基于Wi—Fi Direct的WLAN與TD—LTE共存研究

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【摘 要】Wi-Fi Direct在實際應用中有著廣泛的發展前景。采用確定性分析以及蒙特卡洛靜態仿真方法，通過系統級仿真，研究了室內場景下基于Wi-Fi Direct的WLAN系統對于TD-LTE系統的影響。

【關鍵詞】Wi-Fi Direct TD-LTE 干擾共存 系統級仿真

中圖分類號：TN929.531 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0048-04

1 引言

Wi-Fi Direct（Wireless Fidelity Direct，Wi-Fi直連）因其在短距離的高傳輸速率和易連接性，能滿足終端用戶對于便攜內容以及設備間無縫連接的需求，有著廣泛的應用前景。根據我國頻譜規劃，2 300—2 400MHz是TDD方式的補充工作頻段，因此在2.4GHz處，會出現移動通信系統和WLAN（Wireless Local Area Networks，無線局域網絡）共存的情況，文章主要研究了基于Wi-Fi Direct的WLAN系統干擾TD-LTE系統。在研究中，采用了確定性分析以及蒙特卡洛靜態仿真作為研究手段。

2 系統介紹

2.1 TD-LTE系統

TD-LTE系統使用TDD雙工方式，發送和接收信號在相同的頻帶內，上下行信號通過在時間軸上不同的時間段發送進行區分[1]。TD-LTE主要的關鍵技術與優勢有：采用OFDM和MIMO技術，實現更高的峰值速率和頻譜效率；靈活的系統帶寬和載波聚合，滿足各種頻率場景的需求；動態的分組調度技術，兼顧服務質量和資源利用效率；以及靈活的上下行時隙比例配置，滿足網絡非對稱業務量的需要。

2.2 Wi-Fi Direct介紹

Wi-Fi Direct在國內被稱為Wi-Fi直連，基于Wi-Fi Alliance Peer-to-Peer（P2P）Specification技術，簡單來說就是允許無線網絡中的設備無需通過無線路由器即可相互連接。一個Wi-Fi P2P小組最少由兩臺具有Wi-Fi功能的設備組成，其中一臺必須成為P2P小組的OWNER，另外一個（或一個以上）設備成為CLIENT（S）。小組有兩種連接形式，1 to 1以及1 to N方式。

Wi-Fi Direct至少能夠支持802.11g（包括支持WPA2安全認證）、WPS以及Wi-Fi多媒體服務質量。為提高無線帶寬的使用效率，Wi-Fi Direct設備不采用802.11b數據或管理幀速率（1，2，5.5或11Mbps），也不對只支持802.11b速率的請求做出回應，而采用802.11g和802.11n。在2.4GHz頻段，本文對于WLAN系統的研究主要討論在IEEE 802.11g下，MAC層基本訪問方式和物理層傳輸技術。

2.3 MAC層關鍵算法分析

文中IEEE 802.11 MAC采取的基本訪問方法是DCF（Distributed Coordination Function，分布式協調函數），采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，載波偵聽多點接入/沖突避免）訪問機制，IEEE 802.11g亦遵循此方式。CSMA/CA的退避機制由下式表示：

（1）

Tslot為協議時隙，CW為退避窗口的大小，初始值為CWmin，最大值為CWmax，具體值由不同的物理層規范給出。

對CSMA/CA算法的建模[2]得到二維隨機過程{s（t），b（t）}，這個過程為馬爾可夫鏈。得到一次發送碰撞概率p：

（2）

以及發送概率τ：

（3）

根據（2）和（3）式可得發送概率τ。

由以上建模得到Wi-Fi P2P小組中OWNER和CLIENT的發射概率，通過判斷有多少工作站在發送數據，可以判斷系統處于以上哪種狀態，從而達到在一個時間點模擬系統工作狀態的目的。

2.4 PHY層技術分析

由于Wi-Fi Direct在2.4GHz采用IEEE 802.11g協議，因此當系統傳輸速率在20Mbps以下時，物理層采用CCK（Complementary Code Keying，補碼鍵控）的DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻技術）技術，當傳輸速率超過20Mbps時，在物理層使用與802.11a相同的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）技術[3]，因此由對應的發射頻譜模板如圖1及圖2所示，得到系統與之對應的確定性分析結果。

在進行確定性分析時，采用ACIR來衡量ACLR和ACS的綜合作用結果，來表示信道到鄰近信道之間的隔離程度。ACIR與ACLR、ACS的關系如式（4）所示：

（4）

干擾鏈路為WLAN系統CLIENT干擾LTE系統UE。根據現有的頻率部署情況，工作在Channel 1（2 401—2 423MHz）、Channel 6（2 426—2 448MHz）和Channel 11（2 451—2 473MHz）的WLAN系統干擾

2 300—2 400MHz的TD-LTE系統。由確定性分析可以得到在兩種發射頻譜模板下，10MHz LTE位于WLAN系統第一鄰頻和第二鄰頻時：

（1）在CCK頻譜模板下CLIENT干擾UE的隔離度，第一鄰頻為32.2dB，第二鄰頻為45.6dB；

（2）在OFDM頻譜模板下 CLIENT干擾UE確定性分析得到的隔離度，第一鄰頻為19.9dB，第二鄰頻為29.9dB。endprint

3 系統級仿真

3.1 網絡拓撲結構

考慮到基于Wi-Fi Direct的WLAN設備主要在室內環境使用，在研究WLAN和TD-LTE共存時，采用5*5grid模型[4]。文章中假設1 to N拓撲形式中的Wi-Fi Direct小組會話只有設備之間的通信，小組不會接入Wi-Fi熱點網絡。

在5*5grid模型中，13根TD-LTE基站天線在25個房間中間隔配置，并且位于房間的中央；每個房間內有1個TD-LTE用戶，共25個用戶，用戶在房間內的位置是隨機的。WLAN系統OWNER采用激活率0.2、0.6和1.0的隨機部署方式來模擬不同強度的干擾。OWNER在房間內的位置隨機，每個OWNER接入10個CLIENT，在房間內位置隨機。

3.2 吞吐量計算

LTE作為被干擾系統，其性能指標是平均用戶吞吐量損失和5%用戶吞吐量損失[5] 。考慮平均用戶吞吐量損失來研究分析WLAN系統對TD-LTE整體性能的影響，如式（5）所示：

（5）

TPsingle是TD-LTE系統單獨工作時，系統所能達到的系統吞吐量的平均值；TPmulti是當存在干擾時，TD-LTE系統能達到的系統吞吐量的平均值。

利用香農公式的衰減和截短形式將SINR值映射為吞吐量，如式（6）所示：

（6）

其中，S（SNIR）為香農邊界；α為執行損失的衰減因子；SNIRMIN為最小SNIR；ThrMAX是最大吞吐量；SNIRMAX是在達到最大吞吐量時SNIR的值。

4 仿真結果及分析

此次仿真TD-LTE系統采用輪詢調度算法。上行鏈路中，系統終端通過功率控制可以得到較大信噪比，對來自系統外的干擾不敏感。因此，文章只研究下行情況下系統的阻塞性能和平均用戶吞吐量情況。

4.1 阻塞特性

通過系統級仿真得到Wi-Fi Direct小組中OWNER不同激活率情況下TD-LTE的UE所收到的干擾CDF曲線如圖3所示：

圖3 不同激活率下的阻塞率（BIG）

由CCDF=1-CDF關系式得到，在CDF中99%的用戶未收到阻塞情況的Blocking值，即為1%的用戶被阻塞時的Blocking值。由此不同激活率下系統1%阻塞值如表1所示：

表1 1%時阻塞值

激活率 Blocking值/dBm

0.2 -50.29

0.6 -49.55

1 -48.29

系統需要達到的標準為不大于[-44+lg（22/4）]dBm，即-37.57dBm[6]。根據仿真結果，在最差的情況下（激活率為1），阻塞值為-48.29dBm，比標準的要求值小10.72dBm。

因此可以得出結論：室內場景部署情況能夠滿足阻塞率的要求。

4.2 吞吐量特性

室內場景下，不同的激活率下LTE系統平均吞吐量仿真數據如圖4所示。

一般地，認為系統性能下降5%為可以接受的范圍，因此可得到在OWNER不同激活率下對應的系統所需的隔離度，如表2所示。

表2 不同激活下隔離度指標

OWNER激活率 系統性能下降5%時的隔離度/dB

0.2 43.91

0.6 50.04

1 52.7

由前文可知，當WLAN系統的傳輸速率小于20Mbps，且LTE系統工作在位于WLAN系統的第一鄰頻和第二鄰頻時，隔離度分別為32.2dB和45.6dB；當傳輸速率大于20Mbps時，隔離度分別為19.9dB和29.3dB。由此得到：

（1）當WLAN系統傳輸速率小于20Mbps時：

CLIENT激活率在0.2并且將10MHz LTE部署在基于Wi-Fi Direct的WLAN系統的第二鄰頻時，現有的設備性能可以滿足要求，不用提供額外的隔離度。

在其他本文所考察的條件下，現有的設備性能都無法滿足隔離度要求，兩系統共存需要提供額外的隔離度來滿足要求。

（2）當WLAN系統的傳輸速率大于20Mbps時：

對于所有的部署方式，現有的設備性能都無法滿足隔離度要求，兩系統共存需要提供額外的隔離度來滿足要求。

5 結束語

Wi-Fi Direct由于其靈活性、短距離高速數據傳輸能力以及對于Wi-Fi基礎設備的兼容性，使得其在不久的將來會普遍使用。本文對室內環境下基于Wi-Fi Direct 的WLAN系統對TD-LTE系統的干擾進行了研究，由于仿真參數的理想化，與現實情況可能有一定偏差，但仍具備一定參考意義。

參考文獻：

[1] 沈嘉，索士強，全海洋，等. 3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[2] Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， 2000，18（3）： 535-547.

[3] 加斯特. 802.11無線網絡權威指南[M]. 南京： 東南大學出版社， 2007.

[4] Femto Forum Working Group 2. OFDMA Interference Study ：Evaluation Methodology Document[R]. 2009.

[5] 3GPP TR 36.942 v9.0.1. Radio Frequency（RF） system scenarios（Release 8）[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.101 v9.3.0. User Equipment（UE） radio transmission and reception（Release 9）[S]. 2010.★endprint

3 系統級仿真

3.1 網絡拓撲結構

考慮到基于Wi-Fi Direct的WLAN設備主要在室內環境使用，在研究WLAN和TD-LTE共存時，采用5*5grid模型[4]。文章中假設1 to N拓撲形式中的Wi-Fi Direct小組會話只有設備之間的通信，小組不會接入Wi-Fi熱點網絡。

在5*5grid模型中，13根TD-LTE基站天線在25個房間中間隔配置，并且位于房間的中央；每個房間內有1個TD-LTE用戶，共25個用戶，用戶在房間內的位置是隨機的。WLAN系統OWNER采用激活率0.2、0.6和1.0的隨機部署方式來模擬不同強度的干擾。OWNER在房間內的位置隨機，每個OWNER接入10個CLIENT，在房間內位置隨機。

3.2 吞吐量計算

LTE作為被干擾系統，其性能指標是平均用戶吞吐量損失和5%用戶吞吐量損失[5] 。考慮平均用戶吞吐量損失來研究分析WLAN系統對TD-LTE整體性能的影響，如式（5）所示：

（5）

TPsingle是TD-LTE系統單獨工作時，系統所能達到的系統吞吐量的平均值；TPmulti是當存在干擾時，TD-LTE系統能達到的系統吞吐量的平均值。

利用香農公式的衰減和截短形式將SINR值映射為吞吐量，如式（6）所示：

（6）

其中，S（SNIR）為香農邊界；α為執行損失的衰減因子；SNIRMIN為最小SNIR；ThrMAX是最大吞吐量；SNIRMAX是在達到最大吞吐量時SNIR的值。

4 仿真結果及分析

此次仿真TD-LTE系統采用輪詢調度算法。上行鏈路中，系統終端通過功率控制可以得到較大信噪比，對來自系統外的干擾不敏感。因此，文章只研究下行情況下系統的阻塞性能和平均用戶吞吐量情況。

4.1 阻塞特性

通過系統級仿真得到Wi-Fi Direct小組中OWNER不同激活率情況下TD-LTE的UE所收到的干擾CDF曲線如圖3所示：

圖3 不同激活率下的阻塞率（BIG）

由CCDF=1-CDF關系式得到，在CDF中99%的用戶未收到阻塞情況的Blocking值，即為1%的用戶被阻塞時的Blocking值。由此不同激活率下系統1%阻塞值如表1所示：

表1 1%時阻塞值

激活率 Blocking值/dBm

0.2 -50.29

0.6 -49.55

1 -48.29

系統需要達到的標準為不大于[-44+lg（22/4）]dBm，即-37.57dBm[6]。根據仿真結果，在最差的情況下（激活率為1），阻塞值為-48.29dBm，比標準的要求值小10.72dBm。

因此可以得出結論：室內場景部署情況能夠滿足阻塞率的要求。

4.2 吞吐量特性

室內場景下，不同的激活率下LTE系統平均吞吐量仿真數據如圖4所示。

一般地，認為系統性能下降5%為可以接受的范圍，因此可得到在OWNER不同激活率下對應的系統所需的隔離度，如表2所示。

表2 不同激活下隔離度指標

OWNER激活率 系統性能下降5%時的隔離度/dB

0.2 43.91

0.6 50.04

1 52.7

由前文可知，當WLAN系統的傳輸速率小于20Mbps，且LTE系統工作在位于WLAN系統的第一鄰頻和第二鄰頻時，隔離度分別為32.2dB和45.6dB；當傳輸速率大于20Mbps時，隔離度分別為19.9dB和29.3dB。由此得到：

（1）當WLAN系統傳輸速率小于20Mbps時：

CLIENT激活率在0.2并且將10MHz LTE部署在基于Wi-Fi Direct的WLAN系統的第二鄰頻時，現有的設備性能可以滿足要求，不用提供額外的隔離度。

在其他本文所考察的條件下，現有的設備性能都無法滿足隔離度要求，兩系統共存需要提供額外的隔離度來滿足要求。

（2）當WLAN系統的傳輸速率大于20Mbps時：

對于所有的部署方式，現有的設備性能都無法滿足隔離度要求，兩系統共存需要提供額外的隔離度來滿足要求。

5 結束語

Wi-Fi Direct由于其靈活性、短距離高速數據傳輸能力以及對于Wi-Fi基礎設備的兼容性，使得其在不久的將來會普遍使用。本文對室內環境下基于Wi-Fi Direct 的WLAN系統對TD-LTE系統的干擾進行了研究，由于仿真參數的理想化，與現實情況可能有一定偏差，但仍具備一定參考意義。

參考文獻：

[1] 沈嘉，索士強，全海洋，等. 3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[2] Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， 2000，18（3）： 535-547.

[3] 加斯特. 802.11無線網絡權威指南[M]. 南京： 東南大學出版社， 2007.

[4] Femto Forum Working Group 2. OFDMA Interference Study ：Evaluation Methodology Document[R]. 2009.

[5] 3GPP TR 36.942 v9.0.1. Radio Frequency（RF） system scenarios（Release 8）[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.101 v9.3.0. User Equipment（UE） radio transmission and reception（Release 9）[S]. 2010.★endprint

3 系統級仿真

3.1 網絡拓撲結構

考慮到基于Wi-Fi Direct的WLAN設備主要在室內環境使用，在研究WLAN和TD-LTE共存時，采用5*5grid模型[4]。文章中假設1 to N拓撲形式中的Wi-Fi Direct小組會話只有設備之間的通信，小組不會接入Wi-Fi熱點網絡。

在5*5grid模型中，13根TD-LTE基站天線在25個房間中間隔配置，并且位于房間的中央；每個房間內有1個TD-LTE用戶，共25個用戶，用戶在房間內的位置是隨機的。WLAN系統OWNER采用激活率0.2、0.6和1.0的隨機部署方式來模擬不同強度的干擾。OWNER在房間內的位置隨機，每個OWNER接入10個CLIENT，在房間內位置隨機。

3.2 吞吐量計算

LTE作為被干擾系統，其性能指標是平均用戶吞吐量損失和5%用戶吞吐量損失[5] ?？紤]平均用戶吞吐量損失來研究分析WLAN系統對TD-LTE整體性能的影響，如式（5）所示：

（5）

TPsingle是TD-LTE系統單獨工作時，系統所能達到的系統吞吐量的平均值；TPmulti是當存在干擾時，TD-LTE系統能達到的系統吞吐量的平均值。

利用香農公式的衰減和截短形式將SINR值映射為吞吐量，如式（6）所示：

（6）

其中，S（SNIR）為香農邊界；α為執行損失的衰減因子；SNIRMIN為最小SNIR；ThrMAX是最大吞吐量；SNIRMAX是在達到最大吞吐量時SNIR的值。

4 仿真結果及分析

此次仿真TD-LTE系統采用輪詢調度算法。上行鏈路中，系統終端通過功率控制可以得到較大信噪比，對來自系統外的干擾不敏感。因此，文章只研究下行情況下系統的阻塞性能和平均用戶吞吐量情況。

4.1 阻塞特性

通過系統級仿真得到Wi-Fi Direct小組中OWNER不同激活率情況下TD-LTE的UE所收到的干擾CDF曲線如圖3所示：

圖3 不同激活率下的阻塞率（BIG）

由CCDF=1-CDF關系式得到，在CDF中99%的用戶未收到阻塞情況的Blocking值，即為1%的用戶被阻塞時的Blocking值。由此不同激活率下系統1%阻塞值如表1所示：

表1 1%時阻塞值

激活率 Blocking值/dBm

0.2 -50.29

0.6 -49.55

1 -48.29

系統需要達到的標準為不大于[-44+lg（22/4）]dBm，即-37.57dBm[6]。根據仿真結果，在最差的情況下（激活率為1），阻塞值為-48.29dBm，比標準的要求值小10.72dBm。

因此可以得出結論：室內場景部署情況能夠滿足阻塞率的要求。

4.2 吞吐量特性

室內場景下，不同的激活率下LTE系統平均吞吐量仿真數據如圖4所示。

一般地，認為系統性能下降5%為可以接受的范圍，因此可得到在OWNER不同激活率下對應的系統所需的隔離度，如表2所示。

表2 不同激活下隔離度指標

OWNER激活率 系統性能下降5%時的隔離度/dB

0.2 43.91

0.6 50.04

1 52.7

由前文可知，當WLAN系統的傳輸速率小于20Mbps，且LTE系統工作在位于WLAN系統的第一鄰頻和第二鄰頻時，隔離度分別為32.2dB和45.6dB；當傳輸速率大于20Mbps時，隔離度分別為19.9dB和29.3dB。由此得到：

（1）當WLAN系統傳輸速率小于20Mbps時：

CLIENT激活率在0.2并且將10MHz LTE部署在基于Wi-Fi Direct的WLAN系統的第二鄰頻時，現有的設備性能可以滿足要求，不用提供額外的隔離度。

在其他本文所考察的條件下，現有的設備性能都無法滿足隔離度要求，兩系統共存需要提供額外的隔離度來滿足要求。

（2）當WLAN系統的傳輸速率大于20Mbps時：

對于所有的部署方式，現有的設備性能都無法滿足隔離度要求，兩系統共存需要提供額外的隔離度來滿足要求。

5 結束語

Wi-Fi Direct由于其靈活性、短距離高速數據傳輸能力以及對于Wi-Fi基礎設備的兼容性，使得其在不久的將來會普遍使用。本文對室內環境下基于Wi-Fi Direct 的WLAN系統對TD-LTE系統的干擾進行了研究，由于仿真參數的理想化，與現實情況可能有一定偏差，但仍具備一定參考意義。

參考文獻：

[1] 沈嘉，索士強，全海洋，等. 3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[2] Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， 2000，18（3）： 535-547.

[3] 加斯特. 802.11無線網絡權威指南[M]. 南京： 東南大學出版社， 2007.

[4] Femto Forum Working Group 2. OFDMA Interference Study ：Evaluation Methodology Document[R]. 2009.

[5] 3GPP TR 36.942 v9.0.1. Radio Frequency（RF） system scenarios（Release 8）[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.101 v9.3.0. User Equipment（UE） radio transmission and reception（Release 9）[S]. 2010.★endprint