现WiFi用户独立无干扰的传输，在一定程度上解决了LTE-U和WiFi的共存问题。然而在实际上，LTE-U一个子帧长度为1毫秒，WiFi在使用BS时，先要进行载波监听来确保其他WiFi用户没有使用信道，如果此时恰好所有WiFi用户都处于回退状态，无疑会浪费掉这1 ms的BS。即使最终某一WiFi用户经过一段时间回退后终于接入信道，也可能出现此时预留的BS无法提供该WiFi用户所需的传输时间，导致WiFi用户数据信息缺失的现象。

该方案采用时分复用的共存方式，适用于吞吐量变化较慢的场景，LBT和空白帧的结合使WiFi用户的吞吐量提高10%～23%[20]。综上所述，基于空白帧方案的主要优点为：复杂度较低，易改进；主要缺点：适用场景较为单一、未对网络整体吞吐量进行考虑。下一步的改进方向：

1)信息共享。LTE-U和WiFi系统必须共享各自传输相关信息，通过传输信息共享，可以明确WiFi的传输状态，决定何时预留出BS。

2)动态BS调整。BS数量必须根据LTE-U和WiFi的传输情况进行动态调整，当WiFi业务量较更大时，应该增加BS配置，反之，则减少BS配置。

3)整体吞吐量控制。对BS个数的最大值进行限制，使得整体网络吞吐量不低于某一个特定数值。

以上3种方案，在解决LTE-U和WiFi共存问题方面各有千秋，其主要性能比较如表1所示。

表1 各方案主要性能比较

注： WiFi吞吐量提升的参考数值:不采用该共存方案时LTE-U和WiFi共存环境下的WiFi的吞吐量。

此外，在文献[22-23]还提到相关LTE-U和WiFi共存方案。文献[22]中提出了一种基于比例公平分配(proportional fair allocation scheme，PFAS)方案。该方案通过LTE-U基站对信道监控来推断出WiFi网络的情况，随后根据LTE-U和WiFi的吞吐量动态的调整LTE-U用户接入信道的概率和接入信道后的传输时间，最终达到LTE-U和WiFi的公平共存。文献[23]中提出的基于能量控制共存方案(uplink transmit power control，UTPR)，通过控制LTE-U用户的上行传输能量，从而有针对性的减少对WiFi用户的干扰，进而达到保护WiFi用户接入信道的机会实现LTE-U和WiFi公平共存的目的。

4 总结及展望

本文首先对介绍了LTE-U的相关背景知识、技术难点及设计要求，随后在此基础上，分析目前3种LTE-U和WiFi系统在非授权频段上共存方案，通过对各方案的特点进行比较，指出3种方案各自的优势和不足。从目前研究现状来看，LTE-U和WiFi之间的共存方案主要通过资源分配以及修改接入机制等方式展开。有关于LTE-U和WiFi的共存研究目前仍在密切的进行，在接下来的研究工作中，以下几方面值得重点关注和进一步探讨：

1)新型共存方案。理想的共存方案首先要保证共存的公平性，并具有可提升LTE-U和WiFi的性能和降低方案操作复杂度等特点。关于公平性，可从以下3种思路进行考虑，一是将LTE-U视为特殊的WiFi用户，采用和WiFi用户一样的CSMA竞争接入方式进行共存；二是利用WiFi用户相互碰撞后退的时间间隙来进行LTE-U传输，即LTE-U用户仅在当WiFi用户进行碰撞回退的空闲时间内传输数据，这样既可避免对WiFi用户产生干扰，达到公平共存的目的，又可尽最大可能降低方案复杂度；最后一种是对空白帧方案从文中所提及的几点进行优化，则可以避免修改协议，同时降低LTE-U和WiFi的相互干扰，提高网络整体性能。

2)信道感知。LTE-U和WiFi共存的公平性，很大程度上依赖于信道感知的可靠性。目前大多共存方案，都将LBT作为必不可少的组成部分，高效正确的信道感知可为LTE-U和WiFi之间信道分配提供有力的依据，并且可以最大程度的保证LTE-U和WiFi传输可靠性和公平性。目前，有关于信道感知的共存方案，有基于简单LBT共存方案[24]以及边听边发(listen and talk)共存方案[25]，前者在传输之前通过对信道进行感知，从而决定接入与否，后者则是在传输时对信道进行感知，以此来达到减少碰撞时间并提高WiFi网络的性能目的。

3)业务预测。由于WiFi传输的业务量呈动态变化，提前对WiFi业务进行预测，可降低由于WiFi传输业务量动态变化导致的频谱资源浪费的情况。例如在基于空白帧的共存方案中，空白帧数量应根据WiFi业务量的多少进行调整，提前对WiFi业务量进行预测，便于后续合理安排空白帧数目，提高频谱资源利用率。根据具体传输的场景，设计出相应的业务预测模型，依据预测结果和信道感知做出LTE-U或WiFi传输时机的判断，根据后续的实际检测对预测结果进行动态的修正。虽然一定程度上增加了方案的复杂程度，但可使得方案适用场景更为灵活并提高资源利用率，对LTE-U的WiFi共存的公平性也有更大的保证。

[1] HORSMANHEIMO S, MASKEY N, TUOMIMKI L. Interdependency Between Mobile and Electricity Distribution Networks: Outlook and Prospects[J]. Dissertations & Theses-Gradworks, 2014,3(9):1281-1286.

[2] BABAEI A, ANDREOLI F J, PANG Y, et al. On the Impact of LTE-U on Wi-Fi Performance[J]. International Journal of Wireless Information Networks, 2015,14(4):1621-1625.

[3] ALLEVEN M. Qualcomm CTO: LTE, Wi-Fi need to work side by side[J]. Fiercewirelesstech,2015,5(6):1721-1729.

[4] HAWKES A. Ericsson and Qualcomm demonstrate LTE-U[J]. Capacity Magazine, 2015,17(2):1223-1227.

[5] HAVISH K. LTE in Unlicensed Spectrum, RP-124001[R]. Vancouver, Canada: 3GPP, 2014.

[6] Technical Specification Group Radio Access Network(TSG-RAN).Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum, TR 36.889 [R]. Valencia,Spain:3GPP,2015.

[7] ALLEVEN M. Google, Broadcom, Boingo, others push FCC to scrutinize LTE-U[J]. Fiercewirelesstech, 2015, 5(9):1281-1286.

[8] 龚碧梦, 许九旭, 高月红,等. 基于非授权频段的LTE技术综述[J]. 计算机学报, 2015, 15(5):60-63. GONG Bimeng, XU Jiuxu, GAO Yuehong, et al. LTE Technology Based On Unlicensed Bands[J]. Journal of Computer, 2015, 15(5): 60-63.

[9] DINO Flore. Review of Regulatory Requirements for Unlicensed Spectrum, RP-140808 [R]. Altanta,USA.:3GPP,2014.

[10] CHOI S, MANGOLD S, Soomro A. Dynamic frequency selection scheme for IEEE 802.11 WLANs[J].International Journal of Wireless Information Networks ,2017, 7(6):1181-1186.

[11] DORE F. Use Cases & Scenarios for Licensed Assisted Access, RWS-140020 [R].Sophia Antipolis,France:3GPP,2013.

[12] 3GPP.3GPP & unlicensed spectrum,RW-140010[R].France:3GPP,2013

[13] ZHANG R, WANG M, CAI L X, et al. LTE-unlicensed: the future of spectrum aggregation for cellular networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2015,5(3):150-159.

[14] GUO Y. Method and apparatus for cooperation between user equipment (ue) and serving cell in a wireless communication system[J]. China New Telecommunications, 2015, 5(4):150-159.

[15] BABAEI A, ANDREOLI F J, PANG Y, et al. On the Impact of LTE-U on Wi-Fi Performance[J]. International Journal of Wireless Information Networks, 2015, 15(4):1621-1625.

[16] CAI F E, CHENG L, LIU H, et al. Performance evaluation of LTE and Wi-Fi coexistence in unlicensed bands[J]. Telecom Engineering Technics & Standardization, 2015, 14(2382):1-6.

[17] NIHTILA T, TYKHOMYROV V, ALANEN O, et al. System performance of LTE and IEEE 802.11 coexisting on a shared frequency band[J] Telecom Engineering Technics & Standardization, 2013, 14(2382):7-16.

[18] ELLIS L. LTE-U Steamrolls Into WiFi[J]. Multichannel News, 2015, 12(1332):122-127.

[19] YUN S, QIU L. Supporting WiFi and LTE co-existence[J]Computer Communications, 2015, 15(3):210-212.

[20] ALMEIDA E, CAVALCANTE A M, PAIVA R C D, et al. Enabling LTE/WiFi coexistence by LTE blank subframe allocation[J]. Computer Communications, 2013,13(4):312-314.

[21] GOLDSTEIN P. Qualcomm, NCTA continue to battle over FCC regulation of LTE-U, LAA[J]. Fiercewirelesstech, 2015, 15(2):452-454.

[22] CANO C, LEITH D J. Coexistence of WiFi and LTE in unlicensed bands: A proportional fair allocation scheme[J]. Telecommunication, 2015,15(1):340-342.

[23] CHAVES F S, ALMEIDA E P L, VIEIRA R D, et al. LTE UL Power Control for the Improvement of LTE/Wi-Fi Coexistence[J]. Telecommunication, 2013,13(1):340-344.

[24] CHEN C, RATASUK R, GHOSH A.Downlink Performance Analysis of LTE and WiFi Coexistence in Unlicensed Bands with a Simple Listen-Before-Talk Scheme[J]. Fiercewirelesstech, 2015, 15(3):123-125.

[25] LIAO Y, WANG T, BIAN K, et al. Decentralized dynamic spectrum access in full-duplex cognitive radio networks[J]. International Communications, 2015, 13(4):234-236.

(编辑：张诚)

Study on coexistence schemes of LTE-U and WiFi on unlicensed bands

LIU Sijia, HUANG Xiaoge, ZHU Fan, CHEN Qianbin

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

The fast growth of mobile data has brought new challenges on the limited spectrum resource. To address this issues, the LTE-U is adopted as one of the promising solutions by global operators. As being one of the key technologies in Fifth-generation(5G) network, LTE-U could provide a higher transmission rate, spectrum efficiency as well as seamless mobile user experience by taking advantage of the Carrier Aggregation(CA) technology. In particular, the most critical issue of LTE-U is in coexistence with WiFi systems, due to the differences in radio access technology between these two systems. In this paper, we introduce the background and the key technologies of LTE-U, including the operating mode of LTE-U, the CA technology and the requirements in the system design. Furthermore, we point out the primary challenges in the coexistence between LTE-U and WiFi systems, and summarize the proposed coexistence schemes in literature. Finally, we discuss the possible research areas in the future.

LTE-U; WiFi; carrier aggregation; coexistence scheme; unlicensed band

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.02.007

2016-01-12

2016-04-01 通讯作者：黄晓舸 huangxg@cqupt.edu.cn

国家自然科学基金(61401053)；863项目(2014AA01A701)；长江学者创新研究团队(IRT1299)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China(61401053)；The 863 project No.2014AA01A701；The Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299)

TN915.81

1673-825X(2017)02-0182-08