當移動運營商尋求額外頻譜來處理高速增長的數據流量時，未授權的 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容量。分享頻譜的標準制定正在有條不紊地進行中，在業內被稱為 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施挑戰。

得益于以語音為中心的移動電話到智能手機和平板電腦的持續轉型，LTE網絡的加速發展，移動寬帶數據流量在過去五年里呈指數級增長。全球移動數據流量僅在 2014 年就上漲 69%，并且從 2013 年的 1.5 艾字節/月增至 2.5 艾字節/月。預計 2015 年還要再上漲 59%，達到 4.2 艾字節/月。視頻數據流是主要的流量類型，且在 2014 年所有移動數據流量中所占比例超過 55%。這樣持續的增長給全球的移動網絡運營商帶來相當大的挑戰。

服務供應商必須有效利用可使用的頻譜來提供絕佳的用戶體驗，同時在平均的基礎上給每位訂閱用戶提供高數據傳輸率。

LTE 是可選技術；但是，頻譜不是無限資源。在近些年，服務供應商已在全球范圍內投資數十億美元以增加他們持有的頻譜，并進而擴展系統容量。然而，當地監管部門只能向服務供應商競賣有限數量的可用頻率，導致激烈的競爭和在極端情況下為獲取額外許可證而進行的競標戰。

由于頻率的短缺，服務供應商需要轉向其他替代方案。一個非常有應用前景的替代方案是利用未授權頻譜，如工業、科學和醫療（ISM）頻段，尤其是未充分利用的 5 GHz 頻段。伺機使用該頻譜，同時在該頻段中部署 LTE 載波，可使網絡運營商增加系統容量且幾乎不花任何成本就能添加額外頻譜資源。該替代方案在整個行業內被稱為未授權頻譜 LTE（或稱 LTE-U）。這種方法的發展勢頭大好，尤其是在美國。

相應地，3GPP標準化組織增加支持LTE-U的功能，來應對增強技術帶來的挑戰。該功能標準正在制定中，稱為授權頻譜輔助接入（LAA）。R13中將添加該功能，該版本定于 2016 年 3 月最終確定。當然，天下沒有免費的午餐，凡事皆有代價。LTE-U/LAA 成功的重要前提是 LTE-U 運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有技術共存，例如 Wi-Fi。

5 GHz 頻譜監管
5 GHz 頻譜在全球采用相似方法監管，但是不同地區有不同的規則。國際電信聯盟（ITU）在地區的基礎上來執行全球性頻率監管。主要確定了三個地區，ITU 區域 1 主要是歐洲；ITU區域 2 是美洲，包括例如美國、加拿大和巴西；ITU 區域 3 是亞洲，有中國、日本和韓國。

屬于這些地區的國家通常堅持該區域的整體理念；然而，可能存在其他地方性的規章制度，適用于頻譜的某些部分。由于地方一級運營商對 LTE-U 及 LAA 懷有強烈興趣，本文探討了美國 5 GHz 頻譜的監管情況。

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 個頻域，命名為 UNII-1、UNII-2、UNII-3 和 UNII-4，UNII 表示未授權國家信息基礎設施。在這四個頻域應用不同的監管規則，例如，允許的傳導輸出功率的最大值、功率譜密度（PSD）峰值以及帶外輻射（OoB）。表 1 所示為美國監管機構聯邦通信委員會（FCC）設定的要求。

由表 1 可總結出，UNII-2 設備需要支持傳輸功率控制（TPC）以及動態頻率選擇（DFS）；（參見圖 1）。相反，UNII和 UNII-3不需要額外的機制來保證與其它系統的共存，因而使得頻譜的下端和上端部分成為 LTE-U 和 LAA 將會使用的第一目標頻率。因此，3GPP 定義了兩個新的頻段，即頻段 252 和頻段 255，分別對應于 UNII-1 和 UNII-3。請注意，對這兩個頻段的信道柵格定義遵循 Wi-Fi 的信道分配，以避免帶內干擾。

3GPP 用該頻段定義來感謝“LTE-U 論壇”行業聯盟內已取得的初步成果，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）。無線行業的這些關鍵角色已經在共存方面達成一致，同意和其他 LTE-U 運營商以及 Wi-Fi 等技術公平分享頻譜資源。而且，他們還達成一套規范，以明確支持 LTE-U 的手機和基站的最低要求。

例如，eNB（LTE 基站）的最低要求依據 3GPP 技術規范（TS）36.104。該文件選取 TS 36.104 中針對鄰信道功率泄露比（ACLR）或頻譜發射模板（SEM）等射頻測量值所規定的限值和容差，并根據監管方面的規章，對這些值作了調整以適用于支持 LTE-U 的基站。圖 2 所示為調整后的頻譜發射模板（SEM）測量值，適用于在頻段 255（UNII-3）上運行的支持 LTE-U 的基站。該測量值符合 LTE-U eNB 最低要求規范2。

為了區分 LTE-U 論壇 和 3GPP標準組織 所做的工作，規定 LTE-U 只能將頻段 252 和 255 用作補充下行鏈路。LAA 工作組規定通訊鏈路的固定載波或主載波（PCC）應駐留在授權頻段中，但是不排除在后期上行鏈路載波聚合時使用 5 GHz 頻譜。目前，3GPP 也在考慮將 5 GHz 頻段中的輔載波僅當作傳輸資源3。

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

確保共存
LTE-U Forum 成員已經達成一個兩步走的方案，以確保與其他技術及 LTE-U 運營商的共存，并和現有技術公平分享頻譜資源。首先，基于初始啟動階段的智能信道選擇，之后繼續進行動態調整。換句話說，支持 LTE-U 的基站（類似于 Wi-Fi 接入點）定期監測頻段并基于信道質量測量值和輸入參數（如流量負載）選擇信道。“信道懲罰”功能已經提出，此功能包含多個輸入參數和可變加權系數。對每個潛在信道的懲罰依據測量值和加權系數來確定。選出最低懲罰的信道，并在該頻段上傳輸 20 MHz LTE 的載波。通過預定的載波聚合信令方式，將準確的載頻告知支持 LTE-U 的終端，這樣終端就能接入該載波。

目前，預計可實現最多三個載波的聚合。一個是在授權頻段，該頻段可擁有任何頻寬，取決于各運營商的頻譜。在未授權頻段，最多擁有兩個 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（包括對每個載波的 2×2 MIMO技術），最高峰值數據傳輸速率可達 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傳輸（CSAT），以確保和其他使用頻譜資源和 Wi-Fi 的 LTE-U 運營商公平分享。CSAT 的基本原理是確定一個時長為幾毫秒的周期，該周期分為“開啟”階段和“關閉”階段。周期長度及相應的開啟和關閉階段的時長可基于流量情況動態調整（參見圖 3）。如果所選信道負載較重（許多 Wi-Fi 接入點和其它 LTE-U 基站活躍），則 CSAT 周期可能長達 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，因而關閉階段更短。請注意：圖 3 所示為 LTE-U Forum 成員在 2015 年 5 月的研討會上提出的建議值。

圖 3 LTE-U 基站使用 CSAT,以確保和其他 LTE-U 運營商及Wi-Fi技術公平分享頻譜。

在 CSAT 周期的開啟階段，幾個子幀被定期屏蔽且配置為幾乎空白子幀（ABS）。具體數量依據開啟階段時長和流量負載而定。屏蔽子幀旨在確保在 Wi-Fi 上運行的延遲敏感型應用仍能在 LTE-U 運行時起作用，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 的基站的射頻指標是否符合標準外，檢測手機性能和共存性也很重要。為了展示 LTE-U性能，在 2015 全球移動通訊大會上確定了一個方案，該方案用于仿真和聚合三個 LTE 載波（各為 20 MHz 的寬寬和 2×2 MIMO）。其中兩個載波駐留在授權頻段，另一個載波則駐留在 5 GHz頻段 的 UNII-3域。

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

3GPP 致力于使 LTE-U 的“LAA”功能標準化。標準化進程的一部分涉及整合LBT功能，因為在歐洲和日本使用 5 GHz 頻譜需要該功能。欲利用頻譜的設備必須先偵聽信道，再開始傳輸。現在，標準化的 LBT 功能僅基于能量檢測。

LTE-U 是當下無線行業的熱門話題。該功能為想用額外頻譜來增加系統容量的網絡運營商提供了一個具有吸引力的替代方案。運營商之間以及同現有技術（例如 Wi-Fi）公平分享資源是 LTE-U 成功的關鍵。