LTE使用未授權頻段的方法研究

胡恒恒 周 斌 鄭 敏 俞 凱

(中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海 200050)

LTE使用未授權頻段的方法研究

胡恒恒 周 斌 鄭 敏 俞 凱

(中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海 200050)

將LTE技術引入到未授權頻段是解決蜂窩系統頻譜資源緊張的方法之一。首先闡述LTE引入到未授權頻段所存在的共存挑戰，針對LTE利用LBT策略中的FBE結構實現共存所存在的偵聽信道機會少且偵聽位置固定的缺陷，提出一種增強型FBE(E-FBE)結構。該結構引入隨機退避過程，可以讓LTE依據信道狀態更加靈活地偵聽信道。仿真結果表明該結構可以解決WIFI在與LTE共存時被LTE壓制吞吐量的問題，實現和諧共存。

LTE 未授權頻段 WIFI LBT FBE

0 引 言

隨著蜂窩數據業務需求以及接入網絡的智能設備的不斷增長，移動通信流量會更快地呈現爆炸式的增長，到2020年，移動通信網絡可能面臨著通信量增長10倍的挑戰[1]。為了應對這個挑戰，尋求更多的頻譜資源來增加頻帶寬度以及提高頻譜利用率是最直接的解決辦法，因此與其他系統共享頻譜資源成為了解決途徑之一。未授權頻段的LTE(LTE-U)通過將授權頻段的LTE技術引入到未授權頻段來增加系統的可用頻譜資源，提高系統性能以及系統容量。目前可以共享的未授權頻段包括2.4 GHz工業、科學和醫療頻段(ISM band)和5 GHz U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)頻段，而在現有頻段上，已經存在一些成熟的接入技術，如WIFI、藍牙、雷達，D2D(Device-to-Device)等，其中最主要的是WIFI接入技術。LTE使用未授權頻段除了要滿足不同國家和地區對于未授權頻段的使用限制以外[2]，最主要的問題是如何保證在公平使用頻帶資源的情況下與WIFI和諧共存。

LTE利用集中干擾管理控制技術以及正交頻分多址OFDM技術來實現最大化頻譜利用率和最優化用戶體驗，使用信道資源時，不需要進行信道偵聽；而WIFI在多址接入控制MAC層采用了分布式協同控制DFC協議來實現多節點共享頻帶，DFC協議采用了避免沖突載波偵聽多址接入技術(CSMA/CA)，節點在發送數據業務前需要進行信道偵聽來競爭信道資源。由此可見，WIFI和LTE是兩種截然不同的寬帶無線接入技術。文獻[3]研究結果表明，當LTE和WIFI使用相同信道時，由于LTE不需要進行信道偵聽，因此會長時間占據信道，使得WIFI一直保持在偵聽狀態而無法接入信道，極大地影響WIFI的性能。因此，如何讓LTE-U與WIFI在未授權頻段上實現和諧共存，同時保證WIFI性能是一個值得研究的問題。

文獻[4]利用ABS(Almost Blank Sub-frame)在時域上實現LTE-U和WIFI的信道共享，依據LTE-U網絡流量的變化來動態釋放空白幀資源給WIFI使用，保證WIFI在共存時的性能；文獻[5]依據對干擾的測量，在傳統的LTE上行功率控制中引入額外的控制因素，給予WIFI更多的機會接入信道；文獻[6]考慮了3GPP提出的共存分析方法[7]，給LTE-U增加了授權頻段輔助接入LAA(Licensed-Assisted Access)和先聽后說LBT機制，用戶利用LTE系統中載波聚合技術同時連接授權頻段和未授權頻段，授權頻段上的LTE進行控制信令的傳輸，而未授權頻段上的LTE引入LBT策略來進行信道競爭，競爭成功后進行數據業務的傳輸，結果表明，LBT策略利于LTE在未授權頻段上與WIFI共存。

3GPP提議在未授權頻段上的LTE使用LBT機制來保證與WIFI公平競爭信道資源，而文獻[8]中規定了未授權頻段上設備接入的兩種偵聽結構，即FBE(Frame based equipment)和LBE(Load based equipment)。FBE結構固定幀結構，利于與LTE的幀結構進行融合以及頻率復用，但是由于在固定位置進行信道偵聽且每幀只有一次機會，所以接入信道機會少；LBE結構可以依據業務負載進行靈活的接入信道并且調整傳輸時間，但是與LTE幀結構融合時難以確定在幀結構中的起始位置，增加了用戶盲檢測的復雜性。文獻[9]針對LBE結構，利用業務QoS要求和節點業務負載情況對競爭窗口CW進行自適應調整來靈活協調LTE和WIFI之間的傳輸機會；文獻[10]同樣針對LBE結構，將偵聽信道閾值依據干擾進行自適應調整來給予WIFI更多傳輸機會。文獻[11]在LBE結構中加入了一些額外延時模塊，使得LTE可以和WIFI更加和諧共存。而據我們所知，對FBE結構進行改進的相關研究有限，本文主要集中在對FBE結構的改進研究上，以達到在未授權頻段上LTE與WIFI和諧共存的目的。

1 FBE結構和潛在問題

FBE結構是在節點傳輸數據之前，先進行信道偵聽，在CCA檢測時間內，若信道空閑，則立即發送數據，在最大占據時間用完或者數據發送完畢，則釋放信道資源，并且預留一個持續時間至少為數據傳輸時間5%的理想空閑時間以便其他設備接入信道以及執行CCA檢測；若信道忙碌，則不進行數據傳輸，等待下一固定幀結構繼續執行CCA檢測；若信道空閑，則發送數據，否則，繼續等待下一固定幀結構，如此往復。一種典型的FBE結構示例如圖1所示。

圖1 典型的FBE結構

WIFI的傳輸過程是節點發送數據之前，先進行信道偵聽，如果信道空閑且持續一個分布式協調幀間間隔(DIFS)時間，則立即接入信道并發送數據；如果信道忙碌，則一直保持偵聽信道狀態，直至信道空閑且空閑時間持續一個DIFS，同時在發送數據之前，需要進行一個二進制的指數退避過程，也就是CSMA/CA；另外，同一個節點在連續幀傳輸之間，也需要進行二進制指數退避過程。基本的CSMA/CA流程如圖2所示。

當采用FBE結構進行信道偵聽的LTE-U節點與采用CSMA/CA機制進行信道偵聽的WIFI節點競爭同一信道資源時，由于FBE結構中幀結構相對固定以及探測信道機會少且探測位置在幀結構中相對固定，會出現以下問題：

如圖3所示，在LTE-U 進行連續傳輸時，WIFI節點的退避計數器只能在FBE結構的理想空閑時間段內進行退避計數器的遞減，從而導致WIFI節點接入信道機會過少。

圖3 LTE-U節點與WIFI節點競爭信道

如圖4和圖5所示，在熱點地區，不同運營商之間可能存在共享同一未授權頻譜的情況，當一個運營商的LTE-U節點接入信道且一直進行數據業務傳輸的時候，那么其他運營商的LTE-U節點偵聽信道時總是反饋信道忙碌的信息，也會導致阻塞，無法接入信道，無論運營商之間在時序上是同步還是異步。

圖4 同步LTE-U節點(異步CCA)競爭信道

圖5 異步LTE-U節點(異步CCA)競爭信道

2 E-FBE結構

如前文所述，當LTE-U與WIFI共存時，FBE結構會導致WIFI接入信道的機會大大減少；同時不同運營商所部署的LTE-U節點共存時， FBE結構會導致只有一個運營商可以接入信道進行傳輸；并且本文考慮到WIFI采取的CSMA/CA機制已經十分成熟，無法做出進一步地改進，因此，針對FBE結構，本文提出一種改進結構，即E-FBE結構，如圖6所示。

圖6 一種E-FBE結構

E-FBE結構最大的特點就是引入了隨機退避機制來進行信道偵聽以及接入，且數據發送之前始終需要執行隨機退避過程，其具體執行步驟如下：

(1) LTE-U節點需要進行傳輸時，首先在[1,q]中隨機選取數N存入退避計數器，q的取值范圍由運營商決定，本文中q的范圍為[4,32]。

(2) 節點進行信道偵聽，持續時間為不小于20 us，稱為初始CCA(ICCA)，如果信道空閑，則轉入步驟(3)，否則，節點保持偵聽信道狀態，直到這一步驟完成。

(3) 檢測退避計數器是否為0，如果為0，則節點立即接入信道進行傳輸，接入信道的時長保持原來FBE的設計，可在1 ms到10 ms中選擇，傳輸結束后的理想空白時間也保持原來FBE的設計，至少為傳輸時長的5%，包括一個初始CCA。如果計數器不為0，則轉入步驟(4)。

(4) 節點繼續進行信道偵聽，持續時間為一個擴展CCA(ECCA)，本文選取為20 us，如果成功，則退避計數器減1，然后檢測退避計數器是否為0，如果為0，則轉入步驟(3)，否則，繼續進行信道偵聽；如果ECCA失敗，則凍結退避計數器，返回步驟(2)。

為了明確地表示E-FBE結構的執行流程，其基本判定流程如圖7所示。

圖7 E-FBE結構的判定流程

當LTE-U和WIFI共存且均有傳輸需求時，WIFI節點采用CSMA/CA機制進行信道偵聽，如果信道空閑，則立即接入進行傳輸，傳輸完畢或者最大占據時長用完時，釋放信道資源；如果還需要進行傳輸，則需要執行二進制指數退避過程，即在競爭窗口中隨機生成一個隨機數，當偵測到信道空閑時，隨機數減1，直到隨機數減為0時，繼續接入信道進行傳輸；而LTE-U節點在偵聽信道時，無論信道空閑與否，均需要依據E-FBE結構，在數據傳輸之前執行隨機退避過程，即在競爭窗口中隨機生成一個隨機數，當偵測到信道空閑時，隨機數減1，直到隨機數減為0時，接入信道進行傳輸；這樣就可以避免當WIFI節點和LTE-U節點都偵測到信道空閑時同時接入信道而產生碰撞的情況。值得說明的一點是，CSMA/CA機制和E-FBE結構的競爭窗口大小是不同的，且CSMA/CA機制的競爭窗口在產生碰撞后會依據二進制指數規則進行增大，而E-FBE結構的競爭窗口則由運營商決定，與碰撞與否無關。

當不同運營商的LTE-U節點競爭信道資源時，由于都依據E-FBE結構在發送數據業務之前執行隨機退避過程，而且隨機數N是在不同運營商所設置的競爭窗口中隨機選擇，所以節點同時接入信道的概率非常小，從而解決了不同運營商LTE-U節點之間產生碰撞的問題。

此E-FBE結構在數據發送前始終執行隨機退避過程，一方面可以讓WIFI有更多機會接入信道，避免了共存時LTE壓制WIFI性能的情況；另一方面也解決了不同運營商LTE-U節點共存時產生大量碰撞的情況；同時其傳輸時間和理想空白時間保持原來的設計，也兼顧了FBE結構易與LTE幀結構融合優點。

3 系統模型

為了估計E-FBE結構的性能，本文改進了文獻[12]中關于LTE-U與WIFI共存時吞吐量計算的模型。改進的模型利用提出的E-FBE結構，克服了原有模型無法決定在某一時刻是WIFI還是LTE-U接入信道的缺陷，同時也更加精確地計算兩者共存時的吞吐量。

3.1 共存場景

在一個給定的區域內，WIFI接入節點和LTE-U小功率基站分別獨立均勻分布，密度分別為λwifi和λlte，統稱為低功率節點。用Φ表示所有的低功率節點集合，那么t時刻，在同一信道上進行傳輸的低功率節點集合可以表示為Φ(t)={Φlte(t),Φwifi(t)}，其中Φlte(t)表示LTE-U節點，Φwifi(t)表示WIFI節點。

(1)

由此可以計算位于D處的用戶在時間t時的瞬時信干燥比(SINR)是：

(2)

其中，N0是周圍環境噪聲，∑Z∈Φ(t)AP(D,Z)信道其他傳輸節點在D處產生的累計干擾。

3.2 判決機制

在t時刻，同一信道上傳輸的低功率節點集合Φ(t)是計算瞬時信干燥比(SINR)最基本條件，其推導過程如下：

(3)

其中t-是時刻t之前的區間[0,t),Twifi是節點的退避計數器。

(4)

其中Tlte是節點的退避計數器。此判決機制可以保證在節點的競爭區域內，偵聽機制將會把信道接入機會授予隨機退避完成的節點，而且在競爭區域內，如果有其他節點正在傳輸數據業務，那么此節點將不會接入信道進行傳輸。

3.3 吞吐量計算

假設每一個低功率節點上至少連接有一個用戶，節點上連接的每個用戶都有相同的傳輸機會，本文依據香農公式來計算用戶的吞吐量，考慮用戶與相連節點之間的距離r，那么低功率節點的瞬時吞吐量為：

Tr(r)=ηEr(Blog(1+SINR(r)))

(5)

其中η是低功率節點的物理層和MAC層的開銷。

為了精確計算低功率節點的吞吐量，本文在改進的模型中引入了用戶與相連節點之間距離r的概率密度分布函數，依據文獻[13]所定義，距離r的概率密度分布函數為：

f(r)=2πrλe-λπr2

(6)

其中λ是低功率節點的密度。

基于以上分析，可以推導出一個低功率節點的平均吞吐量為：

(7)

本文研究的內容集中在未授權頻段，不考慮LTE在授權頻段的通信，并且未授權頻段的通信只用于下行流量卸載；為了利于對比，WIFI的數據業務也只考慮下行流量卸載。此外，本文假設所有的低功率節點同時競爭同一信道資源。

4 仿 真

本文采用MATLAB作為仿真平臺，主要進行室內仿真，場景是文獻[7]中所規定的室內仿真場景，如圖8所示。

圖8 室內仿真場景

假設所有的低功率節點在共存場景中均勻分布，即λwifi=λlte；假定WIFI和LTE-U的物理層速率均為11 Mbps，WIFI采用802.11b標準，競爭窗口的初始區間為[0,32]，窗口最大值為1 024；每個物理幀傳輸時間固定為50個時隙，時隙長度為20 us。LTE-U采用的E-FBE結構的競爭窗口區間依據文獻[8]設置為[1,q]，q的范圍是[4,32]，假如數據傳輸占用時長為1 ms。同時假設所有發送節點始終處于飽和狀態，即發包隊列中一直不為空，仿真持續時間是1 s，其他關鍵參數依據文獻[7,14]中最新仿真參數設計，如表1所示。

表1 仿真參數

本文設定三種仿真方案：

(1) 運營商A鋪設WIFI網絡，運營商B同樣鋪設WIFI網絡，這種情況作為基本對比標準；

(2) 運營商A鋪設WIFI網絡，運營商B將WIFI替換成LTE-U網絡，其中LTE-U先后分別采取FBE結構和E-FBE結構；

(3) 運營商A鋪設LTE-U網絡，運營商B同樣鋪設LTE-U網絡，并且兩者同時采用FBE結構或者E-FBE結構。

本文所有模擬的情況中，假定所有節點均競爭同一信道資源，其帶寬為20 MHz。

仿真1模擬了當WIFI和LTE-U的低功率節點總數為12時的共存方案，定性地反映FBE結構存在的問題以及E-FBE結構解決問題的有效性，結果如圖9所示。

圖9 低功率節點總數為12時共存方案的吞吐量

在WIFI和LTE-U共存場景下，從圖9中3和4可以看出，采用FBE結構的LTE-U壓制了WIFI的吞吐量；而5和6則表明采用了E-FBE結構的LTE-U在共存場景中可以讓WIFI獲取與之幾乎相等的吞吐量；從7和8可得，在不同運營商部署的采用FBE結構的LTE-U共存場景下，只有一個運營商的LTE-U節點可以傳輸，而9和10則反映出采用了E-FBE結構的LTE-U，不同運營商獲得了幾乎相等的吞吐量，實現了和諧共存。導致以上結果的原因在于FBE結構有相對固定的幀結構，且每幀只有一次偵聽信道的機會，信道忙碌，則等待下一幀，信道空閑，則立即接入；而E-FBE結構執行與CSMA/CA類似的隨機退避機制，節點在信道忙碌的時候一直保持偵聽狀態，直到信道空閑進行遞減隨機退避計數器，當計數器為零時，則接入信道進行傳輸，在避免碰撞的同時也讓出更多機會給其他節點進行接入信道。

為了進一步驗證E-FBE結構的性能，本文將參與競爭信道資源的低功率節點數作為變量，仿真2模擬了低功率節點數各自同時從2增加到10時，運營商A部署的LTE-U與運營商B的部署的WIFI共存的方案，其中LTE-U分別同時采用FBE結構或E-FBE結構，結果如圖10所示。

圖10 WIFI和LTE-U共存場景中低功率節點數變化的吞吐量

從圖10中可以得出，隨著低功率節點數的增加，采用FBE結構的LTE-U與WIFI共存時，LTE-U還是會壓制WIFI的吞吐量；而采用E-FBE結構的LTE-U與WIFI共存時，節點數的變化也不會引起LTE-U壓制WIFI吞吐量，且二者共存時獲得的吞吐量差別不大。原因在于FBE結構不需要進行隨機退避，信道一旦空閑就會立即接入，而E-FBE結構會執行與CSMA/CA類似的隨機退避機制，讓出更多機會讓其他節點接入信道，所提出的E-FBE結構可以有效地解決LTE與WIFI無法和諧共存的問題。

仿真3模擬了低功率節點數各自同時從2增加到10時，運營商A部署的LTE-U與運營商B的部署的LTE-U共存的方案，其中LTE-U分別同時采用FBE結構或E-FBE結構，結果如圖11所示。

圖11 LTE-U和LTE-U共存場景中低功率節點數變化的吞吐量

由圖11可以看出，當LTE-U采用FBE結構時，運營商B的LTE-U小功率基站被完全阻塞，無法接入信道，而運營商A的LTE-U小功率基站則一直保持傳輸；但是當它們采用E-FBE結構時，運營商A的LTE-U和運營商B的LTE-U可以獲得幾乎相等的吞吐量，實現和諧共存，究其原因還是因為FBE結構不進行隨機退避，信道一旦空閑，則立即接入進行傳輸，而E-FBE結構進行隨機退避，信道空閑則進行退避計數器的遞減，信道接入機會被多個節點公平競爭。

此外，為了探究信道利用率，本文也研究了在所有共存方案中，運營商所部署的低功率節點數各自同時從2增加到10時，系統總的吞吐量的變化情況，結果如圖12所示。

圖12 低功率節點數變化時共存方案的總吞吐量

圖12表示，隨著低功率節點數的增加，不同運營商部署的LTE-U采用FBE結構共存時，總的吞吐量保持不變，這是由于FBE不進行隨機退避，一旦接入信道，就一直保持傳輸，阻塞其他小功率基站進行接入；其他共存方案中，總的吞吐量隨著低功率節點數的增加而下降，這是因為節點數的增加導致信道競爭越來越激烈，更多的時間被隨機退避所占據，所以信道利用率減小，總的吞吐量下降。另外，WIFI和LTE-U共存方案中總的吞吐量比WIFI和WIFI共存方案中總的吞吐量要大，信道利用率高，原因在于E-FBE的競爭窗口比CSMA/CA的競爭窗口小，信道處于節點隨機退避階段的時間小，從而證明E-FBE結構利于LTE-U與WIFI和諧共存。

5 結 語

本文提出了一種增強LBT策略，在原有FBE結構中引入隨機退避過程，在信道空閑時進行退避計數器的遞減，將信道接入機會讓給其他接入節點；此外，為了計算LTE-U和WIFI共存方案中的兩種接入技術的吞吐量，本文也提出了一個應用E-FBE結構的改進模型，可以保證在共存方案中信道接入機會更加準確地分配給最需要傳輸的節點。仿真結果表明E-FBE結構可以解決WIFI和LTE-U共存時WIFI吞吐量被壓制以及不同LTE-U共存時只有一個運營商的LTE-U可以接入信道的問題，為LTE-U公平地使用未授權頻段提供了一種解決方法。

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RESEARCH ON LTE USING UNLICENSED FREQUENCY BAND

Hu Hengheng Zhou Bin Zheng Min Yu Kai

(ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademySciences,Shanghai200050,China)

The introduction of LTE technology into the unlicensed band is one of the methods to solve the spectrum resource constraints of cellular systems. Describe the coexistence challenges that LTE introduces into unlicensed bands. In this paper, an enhanced FBE (E-FBE) structure is proposed for the LTE with FBE structure in LBT strategy to achieve the coexistence of fewer interception channel opportunities and fixed listening position. The structure introduces a random backoff procedure that allows LTE to listen for channels more flexibly based on the channel state. The simulation results show that, when WIFI and LTE coexist, this structure can solve the problem of LTE suppressed throughput and realize harmonious coexistence.

LTE Unlicensed band WIFI LBT FBE

2016-05-11。中國科學院戰略性先導科技專項(A類)(XDA0611100);上海市自然科學基金(13ZR1440700)。胡恒恒，碩士生，主研領域：寬帶無線通信，5G網絡中多制式接入技術融合。周斌，副研究員。鄭敏，研究員。俞凱，研究員。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.06.025