关于扩展移动容量的研究和发展介绍

当移动运营商寻求额外频谱来处理高速增长的数据流量时，未授权的 5 GHz 频段提供了额外的频谱，几乎不花任何成本就能提高系统容量。分享频谱的标准制定正在有条不紊地进行中，在业内被称为 LTE-U 和 LAA。本文探究 LTE-U 和 LAA 的基本原理、确保共存和公平分享的途径以及实施挑战。

得益于以语音为中心的移动电话到智能手机和平板电脑的持续转型，LTE网络的加速发展，移动宽带数据流量在过去五年里呈指数级增长。全球移动数据流量仅在 2014 年就上涨 69%，并且从 2013 年的 1.5 艾字节/月增至 2.5 艾字节/月。预计 2015 年还要再上涨 59%，达到 4.2 艾字节/月。视频数据流是主要的流量类型，且在 2014 年所有移动数据流量中所占比例超过 55%。这样持续的增长给全球的移动网络运营商带来相当大的挑战。

服务供应商必须有效利用可使用的频谱来提供绝佳的用户体验，同时在平均的基础上给每位订阅用户提供高数据传输率。

LTE 是可选技术；但是，频谱不是无限资源。在近些年，服务供应商已在全球范围内投资数十亿美元以增加他们持有的频谱，并进而扩展系统容量。然而，当地监管部门只能向服务供应商竞卖有限数量的可用频率，导致激烈的竞争和在极端情况下为获取额外许可证而进行的竞标战。

由于频率的短缺，服务供应商需要转向其他替代方案。一个非常有应用前景的替代方案是利用未授权频谱，如工业、科学和医疗（ISM）频段，尤其是未充分利用的 5 GHz 频段。伺机使用该频谱，同时在该频段中部署 LTE 载波，可使网络运营商增加系统容量且几乎不花任何成本就能添加额外频谱资源。该替代方案在整个行业内被称为未授权频谱 LTE（或称 LTE-U）。这种方法的发展势头大好，尤其是在美国。

相应地，3GPP标准化组织增加支持LTE-U的功能，来应对增强技术带来的挑战。该功能标准正在制定中，称为授权频谱辅助接入（LAA）。R13中将添加该功能，该版本定于 2016 年 3 月最终确定。当然，天下没有免费的午餐，凡事皆有代价。LTE-U/LAA 成功的重要前提是 LTE-U 运营商之间的频谱资源能够共存和公平分享，并且，更重要的是能够和现有技术共存，例如 Wi-Fi。

5 GHz 频谱监管
5 GHz 频谱在全球采用相似方法监管，但是不同地区有不同的规则。国际电信联盟（ITU）在地区的基础上来执行全球性频率监管。主要确定了三个地区，ITU 区域 1 主要是欧洲；ITU区域 2 是美洲，包括例如美国、加拿大和巴西；ITU 区域 3 是亚洲，有中国、日本和韩国。

属于这些地区的国家通常坚持该区域的整体理念；然而，可能存在其他地方性的规章制度，适用于频谱的某些部分。由于地方一级运营商对 LTE-U 及 LAA 怀有强烈兴趣，本文探讨了美国 5 GHz 频谱的监管情况。

图 1 5 GHz 频谱分配。

图 1 所示为美国的频谱分配。在 5150-5925 MHz 之间的频谱被分成 4 个频域，命名为 UNII-1、UNII-2、UNII-3 和 UNII-4，UNII 表示未授权国家信息基础设施。在这四个频域应用不同的监管规则，例如，允许的传导输出功率的最大值、功率谱密度（PSD）峰值以及带外辐射（OoB）。表 1 所示为美国监管机构联邦通信委员会（FCC）设定的要求。

由表 1 可总结出，UNII-2 设备需要支持传输功率控制（TPC）以及动态频率选择（DFS）；（参见图 1）。相反，UNII和 UNII-3不需要额外的机制来保证与其它系统的共存，因而使得频谱的下端和上端部分成为 LTE-U 和 LAA 将会使用的第一目标频率。因此，3GPP 定义了两个新的频段，即频段 252 和频段 255，分别对应于 UNII-1 和 UNII-3。请注意，对这两个频段的信道栅格定义遵循 Wi-Fi 的信道分配，以避免带内干扰。

3GPP 用该频段定义来感谢“LTE-U 论坛”行业联盟内已取得的初步成果，LTE-U 论坛 的成立是为加速 LTE-U 的商用。LTE-U 论坛 的创始成员有威瑞森无线通信公司（Verizon Wireless）、高通（Qualcomm）、爱立信（Ericsson）、阿尔卡特-朗讯（Alcatel-Lucent）和三星（Samsung）。无线行业的这些关键角色已经在共存方面达成一致，同意和其他 LTE-U 运营商以及 Wi-Fi 等技术公平分享频谱资源。而且，他们还达成一套规范，以明确支持 LTE-U 的手机和基站的最低要求。

例如，eNB（LTE 基站）的最低要求依据 3GPP 技术规范（TS）36.104。该文件选取 TS 36.104 中针对邻信道功率泄露比（ACLR）或频谱发射模板（SEM）等射频测量值所规定的限值和容差，并根据监管方面的规章，对这些值作了调整以适用于支持 LTE-U 的基站。图 2 所示为调整后的频谱发射模板（SEM）测量值，适用于在频段 255（UNII-3）上运行的支持 LTE-U 的基站。该测量值符合 LTE-U eNB 最低要求规范2。

为了区分 LTE-U 论坛 和 3GPP标准组织 所做的工作，规定 LTE-U 只能将频段 252 和 255 用作补充下行链路。LAA 工作组规定通讯链路的固定载波或主载波（PCC）应驻留在授权频段中，但是不排除在后期上行链路载波聚合时使用 5 GHz 频谱。目前，3GPP 也在考虑将 5 GHz 频段中的辅载波仅当作传输资源3。

图 2 依据 LTE-U eNB 最低要求规范、使用 R&SFSW 信号以及频谱分析仪的频谱发射模板（SEM）测量值。

确保共存
LTE-U Forum 成员已经达成一个两步走的方案，以确保与其他技术及 LTE-U 运营商的共存，并和现有技术公平分享频谱资源。首先，基于初始启动阶段的智能信道选择，之后继续进行动态调整。换句话说，支持 LTE-U 的基站（类似于 Wi-Fi 接入点）定期监测频段并基于信道质量测量值和输入参数（如流量负载）选择信道。“信道惩罚”功能已经提出，此功能包含多个输入参数和可变加权系数。对每个潜在信道的惩罚依据测量值和加权系数来确定。选出最低惩罚的信道，并在该频段上传输 20 MHz LTE 的载波。通过预定的载波聚合信令方式，将准确的载频告知支持 LTE-U 的终端，这样终端就能接入该载波。

目前，预计可实现最多三个载波的聚合。一个是在授权频段，该频段可拥有任何频宽，取决于各运营商的频谱。在未授权频段，最多拥有两个 20 MHz 的载波。由于在 Wi-Fi 信道定义中最低带宽为 20 MHz，因此这些载波的带宽必须是 20 MHz。总聚合传输带宽最高为 60 MHz（包括对每个载波的 2×2 MIMO技术），最高峰值数据传输速率可达 450 Mbps。

在初始信道选择之后，支持 LTE-U 的基站必须使用载波侦听自适应传输（CSAT），以确保和其他使用频谱资源和 Wi-Fi 的 LTE-U 运营商公平分享。CSAT 的基本原理是确定一个时长为几毫秒的周期，该周期分为“开启”阶段和“关闭”阶段。周期长度及相应的开启和关闭阶段的时长可基于流量情况动态调整（参见图 3）。如果所选信道负载较重（许多 Wi-Fi 接入点和其它 LTE-U 基站活跃），则 CSAT 周期可能长达 150 ms，而开启阶段很短，比如可能只有 20 ms。如果信道未被过多占用，短一些的 CSAT 周期可能更合适，开启阶段更长，因而关闭阶段更短。请注意：图 3 所示为 LTE-U Forum 成员在 2015 年 5 月的研讨会上提出的建议值。

图 3 LTE-U 基站使用 CSAT,以确保和其他 LTE-U 运营商及Wi-Fi技术公平分享频谱。

在 CSAT 周期的开启阶段，几个子帧被定期屏蔽且配置为几乎空白子帧（ABS）。具体数量依据开启阶段时长和流量负载而定。屏蔽子帧旨在确保在 Wi-Fi 上运行的延迟敏感型应用仍能在 LTE-U 运行时起作用，例如 Wi-fi 语音（VoWi-Fi）。

除了通过测量传输功率、SEM 和 ACLR 来检测支持 LTE-U 的基站的射频指标是否符合标准外，检测手机性能和共存性也很重要。为了展示 LTE-U性能，在 2015 全球移动通讯大会上确定了一个方案，该方案用于仿真和聚合三个 LTE 载波（各为 20 MHz 的宽宽和 2×2 MIMO）。其中两个载波驻留在授权频段，另一个载波则驻留在 5 GHz频段 的 UNII-3域。 
  
聚合这三个载波即可获得450 Mbps 的最大数据传输速率。该演示涉及一个最大吞吐量测试，以验证所测试的设备能够处理这么高的数据传输率4。保证共存，还需验证该设备是否能够支持 CSAT。

3GPP 致力于使 LTE-U 的“LAA”功能标准化。标准化进程的一部分涉及整合LBT功能，因为在欧洲和日本使用 5 GHz 频谱需要该功能。欲利用频谱的设备必须先侦听信道，再开始传输。现在，标准化的 LBT 功能仅基于能量检测。

LTE-U 是当下无线行业的热门话题。该功能为想用额外频谱来增加系统容量的网络运营商提供了一个具有吸引力的替代方案。运营商之间以及同现有技术（例如 Wi-Fi）公平分享资源是 LTE-U 成功的关键。