3GPPLAA-LTE物理层关键技术标准化研究

石俊峰　国网信息通信产业集团有限公司工程师

何清素　国网信息通信产业集团有限公司高级工程师

郭宝贤　国网信息通信产业集团有限公司高级工程师

赵娇娇　北京邮电大学硕士研究生

发展策略

3GPPLAA-LTE物理层关键技术标准化研究

石俊峰国网信息通信产业集团有限公司工程师

何清素国网信息通信产业集团有限公司高级工程师

郭宝贤国网信息通信产业集团有限公司高级工程师

赵娇娇北京邮电大学硕士研究生

随着移动数据业务和智能终端的快速增长，授权频谱资源的日益匮乏，LTE网络正面临着提高频谱利用率及用户体验等各方面的考验。考虑到非授权频段拥有丰富的频谱资源，如何实现将LTE部署在该频段以减轻现有网络的负担成为关注的热点。因此，3GPP标准化组织将LTE辅助授权接入（Licensed-assistedaccess，LAA）列为LTER13的重点研究项目。本文对LAA展开深入研究，并介绍其基本内容及物理层关键技术的标准化工作。

3GPP LAA-LTE物理层关键技术 标准化 LBT频率复用

1　引言

随着移动数据业务以及智能终端的爆炸式增长，LTE网络面临着提高频谱利用率，满足用户高传输速率、低时延的需求等各方面的考验。同时，授权频段频谱资源日益匮乏，容易造成室内和公共热点区域的网络拥堵，降低LTE网络的性能。与授权频段相比，非授权频段具有丰富的频谱资源，如5GHz频段拥有近500MHz的可用频谱，且在满足相关管制要求下，不需要授权就可以直接使用。面对无线通信业务增长和频谱资源有限性之间的矛盾，移动运营商和设备商纷纷将目光投向了非授权频段，探讨如何将LTE网络部署在该频段，以减轻现有网络的负担。

2014年9月，3GPP组织将LTE辅助授权接入（Licensed-assistedAccessUsingLTE，LAA-LTE）列为下一代LTE增强网络（R13）的重点研究项目，扩展LTE网络的工作频段，使其可以工作在非授权频段。本文首先介绍了LAA的基本内容，其次研究了LAA物理层关键技术的标准化工作，并对其关键技术进行了归纳与分析。

2　LAA系统

LAA的主要思想是采用载波聚合技术，聚合一个主小区（Pcell）和一个或者多个辅小区（Scell）。主小区工作在授权频段，主要用于发送重要信息，管理服务质量等；辅小区工作在非授权频段，机会主义地提高数据传输速率。辅小区可以配置为仅支持下行或者同时支持上下行，图1为仅支持下行的情况。

因非授权频段上存在着不同的运营商或者不同的通信系统，扩展LTE网络，使其工作在非授权频段上，不同的运营商或者不同的通信系统之间有效、公平共存问题，是LAA设计时需要考虑的问题。3GPP指出，LAA系统的设计应使得：LAA可以在任何地区的管理要求下运行，且提供足够的可配置性；与Wi-Fi有效、公平共存，具体是指在吞吐量和时延方面，LAA对Wi-Fi服务的影响应不超过工作在同一载波上的另一个Wi-Fi网络对此Wi-Fi服务的影响；不同运营商部署的LAA网络之间的有效、公平共存。

LAA需要具备的功能包括多个方面，涉及信道接入机制、资源管理等，具体如下：

（1）监听避让机制（ListenBeforeTalk）：监听避让机制，使无线局域网之间有效共享相同的频谱资源。设备进行数据发送前，先进行空闲信道评估（CCA），CCA利用能量检测来确定信道是否空闲。

（2）动态频率选择：动态频率选择旨在检测来自雷达系统的干扰，避免同雷达系统工作在同一信道；如果检测到雷达数据，则将传输迅速切换到其他信道。

（3）载波选择：非授权频段有大量可用的频谱资源，LAA可以选择低干扰的载波进行数据传输。

（4）传输功率控制：传输功率控制是某些地区的强制性要求，发送设备能够在最大标准发送功率的基础上降低3～6dB。

（5）具有最大传输时间限制的载波间歇传输：在非授权频段，信道可用性并不能时刻得到保证。而且在某些地区，如欧洲和日本，禁止非授权频段上的连续传输，并对传输脉冲的最大时间进行了限制。因此，具有最大传输时间限制的间歇传输是LAA的一个必需功能。

（6）RRM测量（包括小区识别）：包括小区识别的无线资源管理（RRM）测量，可使Scells进行移动，在非授权频段稳健运行。

（7）AGC设置。

（7）粗同步。

（8）至少对于解调的频率/时间精确估计。

（9）信道状态信息（CSI）测量，包括对信道本身以及干扰的测量。

图1　LAA示意图

3　LAA物理层标准化进展

LAA的标准化与其他3GPP标准化项目相同，分为研究项目（SI）和工作项目（WI）两个阶段。SI阶段主要的目标是研究LTE网络可以工作在非授权频段，且确保与Wi-Fi网络公平共存所需要的改进。WI阶段主要的目标是制定具体的技术规范，关注辅小区配置为仅支持下行的情况，主要有包含空闲信道评估的信道接入框架、具有最大传输时间的间歇传输、UE支持的载波选择、RRM测量和CSI测量等。此外，WI阶段还需要对基站和用户于5GHz频谱的核心需求进行规范。本文主要研究LAA物理层关键技术的标准化工作，包括信道接入机制、频谱复用、CSI测量和上报、隐藏节点和载波选择。

3.1信道接入机制

LBT（ListenBeforeTalk），即先听后说，是保证LTE技术引进未授权频段最重要的保证机制，也是LAA系统中许多其他设计的基础。因为非授权频段上信道的可用性并不能时刻得到保证，LBT要求在传输数据前先监听信道，进行空闲信道评估（CCA），在确保信道空闲的情况下再进行数据传输。3GPP对各种信道接入机制进行了评估，主要包括：

（1）无LBT

在世界上某些地区和国家，并不强制要求在非授权频段上实施LBT机制。

（2）无随机退避LBT

采用固定时长的帧，包括信道占用时间和空闲时间。在要进行数据传输之前进行CCA，如果信道空闲，则在随后的信道占用时间进行数据传输，否则在整个帧周期内都无法传输数据。发送方发送数据前确定信号是否空闲的时间长度是确定的。

无随机退避LBT存在的问题是固定帧周期使得信道传输效率变低。另外，如果允许频率复用，可能造成信道竞争方面的不公平。

（3）采用固定长度竞争窗口的随机退避LBT

采用不固定帧周期的帧结构，以负载变化为依据的模式。竞争窗口长度固定，采用的是扩展CCA （ExtendedCCA），在检测到信道空闲时，数据传输可以立即开始，否则就要进入竞争窗口，即固定数目的ECCA窗口。

进一步来说，为了保证和Wi-Fi的公平，引入了和Wi-Fi中相似的技术。在其中的特定时间插入一段延迟时间（DeferTime）。

（4）采用非固定长度竞争窗口的随机退避LBT

在检测到信道被占用或者到达最大传输时间之后，发送端进入竞争窗口。与采用固定长度竞争窗口不同的是，发送端可以改变竞争窗口的长度。

3GPP建议采用上述第4种LBT机制，即非固定长度竞争窗口的随机退避LBT，作为LAA下行包含PDSCH的信道接入机制的基础，具体流程参见图2。

图2　下行LAASCel Cat4 LBT流程图

3.2频率复用

LTE系统频率复用因子为1的特点，使得属于同一运营商的不同小区间可以使用同一频率进行数据传输，从而提高频谱效率。此外，考虑到LAA的间歇传输以及与Wi-Fi等设备的干扰共存，在非授权频段上尽可能以较短的时间完成数据传输是非常重要的。然而，由于非授权频段上信道的可用性不能时刻得到保证，LAA系统必须进行LBT操作，此机制会阻碍频率复用因子1的实施。

在3GPPRAN1-LAAAd-Hoc会议上，同意将实现考虑LBT机制情况下的同一运营商内部相邻小区间的频率复用作为LAA的一个设计目标。关于如何实现频率复用，各方提出了不同的方法，总结起来包括：在同步LAA运营商系统内，利用同步空闲信道评估（CCA）和正交保留信号（ReservationSignal）来实现相邻小区间的频率复用；在异步LAA运营商系统内，考虑采用基站间协作的方式实现相邻小区间的频率复用。

随着3GPP会议的召开，频率复用问题的各种实现方式仍在继续讨论中。在3GPPRAN1_80bis会议上，就LAA中频率复用的实现方式给出了4种选择：CCA门限值自适应；传输起始时刻对齐；从能量检测或改进能量检测中去除信号；以上3种方式的组合或其他方式。在3GPPRAN1_81会议上，提出在R13中不考虑从能量检测或改进能量检测中去除信号来实现频率复用的方法，而将传输起始时刻对齐作为LAA下行频率复用讨论的基准。本文主要介绍CCA门限值自适应和传输起始时刻对齐两种方法。

（1）CCA门限值自适应方法

CCA门限值自适应方法通过对LBT技术进行改进从而实现在LAA中的频率复用。在同一个运营商内部的LAA系统中，基站在进行CCA检测时可以有效地分辨出信道中的能量来源。如果是同一运营商相邻LAA基站在占用信道，则将CCA检测门限值提高一定值，这个定值由相邻基站的发射功率决定。如果是Wi-Fi或周围其他无线接入系统占用信道，则CCA检测的门限值保持不变。这样就可以保证同一运营商的不同LAA之间实现频率复用因子为1。

这种方法不要求精确的时频同步及基站间的协作，在具体实现中有一定的优势。但是，要求基站侧在进行CCA时可以识别出信道中能量的来源，需要对硬件设备进行相应的改进，开销较大。

（2）传输起始时刻对齐

3GPP组织在围绕LAA系统的帧结构设计，主要分成了以帧为基础的FrameBasedEquipment（FBE）和以负载为基础的LoadBasedEquipment（LBE）。其中，FBE保持了LTE中的固定时长固定结构的帧，LBE则是根据负载的多少来决定传输数据包的大小，打破了LTE原有的帧结构。此处仅针对FBE帧结构设计的传输起始时刻对齐进行分析。

在LBE帧结构设计情况下，初始CCA之后可能的ECCA及随机退避，再加上以负载为基础的设计，都让基站间的时频同步无法保证频率复用的实现，因此可以考虑基站协作。首先，需要统一基站间随机退避计数器的初始数值，以保证基站从相同的时刻以相同的模式开始进行CCA/ECCA。接下来，在CCA/ECCA进行的时候基站间需要交换相关的信息，其中包括当前退避计数器数值及期望CCA/ECCA结束的时间等，使得基站可以在同一时刻结束CCA/ECCA从而同时开始数据传输以实现频率复用。

利用传输起始时刻对齐的方法来实现同一运营商不同LAA小区间的频率复用，精确的时频同步必不可少。同时，如何保证在每一个CCA/ECCA时隙都精确的进行基站间的信息交互也是一个很大的挑战。

3.3CSI测量和上报

（1）CSI测量

非授权频段上Wi-Fi和LAA采用基于竞争的信道接入机制，使得UE附近间歇性数据脉冲和静寂期交替发生，因此UE的干扰环境可能会快速波动。由于LAA为间歇传输，UE应该在接收服务小区的DL传输的情况进行干扰测量。以LAA支持基于CSI-RS，CSI-IM的CSI测量（或者对TM9基于CSI-RS）为例，3GPP指出：

●NPZCSI-RS的传输可能需遵循LBT。

●含蓄或者明确地指示出NPZCSI-RS和CSI-IM在子帧中的出现。

●包含CSI-RS、CSI-IM的可能子帧：从UE角度，可周期性出现，或者非周期性出现，或者两者的结合。

NPZCSI-RS传输前要进行LBT，UECSI测量机会难以获得，而且获得好的盲检测非常困难，检测出现的错误率高，比如UE相信基站已经发送了，但是基站并没有发送。因此，需要含蓄或者明确地指示出NPZ CSI-RS和CSI-IM在子帧中的出现，可以考虑采用将特定RNTI扰码的DCI信息在多个UE的共同搜索空间里发送，告知信息应用的Scell和时间；或者当调度用户较少的时候，可以采用通过UE接收UL授权进行指示。

（2）CSI上报

对链路自适应和调度来说，周期性CSI上报很重要；同时，非周期性CSI上报有助于系统获得更为及时的信息。因此，对于CSI上报，3GPPLAA认同两种选择：

●支持LAAScell的周期性和非周期性CSI上报。

●仅支持LAAScell的非周期性CSI上报。

建议采用CA中现存的机制来进行非周期性CSI上报，包括额外的R13CA增强，可在授权频段的一个载波PUSCH或者一个LAAScell上报。

关于LAA是否需要支持周期性CSI上报，各方仍在讨论中。如果仅支持非周期性CSI上报的话，虽然可以获得更及时的信息，但在控制信令容量有限或者非授权频段PUSCH频繁不可用的情况下，周期性CSI上报更为有效。当然，周期性CSI上报在LBT机制下需要进行相应的修改，比如当测量信号不可得时，可以考虑上报缺省CSI索引。

3.4隐藏节点

相比Wi-Fi而言，隐藏节点问题对LAA的影响不显著，但是随着节点密度的增加，问题会变得突出。因此，考虑采取简单的机制避免隐藏节点有助于LAA系统整体性能的提升。解决隐藏节点问题，3GPP各方提案中主要存在3种思路，即使用LTE系统现存的机制、RTS-CTS及其增强机制、基于干扰者类型的解决方法。

使用LTE系统现存的机制，例如UE的上报，寻求服务小区的帮助和下行功率控制。当用户遇到隐藏节点时，向eNB上报。根据这个上报结果，eNB不再考虑调度该UE。eNB可以调度其他没有上报隐藏节点的用户。具体的过程：eNB配置一个阈值水平，用户向eNB上报隐藏节点的出现（干扰水平）。具体的上报细节可以考虑CSI：用户进行CSI/干扰测量，反馈给基站。当干扰值过高时基站会意识到隐藏节点的潜在存在。

在LAA系统中，可以直接采用Wi-Fi中的RTS/CTS机制，允许Wi-Fi和LAA节点解码相互的RTS/CTS信号，但是直接采用Wi-Fi中的机制会限制LTE为点对点链路，限制LTE网络中多用户物理资源的多路复用。此外，可以考虑引入新的LAA多路复用的RTS/CTS设计，允许多用户调度，具有低RTS/CTS时延。

基于干扰者类型的解决方法具体指：UE通过与相邻节点之间的信息交互，根据干扰者的类型采取相应的措施。若干扰者是同一运营商的不同节点，利用现有LTE机制，如HARQ、MCS、AMC处理干扰；若干扰者为其他类型节点，采用UE上报的方式，eNB接到上报结果后不调度该UE，减少隐藏节点的影响。

3.5载波选择

载波选择作为LAA应该具备的功能之一，对LAA系统与非授权频段其他系统有效共存、实现自身负载均衡均具有非常重要的意义。在非授权频段，LAA系统与其他系统共存，可使用的载波非固定且可用性不能时刻得到保障，需要动态地选择可用的载波；同时，载波选择可在当前载波变得超载或者有其他载波负载较少、信道质量较好的时候进行，允许UE被调度在不同的载波上，有助于LAA在所有的载波间进行负载平衡。具体而言，载波选择是指LAACells可以测量或者从UE侧获得可用载波上的测量报告，并且根据结果选择一个或者一组载波。

载波选择可以使LAA选择一个或者多个非授权频段载波进行数据传输，充分利用非授权频段的频谱资源。同时，LAA支持多载波操作，也带来了其他需要考虑的问题，包括多载波LBT如何设计、多载波间功率分配问题等，这些问题在LAAWI阶段也在不断地讨论中。

4　结束语

本文介绍了LAA相关背景，并给出了LAA的基本知识，包括主要思想、设计目标和应该具备的功能。在此基础上，进一步分析了LAA物理层关键技术的标准化工作，针对信道接入机制、频谱复用、CSI测量和上报、隐藏节点和载波选择5个关键技术进行了重点归纳和讨论。笔者后续将根据3GPP的协议进展和提案进程，对LAA物理层关键技术的标准化工作做进一步的研究。

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）