當(dāng)移動(dòng)運(yùn)營商尋求額外頻譜來處理高速增長的數(shù)據(jù)流量時(shí)，未授權(quán)的 5 GHz 頻段提供了額外的頻譜，幾乎不花任何成本就能提高系統(tǒng)容量。分享頻譜的標(biāo)準(zhǔn)制定正在有條不紊地進(jìn)行中，在業(yè)內(nèi)被稱為 LTE-U 和 LAA。本文探究 LTE-U 和 LAA 的基本原理、確保共存和公平分享的途徑以及實(shí)施挑戰(zhàn)。

得益于以語音為中心的移動(dòng)電話到智能手機(jī)和平板電腦的持續(xù)轉(zhuǎn)型，LTE網(wǎng)絡(luò)的加速發(fā)展，移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)流量在過去五年里呈指數(shù)級(jí)增長。全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量僅在 2014 年就上漲 69%，并且從 2013 年的 1.5 艾字節(jié)/月增至 2.5 艾字節(jié)/月。預(yù)計(jì) 2015 年還要再上漲 59%，達(dá)到 4.2 艾字節(jié)/月。視頻數(shù)據(jù)流是主要的流量類型，且在 2014 年所有移動(dòng)數(shù)據(jù)流量中所占比例超過 55%。這樣持續(xù)的增長給全球的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

服務(wù)供應(yīng)商必須有效利用可使用的頻譜來提供絕佳的用戶體驗(yàn)，同時(shí)在平均的基礎(chǔ)上給每位訂閱用戶提供高數(shù)據(jù)傳輸率。

LTE 是可選技術(shù)；但是，頻譜不是無限資源。在近些年，服務(wù)供應(yīng)商已在全球范圍內(nèi)投資數(shù)十億美元以增加他們持有的頻譜，并進(jìn)而擴(kuò)展系統(tǒng)容量。然而，當(dāng)?shù)乇O(jiān)管部門只能向服務(wù)供應(yīng)商競賣有限數(shù)量的可用頻率，導(dǎo)致激烈的競爭和在極端情況下為獲取額外許可證而進(jìn)行的競標(biāo)戰(zhàn)。

由于頻率的短缺，服務(wù)供應(yīng)商需要轉(zhuǎn)向其他替代方案。一個(gè)非常有應(yīng)用前景的替代方案是利用未授權(quán)頻譜，如工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段，尤其是未充分利用的 5 GHz 頻段。伺機(jī)使用該頻譜，同時(shí)在該頻段中部署 LTE 載波，可使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商增加系統(tǒng)容量且?guī)缀醪换ㄈ魏纬杀揪湍芴砑宇~外頻譜資源。該替代方案在整個(gè)行業(yè)內(nèi)被稱為未授權(quán)頻譜 LTE（或稱 LTE-U）。這種方法的發(fā)展勢頭大好，尤其是在美國。

相應(yīng)地，3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織增加支持LTE-U的功能，來應(yīng)對(duì)增強(qiáng)技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。該功能標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，稱為授權(quán)頻譜輔助接入（LAA）。R13中將添加該功能，該版本定于 2016 年 3 月最終確定。當(dāng)然，天下沒有免費(fèi)的午餐，凡事皆有代價(jià)。LTE-U/LAA 成功的重要前提是 LTE-U 運(yùn)營商之間的頻譜資源能夠共存和公平分享，并且，更重要的是能夠和現(xiàn)有技術(shù)共存，例如 Wi-Fi。

5 GHz 頻譜監(jiān)管
5 GHz 頻譜在全球采用相似方法監(jiān)管，但是不同地區(qū)有不同的規(guī)則。國際電信聯(lián)盟（ITU）在地區(qū)的基礎(chǔ)上來執(zhí)行全球性頻率監(jiān)管。主要確定了三個(gè)地區(qū)，ITU 區(qū)域 1 主要是歐洲；ITU區(qū)域 2 是美洲，包括例如美國、加拿大和巴西；ITU 區(qū)域 3 是亞洲，有中國、日本和韓國。

屬于這些地區(qū)的國家通常堅(jiān)持該區(qū)域的整體理念；然而，可能存在其他地方性的規(guī)章制度，適用于頻譜的某些部分。由于地方一級(jí)運(yùn)營商對(duì) LTE-U 及 LAA 懷有強(qiáng)烈興趣，本文探討了美國 5 GHz 頻譜的監(jiān)管情況。

圖 1 5 GHz 頻譜分配。

圖 1 所示為美國的頻譜分配。在 5150-5925 MHz 之間的頻譜被分成 4 個(gè)頻域，命名為 UNII-1、UNII-2、UNII-3 和 UNII-4，UNII 表示未授權(quán)國家信息基礎(chǔ)設(shè)施。在這四個(gè)頻域應(yīng)用不同的監(jiān)管規(guī)則，例如，允許的傳導(dǎo)輸出功率的最大值、功率譜密度（PSD）峰值以及帶外輻射（OoB）。表 1 所示為美國監(jiān)管機(jī)構(gòu)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）設(shè)定的要求。

由表 1 可總結(jié)出，UNII-2 設(shè)備需要支持傳輸功率控制（TPC）以及動(dòng)態(tài)頻率選擇（DFS）；（參見圖 1）。相反，UNII和 UNII-3不需要額外的機(jī)制來保證與其它系統(tǒng)的共存，因而使得頻譜的下端和上端部分成為 LTE-U 和 LAA 將會(huì)使用的第一目標(biāo)頻率。因此，3GPP 定義了兩個(gè)新的頻段，即頻段 252 和頻段 255，分別對(duì)應(yīng)于 UNII-1 和 UNII-3。請(qǐng)注意，對(duì)這兩個(gè)頻段的信道柵格定義遵循 Wi-Fi 的信道分配，以避免帶內(nèi)干擾。

3GPP 用該頻段定義來感謝“LTE-U 論壇”行業(yè)聯(lián)盟內(nèi)已取得的初步成果，LTE-U 論壇 的成立是為加速 LTE-U 的商用。LTE-U 論壇 的創(chuàng)始成員有威瑞森無線通信公司（Verizon Wireless）、高通（Qualcomm）、愛立信（Ericsson）、阿爾卡特-朗訊（Alcatel-Lucent）和三星（Samsung）。無線行業(yè)的這些關(guān)鍵角色已經(jīng)在共存方面達(dá)成一致，同意和其他 LTE-U 運(yùn)營商以及 Wi-Fi 等技術(shù)公平分享頻譜資源。而且，他們還達(dá)成一套規(guī)范，以明確支持 LTE-U 的手機(jī)和基站的最低要求。

例如，eNB（LTE 基站）的最低要求依據(jù) 3GPP 技術(shù)規(guī)范（TS）36.104。該文件選取 TS 36.104 中針對(duì)鄰信道功率泄露比（ACLR）或頻譜發(fā)射模板（SEM）等射頻測量值所規(guī)定的限值和容差，并根據(jù)監(jiān)管方面的規(guī)章，對(duì)這些值作了調(diào)整以適用于支持 LTE-U 的基站。圖 2 所示為調(diào)整后的頻譜發(fā)射模板（SEM）測量值，適用于在頻段 255（UNII-3）上運(yùn)行的支持 LTE-U 的基站。該測量值符合 LTE-U eNB 最低要求規(guī)范2。

為了區(qū)分 LTE-U 論壇 和 3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織 所做的工作，規(guī)定 LTE-U 只能將頻段 252 和 255 用作補(bǔ)充下行鏈路。LAA 工作組規(guī)定通訊鏈路的固定載波或主載波（PCC）應(yīng)駐留在授權(quán)頻段中，但是不排除在后期上行鏈路載波聚合時(shí)使用 5 GHz 頻譜。目前，3GPP 也在考慮將 5 GHz 頻段中的輔載波僅當(dāng)作傳輸資源3。

圖 2 依據(jù) LTE-U eNB 最低要求規(guī)范、使用 R&SFSW 信號(hào)以及頻譜分析儀的頻譜發(fā)射模板（SEM）測量值。

確保共存
LTE-U Forum 成員已經(jīng)達(dá)成一個(gè)兩步走的方案，以確保與其他技術(shù)及 LTE-U 運(yùn)營商的共存，并和現(xiàn)有技術(shù)公平分享頻譜資源。首先，基于初始啟動(dòng)階段的智能信道選擇，之后繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。換句話說，支持 LTE-U 的基站（類似于 Wi-Fi 接入點(diǎn)）定期監(jiān)測頻段并基于信道質(zhì)量測量值和輸入?yún)?shù)（如流量負(fù)載）選擇信道?！靶诺缿土P”功能已經(jīng)提出，此功能包含多個(gè)輸入?yún)?shù)和可變加權(quán)系數(shù)。對(duì)每個(gè)潛在信道的懲罰依據(jù)測量值和加權(quán)系數(shù)來確定。選出最低懲罰的信道，并在該頻段上傳輸 20 MHz LTE 的載波。通過預(yù)定的載波聚合信令方式，將準(zhǔn)確的載頻告知支持 LTE-U 的終端，這樣終端就能接入該載波。

目前，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)最多三個(gè)載波的聚合。一個(gè)是在授權(quán)頻段，該頻段可擁有任何頻寬，取決于各運(yùn)營商的頻譜。在未授權(quán)頻段，最多擁有兩個(gè) 20 MHz 的載波。由于在 Wi-Fi 信道定義中最低帶寬為 20 MHz，因此這些載波的帶寬必須是 20 MHz。總聚合傳輸帶寬最高為 60 MHz（包括對(duì)每個(gè)載波的 2×2 MIMO技術(shù)），最高峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 450 Mbps。

在初始信道選擇之后，支持 LTE-U 的基站必須使用載波偵聽自適應(yīng)傳輸（CSAT），以確保和其他使用頻譜資源和 Wi-Fi 的 LTE-U 運(yùn)營商公平分享。CSAT 的基本原理是確定一個(gè)時(shí)長為幾毫秒的周期，該周期分為“開啟”階段和“關(guān)閉”階段。周期長度及相應(yīng)的開啟和關(guān)閉階段的時(shí)長可基于流量情況動(dòng)態(tài)調(diào)整（參見圖 3）。如果所選信道負(fù)載較重（許多 Wi-Fi 接入點(diǎn)和其它 LTE-U 基站活躍），則 CSAT 周期可能長達(dá) 150 ms，而開啟階段很短，比如可能只有 20 ms。如果信道未被過多占用，短一些的 CSAT 周期可能更合適，開啟階段更長，因而關(guān)閉階段更短。請(qǐng)注意：圖 3 所示為 LTE-U Forum 成員在 2015 年 5 月的研討會(huì)上提出的建議值。

圖 3 LTE-U 基站使用 CSAT,以確保和其他 LTE-U 運(yùn)營商及Wi-Fi技術(shù)公平分享頻譜。

在 CSAT 周期的開啟階段，幾個(gè)子幀被定期屏蔽且配置為幾乎空白子幀（ABS）。具體數(shù)量依據(jù)開啟階段時(shí)長和流量負(fù)載而定。屏蔽子幀旨在確保在 Wi-Fi 上運(yùn)行的延遲敏感型應(yīng)用仍能在 LTE-U 運(yùn)行時(shí)起作用，例如 Wi-fi 語音（VoWi-Fi）。

除了通過測量傳輸功率、SEM 和 ACLR 來檢測支持 LTE-U 的基站的射頻指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)外，檢測手機(jī)性能和共存性也很重要。為了展示 LTE-U性能，在 2015 全球移動(dòng)通訊大會(huì)上確定了一個(gè)方案，該方案用于仿真和聚合三個(gè) LTE 載波（各為 20 MHz 的寬寬和 2×2 MIMO）。其中兩個(gè)載波駐留在授權(quán)頻段，另一個(gè)載波則駐留在 5 GHz頻段 的 UNII-3域。

聚合這三個(gè)載波即可獲得450 Mbps 的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。該演示涉及一個(gè)最大吞吐量測試，以驗(yàn)證所測試的設(shè)備能夠處理這么高的數(shù)據(jù)傳輸率4。保證共存，還需驗(yàn)證該設(shè)備是否能夠支持 CSAT。

3GPP 致力于使 LTE-U 的“LAA”功能標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的一部分涉及整合LBT功能，因?yàn)樵跉W洲和日本使用 5 GHz 頻譜需要該功能。欲利用頻譜的設(shè)備必須先偵聽信道，再開始傳輸?，F(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)化的 LBT 功能僅基于能量檢測。

LTE-U 是當(dāng)下無線行業(yè)的熱門話題。該功能為想用額外頻譜來增加系統(tǒng)容量的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供了一個(gè)具有吸引力的替代方案。運(yùn)營商之間以及同現(xiàn)有技術(shù)（例如 Wi-Fi）公平分享資源是 LTE-U 成功的關(guān)鍵。