LTE-U与WiFi共存技术综述*

孙静怡，李艾静,2，张 磊，周 昆

（1.陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引言

随着科技的发展，信息社会的流量数据呈井喷式爆炸。2017年思科可视化网络指数（Visual Networking Index，VNI）预测报告[1]显示，2022年全球IP年流量将突破4.8 ZB，2017—2022年互联网流量将增加4.8倍，平均互联网流量将增加3.7倍。2017年智能手机占全部IP流量的17%，到2022年智能手机将占总流量的44%。

移动数据的需求爆炸式增长，使得现有的具有跨区切换和跨本地网自动漫游功能[2]的移动通信系统难以满足用户的需求。2020年，第五代移动通信系统5G技术在研究人员的努力下，将正式投入商用。《5G承载需求白皮书》提出，相比于4G网络，5G采用更宽的无线频谱和更大规模的多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）新技术，将峰值带宽和用户体验带宽提升数十倍[3]。5G的智能灵活、高效开放、网络架构变革，推动承载网架构相应演进，并具备网络切片、灵活组网和调度、协同管控以及高精度同步等功能[4]。

然而，授权频谱的短缺依旧是5G网络发展的主要障碍。大量频带资源分配给运营商，造成现有网络容量即将达到可用上限。频谱稀缺，使现代移动系统的部署面临着严峻挑战，而由于在同一频段可以使用的不同无线技术和标准，导致情况进一步恶化[5]。长期演进技术也被称为第三代合作伙伴计划的授权辅助接入技术，是非授权频谱中解决频谱短缺的一个重要研究方向。目前，应对爆炸性数据流量需求带来的挑战以及缓解目前授权频段资源紧张的现状主要有两种解决方案。一是提高授权频段的利用率。二是将LTE部署到非授权频段，通过非授权频段扩充蜂窝网络的容量，具有广阔的发展前景。

第一种方法对传输速率的提升及容量的提升有其上限，且代价昂贵，无法及时解决现有信息爆炸的情况。因此，现在主流的方案是采取第二种方法。目前，处于2.4 GHz的ISM频段（工业，科学和医学频段）和5 GHz U-NII频段（非授权国家信息基础）通常被统称为非授权频段（Unlicensed Band）。由于5 GHz的可利用带宽比2.4 GHz能够提供的更宽的带宽，且频段更干净，因此将LTE部署到5 GHz频段，通过非授权频段扩充蜂窝网络的容量越来越受到研究人员的关注。

本文第1节介绍LTE和WiFi共存技术的理论和发展经验，第2节介绍WiFi与LTE-U共存时的干扰，第3节对现有的共存技术进行分类，并详细分析国内外共存技术的优缺点，第4节和第5节指出下一步研究的方向。

1 LTE-U与WiFi基本介绍及共存挑战

LTE系统的关键实现技术是正交频分多址，具有连续传输的特点。为了更好地保证服务质量、传输频谱效率和各个小区之间的调度，LTE系统采用集中式MAC协议，能够动态调度资源，在下行链路上共享信道，为数据流量分配物理资源。

LTE-U是一种由LTE-U论坛进行规范的技术方案，由高通公司首先提出。它利用现有的载波聚合功能，以LTE的授权频段作为锚点，将多个（非连续的）信道聚合在一起作为组件载波，使得LTE直接访问非授权频段，以非授权的频带作为下行的辅助信道使用。随着技术的发展，LTE-U论坛逐渐形成3种主要的组网方式，如图1所示。补充下行方式组网和载波聚时分组网的相同之处在于都是以授权频段作为主载波，非授权频段作为辅助载波。不同点在于载波聚时分组网的辅助载波可以同时承接上下行数据传输，而补充下行组网非授权的频带仅可承担下行的辅助信道。单独组网方式主要在非授权频段使用，主要用于没有蜂窝通信网络覆盖的情况。文献[6]介绍了LTE物理层控制通道的发展。文献[7-8]从不同角度对LTE和LTE演进版（LTE-Advanced，LTE-A）的无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）进行了研究。

WLAN系统最主要的标准是IEEE 802.11系列标准，主要工作在5 GHz或2.4 GHz两个非授权频段。由于WiFi为大众熟知，通常用WiFi代指WLAN系统。WiFi的MAC协议不使用集中式控制器，而是基于带避碰机制的载波感知多址（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidan，CSMA/CA）进行随机信道接入。尽管两者的共存具有很多优点，但是实际推广和使用仍然存在很多难题。WiFi和LTE工作机制的比较，如表1所示。

图1 LTE-U组网方式

表1 WiFi和LTE工作机制比较

两者共存的主要挑战是两者使用相同的频段，WiFi的性能将受到重大影响，而LTE的性能几乎不变。LTE和WiFi在MAC层的机制不同，LTE起初的设计思路是对占用的频谱拥有独占控制，而WiFi技术是基于通道感知和随机后退机制的原理。所以，当两者共存时，WiFi用户很难感知到空闲的信道并进行传输。

除了关键技术之间的性能差异以外，WiFi广泛用于企业和用户的卸载、运营商的热点接入。随着WiFi越来越受欢迎，这种技术的使用也在不断扩大。由于非授权频段的LTE主要通过低功率的无线接入小单元（Small Cell，SC）拓扑结构进行接入，且通常部署在室内位置，运营商可能面临在LTE和WiFi之间进行选择的复杂决策[9]。

此外，不同运营商、不同国家之间的政策不同。例如，以日本、欧洲为代表的国家和地区使用先听后讲技术[10]，而韩国、印度、美国等对LBT进行限制的国家及地区则使用基于第三代伙伴合作计划（The 3rd Generation Partner Project，3GPP）标 准Rel 10/11/12的LTE-U技术。

2 WiFi与LTE-U共存时的干扰

多个文献研究了在非授权频段中运行但没有采取合适措施时，LTE-U对WiFi网络性能的严重破坏。为了实现共存，实际研究时要将重点放在如何在相同频谱上对不同共存软件无线电进行操作。针对这个问题，列举了LTE与WiFi共存的主要衡量的关键参数。

2.1 用户吞吐量

用户吞吐量是最常用的指标之一，是指在整个仿真时间内每个LTE/WiFi节点正确接收的数据包数量。当WiFi和LTE-U在单信道共存时，文献[11]表明，WiFi的吞吐量相较LTE的吞吐量明显受到了更大影响。由于LTE的独占性，在与WiFi共存时，与独立运行相比，吞吐量损失了20%～97%，而LTE-U只降低了1%～10%。

2.2 系统能量效率

系统能量效率被定义为系统总吞吐量除以总功率。随着通信技术的发展，解决蜂窝网络能量损耗的需求日益迫切。对于来自不同无线电的干扰管理，系统能量效率作为非授权频谱中保持公平共存的一个关键指标，不以系统的吞吐量为目标，在保证其他用户最低速率需求的前提下，提高目标用户的能量效率。文献[12-13]通过评估各种神经参数的影响，提出了一种分布式算法来自适应地更改LAA的能量效率。

2.3 信号干扰加噪声比

信号干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）是仿真过程中收集到的所有接收数据包的平均信噪比。LTE和WiFi共存将导致两者的SINR均降低，而LTE传输和WiFi的SINR在共存时降低幅度比LTE还要大。在稀疏部署场景中，WiFi的平均SINR降低范围介于19%～23%，而在密集部署场景中介于17%～29%。

2.4 WiFi听讯模式

WiFi听讯模式衡量WiFi传送/接收质量是有意义的。目前，有3种共存条件下的优化方案，即LTE向WiFi系统的业务卸载、资源共享和混合模式。通过当前听讯模式情况，可以判别WiFi用户和LTE用户业务的使用繁忙程度。

3 共存技术分类

现有的共存技术分为信道分离技术和信道共享技术两大类。信道分离技术是指WiFi业务相对空闲，非授权频段资源丰富，基站可以选择空闲的信道进行传输。信道共享技术是指在WiFi业务繁忙时，LTE-U用户和WiFi用户需要共享信道，非授权信道需要重复使用。根据方法的不同，它具体又可以分为10余类，具体见表2。

表2 共存技术分类

3.1 信道分离技术

随机选择性接入是系统安排相对固定的信道，用来随机选择进行传输。文献[14-15]表明，多个用户可随机选择系统提供未被其他设备占用的非授权频段的信道进行使用。然而，由于非授权频段的开放性，长时间提供固定的“干净”信道会对WiFi用户造成较大的干扰。

设置接入点协调控制是通过集中式调度，动态根据需求对LTE-U用户和WiFi用户的需求进行集中式任务分配。文献[16]提出了一种中心控制的协作共存机制，通过在LTE-U与WiFi之间建立超级接入点，实现二者协调共存。

基于全双工模式，文献[17]解决了WiFi模式/速率的适应和LTE-U信号的检测问题。通过引入基于FD的滑动窗口相关器检测LTE-U信号，并分析了在自干扰抑制下的检测器性能，引入了基于POMDP的部分可观察马尔可夫决策过程的方案。根据LTE-U干扰的WiFi情况，联合调整WiFi FD模式和传输速率。结果表明，联合速率和模式自适应比在低信噪比时平均提供约1.5倍，在最佳HD理论吞吐量时提供高信噪比吞吐量增益1.9倍。

3.2 信道共享技术

信道共享技术可分为时域共存和频域共存，其中时域共存中比较常见的方式是占空比技术和LBT技术，频域共存中常见的是动态频率选择（Dynamic Frequency Selection，DFS）技术。

3.2.1 占空比技术

典型的非协作访问是占空比技术。通过定义一个特定的时分复用模式，在LTE-U系统传输时（LTE ON）WiFi不能传输，WiFi系统传输时（LTE OFF），LTE-U不能传输，两者从时域上互不影响，占空比及开关周期会影响LTE-U系统的性能。

文献[18-25]表明，占空比技术通常被认为比LBT更具有侵略性也不公平，因为它不遵守与WiFi相同的规则。但是，LBT的引入需要修改MAC协议，可能会剥夺LTE的优势。常见的占空比方式有载波感知自适应传输（Carrier Sense Adaptive Transmission，CSAT）技术、几乎空白子帧（Almost-Blank Subframes，ABS）技术、静默LTE子帧[20-21]和借助LtFi平台等方式。

文献[18]根据基站或用户需求提供LTE与WiFi的最佳占空比方案。文献[19]采用随机几何方法对多路无线电接入异构网络中WiFi和LTE-U的共存性能进行建模和分析，推导出WiFi的保留概率及其一般路径损耗指数的上界，以及WiFi和LTE-U的密度对WiFi性能的影响。当WiFi和LTE-U节点密度分别趋于无穷大时，空间吞吐量渐近；当WiFi的密度趋于无穷大，WiFi和LTE-U的空间吞吐量收敛于两个不同的常数。而LTE-U密度的递增会导致WiFi网络的空间吞吐量递减。

文献[22]提出使用了一种能够完全兼容LTE-U和WiFi硬件的LtFi系统，即在LTE-U BSs的空中接口上使用侧信道，通过广播到相邻的WiFi节点来连接和识别信息，在后续步骤中使用该节点在网络回程上创建双向控制通道。这是一种能够在位于同一位置的LTE-U和WiFi网络的节点之间建立交叉技术通信。在拥挤的无线环境中，LTE-U的接收功率水平也能达到-92 dBm，数据传输也很可靠。

频谱的低效利用导致信道中的空闲被称为白空间。WiFi的白空间为LTE-U提供了相当大的频谱机会且无成本。通过机器学习能够让基站动态预测白空间的持续时间，并相应地调度传输。文献[24-25]表明，ABS的目的是防止信道中被不同无线电资源接入时，如每5个子帧中有n帧需要关闭LTELAA，WiFi用户使用信道资源来替换LTE-LAA节点。

当有很多用户试图访问网络时，WiFi用户可能会花很多时间在后退上。如果LTE能够利用这些静默时间，WiFi性能有可能能够得到提高[29]。由此设想提出了ABS子帧技术。ABS子帧是LTE的子帧，具有较低传输功率，目的是增强小区干扰协调。使用ABS技术期间，由WiFi的节点检测到LTE信道的空闲从而接入信道，是一种类似占空比的共存方式。文献[23]总结了ABS辅助下的共存机制的实例，表明利用改进的ABS技术可以控制非授权频谱中的LAA，同时对上行和/或下行子帧进行消声处理，不包含LTE通用参考信号。结果表明，WiFi能够重用LTE所放弃的空子帧，吞吐量随空子帧数的增加而增加。文献[25]提出了一种基于Q学习的方法，提供了一种平衡LTE-U利用率和WiFi延迟的方法，使LTE-U的基站能够动态识别和进一步利用WiFi信道中的空白，而无需详细了解WiFi信道中的空白。通过自适应地调整LTE-U的占空比，使LTE-U传输的空闲资源得到最大化利用，同时降低了对WiFi流量的延迟。

文献[30]表明LTE-U在空通道上运行时，其最大允许占空比为95%，但是如果这样做会严重影响WiFi共享信道，因为信标发送/接收将被打乱。而如果LTE-U缩减80%（即20 ms打开/5 ms关闭）时，无线网络的空信道信标丢失能够降低到可接受的水平。

高通[31]建议占空比技术的使用周期为40 ms、80 ms或160 ms，占空比比例限制为50%。这个技术通过主动观察无线信道估计其利用率，从而进行动态信道选择和自适应占空比循环。原则上，占用最少的信道是首选。该机制被称为载波感知自适应传输，用于调整占空比，实现与相邻WiFi和LTE节点公平共享无线资源，如图2所示。

图2 CSAT机制下自适应的调节开关周期和占空比

基于占空比方法[31-32]在未经授权的频段上使用几乎空白的子帧周期性地打开和关闭LTE信号。在这种情况下，WiFi用户只能在LTE信号关闭的情况下接入非授权频段。因此，LTE-U系统在非授权频段的使用上占主导地位。

3.2.2 LBT技术

典型的协作访问是LBT技术，即LTE设备在数据传输前应当定期侦听信道中其他占用者的存在。若信道被占用，将退避一段时间再进行传输[33]。侦听过程也称空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA），LBT使用与WiFi系统相近的碰撞检测机制，更易保证WiFi用户的性能，适用于WiFi AP密度较低的区域。如图3所示，在LBT机制下，WiFi与LTE-U共存的场景中，LTE-U用户通过与WiFi用户竞争获得传输时间。

欧洲电信标准委员会为LBT方案提供了两个选项：基于框架的设备（Frame Based Equipment，FBE）和基于负载的设备（Load Based Equipment，LBE）。FBE采用的是固定的帧结构，配合LTE的帧结构，在固定的位置进行侦听；FBE模式通道访问简单，适用于非拥挤的情况。LBE模式可以自行调整传输时间和接入信道。在LBE模式下，随机退避机制与无线的CSMA/CA由无线接入小单元执行，以获得信道访问，有望解决解决访问公平性问题，缺点是在与LTE配合时无法确定帧开始的时间，应用时相对复杂。实际使用中，授权接入（Licensed Assisted Access，LAA）技术采用了LBE模式，并已被证明在实际部署中提供了更好的共存结果[34]。

图3 LBT机制下WiFi与LTE-U共存场景

文献[26]使用基于LBT的（E-FBE）增强型的帧结构，类似于WiFi的竞争回退接入方式，从而避免了使用者之间的冲突[35]。但是，该方案将导致延迟，频谱利用率将有所下降。文献[27]构建了一个马尔可夫链模型来精确模拟LAA的LBT机制。提出的模型也适用于Multefire，并通过数值分析和仿真分析证明了模型验证。通过提出的模型对标准化LAA的性能进行评价，结果表明，与WiFi LBT相比，LAA具有更高的传输效率。此外，综合分析了同质和异构的共存性，研究了网络工作方案。结果表明，随着信道运行节点数的增加，LAA在WiFi上实现了更高的吞吐量。文献[28]提出了基于LBT的LTE-U系统自适应信道接入，讨论了小基站与一个WiFi AP共享非授权频段时的优化问题以及与多个WiFi AP共享非授权频段时的优化问题，将优化问题转化为使WiFi用户的碰撞概率最小的问题来求最优解。

文献[36]详细介绍了FBE和LBE方案，其中DCF中的指数回退方法已被静态回退或均匀分布回退方案所取代。但是，文献[37]由于缺乏自适应能力，小基站（Small Base Station，SBS）和WiFi APs都不能实现最佳、公平的共存。通过动态频率选择（Dynamic Frequency Selection，DFS）机制可以实现频域共存。通过同时检测不同信道的状态，让LTE-U选择一个最空闲的信道进行占用并传输数据[38]。DFS适用场景主要是低密度的情况。其他辅助共存方式包括分布式协调函数（Distributed Coordination Function，DCF）符合LBT规则，可以实现WiFi与LTE的公平共存[18]。采用二进制指数回退实现是一种辅助共存策略[23]，但本质上不能解决LTE-U与WiFi在非授权频段的共存问题，只能作为辅助共存策略[32]。

小基站和小单元用户（Small Cell Users，SUS）在使用前会检测到非授权的频段。目前，大部分的共存方案都将LBT技术作为不可缺少的方式。高效正确的信道感知为LTE-U和WiFi的共存提供了有效的依据，从而保证了资源分配的高效性和可靠性。

目前发展的其他技术包括LAA/Multefire，都是基于非授权频谱的基于LTE的无线接入技术。它们最大的不同是，LAA需要以授权频段的载波作为锚点，而Multefire不需要，可以独立组网。文献[39-40]利用Q-learning学习算法，联合自适应占空比和动态通道切换机制，自动选择合适的静默周期和信道组合。基于博弈论的LTE/WiFi协作[38,41]进一步要求标准和基础设施支持（如集中代理）。不同于传统拍卖模型，价格密封拍卖指定最高（或最低）投标人提交投标将赢得拍卖，拍卖项目将出售价格由第二个最高（或最低）收购。

4 下一步研究的方向

现有的共存机制大部分是针对中心式场景，同时针对单个运营商讨论较多，在共存场景中是不实际的。带宽和无线链路质量的频繁和不可预测的变化，使收集有关网络的更新信息变得更加困难状态。

4.1 通过SDN动态执行LTE与WiFi协调的任务

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）被应用于无线网络[42]。文献[43]介绍了多种方法使用SDN范式管理无线电接入网。控制平面和数据平面的分离是SDN体系结构的显著特点[44]。控制平面在逻辑上集中在使用标准化协议的控制器中。而在无线网络环境中，SDN范式也可以用于控制和配

置无线电参数，以便管理干扰、优化接入或提高能效。通过在需要相邻小区之间收集LTE和WiFi的状态网络，利用SDN动态执行这种协调的任务，从而交接管理和传输功率分配，实现LTE-U与WiFi的共存。

4.2 通过学习算法制定最优时隙和子载波分配方案

WiFi网络的负载状况通常具有规律性，可以通过在较大的时间跨度内学习WiFi的负载变化规律，从而充分利用WiFi网络空余的非授权频段资源提高总体性能并兼顾公平性。通过考虑基于强化学习算法减少与WiFi共存带来的干扰进行空闲时间的选择，制定最优时隙和子载波的分配方案。

4.3 基于CSAT技术共存的调整占空比方案

相对于非协作共存的方式，协作式共存能更有效地实现WiFi和LTE在未授权频段的友好共存。当前提出的集中管理频谱资源并基于占空比ON/OFF的方式分配给WiFi和LTE使用，是一种很好的协作式共存方式。为了避免LTE-U技术对现有WiFi系统和其他小基站的持续干扰，采取基于CSAT技术共存的调整占空比方案，保证在免许可频段上的正交资源共享，且占空比可以按比例进行切换。

5 结语

随着5G的发展，下一步可以考虑更多约束条件和系统环境。对于LTE-U和WiFi共存问题，针对多个运营商，分布式共存场景将是重点研究方向。研究表明，机器学习算法不仅适用于分布式场景，也能够在中心式场景中发挥有效作用。借助机器学习和博弈论等计算方法研究联合资源优化分配、非授权频段的干扰管理、路由选择、用户公平性分配等问题，同时结合神经元网络和机器学习进行研究，使得小基站不仅可以通过与环境交互自适应地学习。同时，利用神经网络强大的学习能力连续映射，使小基站具备良好的记忆能力，是未来主要的研究方法之一。