为了利用未授权频谱(特别是针对5GHz频带)，提升手机的网络容量，可藉由该频带的现有技术(Wi-Fi)，或透过修改手机技术将通道直接整合至手机的物理层(PHY)与媒介访问控制层(MAC)。后者的方法对于现有与未来的Wi-Fi网络而言，导致了手机与Wi-Fi二者的生态系统有所差异。因此，中立且可修改的原型制作平台非常重要，可让工程师与研究人员评估并比较这类算法在实际环境中的效能取舍。

本文将以国家仪器(NI) USRP RIO硬件、LabVIEW Communications System Design Suite与随附的802.11/LTE参考架构，说明如何建立原型制作平台以及使用结果，包含LTE-U与LAA效能，以及其与Wi-Fi的关系。

LTE/Wi-Fi共存

手机网络业者已开始利用未授权频谱的优势，伺机将流量卸除到Wi-Fi网络，尤其是在高需求的热点。而业者针对LTE Release-13的3GPP LTE/Wi-Fi聚合(LWA)作业项目，则更进一步整合封包数据聚合协议(PDCP)层中的LTE与Wi-Fi。上述两个案例都在未授权频带中使用了Wi-Fi无线接口。接下来将说明在未授权频带中使用LTE架构无线接口的技术。

__未授权LTE(LTE-U)__　对于直接整合于较低LTE层的未授权频带，由LTE-U论坛建立的LTE-U预计将成为首项布署于此频带的技术。推动此项专利技术的关键成员包括高通(Qualcomm)、Verizon、Ericsson、Samsung等。

LTE-U技术使用未授权频带作为LTE载波聚合架构中的次级蜂巢式单元(SCell)，并用户许可证的锚点作为主单元(PCell)。现有的规格只会在下行(DL)流量中伺机使用未授权频带，而上行(UL)在往后也将纳入考虑。

LTE-U透过工作周期形式的LTE波形存取未授权通道(图1)，并建构算法以改善LTE-U网络与Wi-Fi网络间的共存。LTE-U存取点(AP)会主动听取Wi-Fi与其他LTE-U传输，以预测网络的使用模式。透过主动接收Wi-Fi传输，便能解读通道类型(主要/次要)、封包类型、封包长度等等。这些信息可用于评估信道活动，进而用于动态信道选择与自适应工作周期循环。LTE-U使用与适应工作周期的在线算法称为载波感测自适应传输(CSAT)。透过适时修改TON与TOFF值或跳过某些TON期间以定期产生较长的TOFF期间，便可改变工作周期。而工作周期的分辨率则落在LTE子架构(1ms)的边界范围。

图1：LTE-U波形范例

LTE-U的拥护者指出，布署这类网络并不会显著降低Wi-Fi网络效能。然而，其他研究则认为先听后送(LBT)的机制(如Wi-Fi中CSMA/CA的延迟期与指数退回机制)对公平分享未授权通道而言相当重要，而LTE-U却并未执行这种机制。欧洲与日本等地区的法规规定未授权频带必须采用LBT，因此这些地区无法布署LTE-U。由于LTE-U的本质具有争议，美国联邦通讯委员会(FCC)等主管机关(在美国不需LBT即可布署LTE-U)正在检视无线通信生态系统的反应，并评估是否有需要修订相关法规。

__授权辅助存取(LAA)__　LAA是标准架构的技术，同时也是未授权频带LTE技术之外的另一选项。3GPP目前正在拟订LAA规格，其初版将纳入LTE Release-13后发布。未授权载波如同LTE-U，只会作为DL的SCell使用，并随时以授权的PCell定锚，而UL作业则会纳入未来的修订考虑。

LAA与LTE-U最主要的差异，是LAA的设计可适用于全球各地，因此具备了LBT架构。目前正在探讨多种方案，并预计纳入具备初始延迟期与指数退回机制的类Wi-Fi系统。举例来说，图2所示的波形范例便是由LBT程序感测信道，以取得高达 10 LTE 子架构的传输机会(TXOP)。

相较于LTE-U，Wi-Fi业者较偏好LAA，原因在于能够参与开放标准的程序，且认为LBT设计对于提升共存效能极其关键。

图2：LAA波形范例

LTE-U/LAA定义的设计目标

3GPP已开始研拟LAA，并将进行LTE/Wi-Fi共存的可行性研究，同时具体评估达成以下设计目标的可行性：

• 全球性的解决方案，以确保符合各地法规，例如采用LBT可确保技术符合订定LBT法规限制的地区

• 确保LAA与Wi-Fi之间能有效且公平地共存

• 确保不同LAA业者的节点之间有效且公平地共存

LTE-U主要针对美国、韩国、中国、印度等国的法规，这些地区皆不需LBT便能存取未授权通道。因此，LTE-U的设计目标是上述LAA列表中的后两项。

达成设计目标的PHY改良方式 为了达到LTE-U/LAA定义的设计目标，建议提供启用LAA所需的功能，包括信道存取架构 (包含空闲通道评估)、最大传输期间有限的非连续性传输、用于载波选择与AGC的UE支持，以及粗略、精确时间与频率同步功能。

如此则可整合以下的PHY改良方式：非连续性传输(DTX)以及先听后送(LBT)。

以LTE-U而言，LTE架构主要依据LTE子架构的分辨率，执行工作周期循环与打孔 (puncturing)作业。非连续性传输的建置作业也可支持LTE-U模式。

__非连续性传输__　针对未授权频谱，日本等地的法规禁止连续性传输，并限制传输突波的最大期间。此外，由于某些用户可能同时共享传输媒介，因此要随时连续存取通道或许不可行，而在共享媒介公平性的考虑下，也并非好的作法。由于LTE与其他手机标准目前在授权频谱中(可使用连续性传输)皆可运作，因此非连续性传输的特征便更提高了设计障碍。

__先听后送__　由于3GPP规划的是全球通用的LAA解决方案，而某些地区的法规又强制规定非授权通道必须采用LBT，因此LAA必须具备LBT功能。当设备中有封包需要传输时，LBT Cat 4程序便会开始运作。接着，设备开始执行初始空闲通道评估(iCCA)，以检查通道在特定期间内是否闲置。在判断通道闲置时可进行传输，而如果通道并非闲置，设备则执行槽式随机退回程序(slotted random back-off procedure)，从称为竞争窗口(contention window)的特定区间中选取随机数值。当通道判定为闲置时，便会执行退回倒数，如流程图的CCA(eCCA)延伸部份所示；当退回计数器到达0时开始传输作业。

此程序与802.11分布式协调功能(DCF) MAC所布署的的载波感测多重存取(CSMA)相似。而802.11/Wi-Fi社群有些使用者具备未授权频谱公平分享的相关经验，他们的宝贵意见便是开发此算法时的重要依据。

然而，3GPP的参与者仍有几点需要加以探讨的项目，其中几项该注意的关键差异如下：

• 位于所有802.11封包起点的旧版802.11 Training Field为固定的已知序列，且用于802.11设备以侦测信道为空闲或使用中，而 LAA/LTE-U节点可透过此方法将侦测效能优化。另一种方式是能量侦测架构感测法(energy detection-based sensing)，较易于执行，但效能较低。

• 依据传输失败的竞争窗口更新：-802.11 CSMA使用指数退回功能，3GPP同时也在评估较缓和的架构。

LTE-U/LAA解决方案的原型制作

802.11与LTE参考架构 802.11与LTE参考架构分别建立了LTE/Wi-Fi共存原型制作范例的基础。由于LAA信道存取架构与802.11通道存取架构相似，因此运用LAA LBT功能的基本概念之一，便是重复使用LTE参考架构中802.11信道存取相关的模块。

为了扩充现有的LTE参考架构，以实作非连续性传输与Cat 4 LBT，结构改变(如图3、图4)必须套用于下列模块/子系统：

• Resource Mapper控制系统、TX触发机制、非连续性传输与接收的同步化单元

• 针对LBT整合的新信道感测单元与TX触发机制

PHY改良方式实作

以下将说明非连续性传输与LBT Category 4的实作方式。

__非连续性传输__　这是整个LTE计划的重大变更部份。在LTE参考架构中，此功能可透过OFDM符码级资源区块分配(OFDM-symbol-wise resource block allocation)功能与嵌入式TX触发机制加以实作。

无线电架构内的各个OFDM符号皆可定义资源区块分配，分配可透过主机完成，包括以下两个步骤：以子架构为基础的无线电架构；以PRB的子架构与OFDM符码为基础。

这种方法十分灵活，可支持LAA所需的可设定最大传输作业时间，以及LTE所需的可设定周期、打孔作业与主周期等。

LTE参考架构具备多种触发传输的功能。透过重复使用与扩充，这些功能可符合非连续性传输的需求，其中并整合了以下两种改变：

• 触发传输的功能由无线电架构的触发器(如传统LTE与LTE-U所使用的)加以扩充，进而能以透过LBT功能(可感测信道并评估其是否为空闲、可用于传输的状态)进行触发器传输。

• 额外的功能让传输作业可设定TXOP子架构数量，而非针对整个无线电架构进行传输。根据TXOP这个额外参数，位处理功能与I/Q基频处理功能便会控制数个计数器，以便只传输TXOP连续子架构，而非整个无线电架构。

图3：选择无线电架构的触发器或LBT架构的触发器

__先听后送Category 4__　如果取消‘固定退回’ (Fixed Backoff)功能，便会套用随机退回程序。由于目前版本尚未包含HARQ回馈，因此退回作业会从区间[0, CWmax-1]中做选择。 此外还可设定能量侦测临界值。

LBT Cat 4顶层模块包含NI 802.11参考架构的状态机器与功率量测单元。根据LBT Cat 4程序，此状态机器的目的是控制功率量测单元，以便在适当时机执行空闲通道评估，并触发非连续性传输。

目前的编码版本无法执行LAA LBT 的 802.11前置区段检测，但NI 802.11 Application Framework具备所需的区块，可扩充该功能组，以包含前置区段检测。

初步结果

为了深入了解背后的基本原则，此时使用一组简易的设定，包含1组代表LTE eNB的USRP RIO、UE与市售的现成Wi-Fi组件。当搭配使用NI 802.11 Application Framework与USRP时，还可以仿真Wi-Fi网络。

图4：基本LTE/Wi-Fi共存设定

图5：实验室环境中的基本LTE/Wi-Fi共存设定

图6显示LTE-U使用案例的初步结果。此案例改变连续DL子架构数量与1个无线电架构之间的比率，使得LTE-U工作周期随之变动。此图表针对Wi-Fi与LTE-U链接，显示相对应的传输量改变。结果符合预期：当LTE-U工作周期缩短时，Wi-Fi传输量便会上升；反之亦然。

图6：旧版Wi-Fi 802.11a与LTE-U在不同工作周期比率下的标准化传输量

图7显示LAA eNB的CCA能量侦测临界值设定不同时，Wi-Fi 11ac VHT40与LAA LBT Cat 4系统各自的传输量如何变化。Wi-Fi 11ac VHT40节点与LAA节点在RSSI大约为-67dBm时交会。

图7：不同LAA CCA能量侦测临界值下的Wi-Fi 802.11ac VHT40与LAA (LBT cat 4)传输量

结论

透过像NI 802.11与LTE Application Framework测试方案建构应用，能够满足对中立平台的新需求，并协助研究LTE与Wi-Fi网络之间的共存。

藉由此非连续性传输的实作，便可支持LAA与LTE-U。此功能可自行设定，因此能透过简易的插卡式算法控制LTE-U工作周期，例如CSAT算法。藉由结合非连续性传输与可设定 LBT Cat 4，便能建立LAA通道存取架构的骨干，可用于实际实验与进一步研究。初步结果证明测试台与工具已可用于 LTE-U 与 LAA。

原型可自行设定，例如设定LTE-U的工作周期、LAA的TXOP、CCA ED临界值、竞争窗口大小等等，有助于进行各种实验，以深入了解共存的运作方式，以及在不同使用案例中参数的优化方法。开放式架构则有助于修改或扩充作业，可轻松建立复杂的共存架构。

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

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