LTE使用未授權(quán)頻段的方法研究

胡恒恒 周 斌 鄭 敏 俞 凱

(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050)

LTE使用未授權(quán)頻段的方法研究

胡恒恒 周 斌 鄭 敏 俞 凱

(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050)

將LTE技術(shù)引入到未授權(quán)頻段是解決蜂窩系統(tǒng)頻譜資源緊張的方法之一。首先闡述LTE引入到未授權(quán)頻段所存在的共存挑戰(zhàn)，針對(duì)LTE利用LBT策略中的FBE結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)共存所存在的偵聽信道機(jī)會(huì)少且偵聽位置固定的缺陷，提出一種增強(qiáng)型FBE(E-FBE)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)引入隨機(jī)退避過程，可以讓LTE依據(jù)信道狀態(tài)更加靈活地偵聽信道。仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)可以解決WIFI在與LTE共存時(shí)被LTE壓制吞吐量的問題，實(shí)現(xiàn)和諧共存。

LTE 未授權(quán)頻段 WIFI LBT FBE

0 引 言

隨著蜂窩數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求以及接入網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備的不斷增長(zhǎng)，移動(dòng)通信流量會(huì)更快地呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，到2020年，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可能面臨著通信量增長(zhǎng)10倍的挑戰(zhàn)[1]。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，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(tǒng)共享頻譜資源成為了解決途徑之一。未授權(quán)頻段的LTE(LTE-U)通過將授權(quán)頻段的LTE技術(shù)引入到未授權(quán)頻段來增加系統(tǒng)的可用頻譜資源，提高系統(tǒng)性能以及系統(tǒng)容量。目前可以共享的未授權(quán)頻段包括2.4 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段(ISM band)和5 GHz U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)頻段，而在現(xiàn)有頻段上，已經(jīng)存在一些成熟的接入技術(shù)，如WIFI、藍(lán)牙、雷達(dá)，D2D(Device-to-Device)等，其中最主要的是WIFI接入技術(shù)。LTE使用未授權(quán)頻段除了要滿足不同國家和地區(qū)對(duì)于未授權(quán)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(shù)以及正交頻分多址OFDM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)最大化頻譜利用率和最優(yōu)化用戶體驗(yàn)，使用信道資源時(shí)，不需要進(jìn)行信道偵聽；而WIFI在多址接入控制MAC層采用了分布式協(xié)同控制DFC協(xié)議來實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)共享頻帶，DFC協(xié)議采用了避免沖突載波偵聽多址接入技術(shù)(CSMA/CA)，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)前需要進(jìn)行信道偵聽來競(jìng)爭(zhēng)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(shù)。文獻(xiàn)[3]研究結(jié)果表明，當(dāng)LTE和WIFI使用相同信道時(shí)，由于LTE不需要進(jìn)行信道偵聽，因此會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占據(jù)信道，使得WIFI一直保持在偵聽狀態(tài)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(quán)頻段上實(shí)現(xiàn)和諧共存，同時(shí)保證WIFI性能是一個(gè)值得研究的問題。

文獻(xiàn)[4]利用ABS(Almost Blank Sub-frame)在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)LTE-U和WIFI的信道共享，依據(jù)LTE-U網(wǎng)絡(luò)流量的變化來動(dòng)態(tài)釋放空白幀資源給WIFI使用，保證WIFI在共存時(shí)的性能；文獻(xiàn)[5]依據(jù)對(duì)干擾的測(cè)量，在傳統(tǒng)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(jī)會(huì)接入信道；文獻(xiàn)[6]考慮了3GPP提出的共存分析方法[7]，給LTE-U增加了授權(quán)頻段輔助接入LAA(Licensed-Assisted Access)和先聽后說LBT機(jī)制，用戶利用LTE系統(tǒng)中載波聚合技術(shù)同時(shí)連接授權(quán)頻段和未授權(quán)頻段，授權(quán)頻段上的LTE進(jìn)行控制信令的傳輸，而未授權(quán)頻段上的LTE引入LBT策略來進(jìn)行信道競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)成功后進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，結(jié)果表明，LBT策略利于LTE在未授權(quán)頻段上與WIFI共存。

3GPP提議在未授權(quán)頻段上的LTE使用LBT機(jī)制來保證與WIFI公平競(jìng)爭(zhēng)信道資源，而文獻(xiàn)[8]中規(guī)定了未授權(quán)頻段上設(shè)備接入的兩種偵聽結(jié)構(gòu)，即FBE(Frame based equipment)和LBE(Load based equipment)。FBE結(jié)構(gòu)固定幀結(jié)構(gòu)，利于與LTE的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合以及頻率復(fù)用，但是由于在固定位置進(jìn)行信道偵聽且每幀只有一次機(jī)會(huì)，所以接入信道機(jī)會(huì)少；LBE結(jié)構(gòu)可以依據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載進(jìn)行靈活的接入信道并且調(diào)整傳輸時(shí)間，但是與LTE幀結(jié)構(gòu)融合時(shí)難以確定在幀結(jié)構(gòu)中的起始位置，增加了用戶盲檢測(cè)的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[9]針對(duì)LBE結(jié)構(gòu)，利用業(yè)務(wù)QoS要求和節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)負(fù)載情況對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口CW進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整來靈活協(xié)調(diào)LTE和WIFI之間的傳輸機(jī)會(huì)；文獻(xiàn)[10]同樣針對(duì)LBE結(jié)構(gòu)，將偵聽信道閾值依據(jù)干擾進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整來給予WIFI更多傳輸機(jī)會(huì)。文獻(xiàn)[11]在LBE結(jié)構(gòu)中加入了一些額外延時(shí)模塊，使得LTE可以和WIFI更加和諧共存。而據(jù)我們所知，對(duì)FBE結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的相關(guān)研究有限，本文主要集中在對(duì)FBE結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究上，以達(dá)到在未授權(quán)頻段上LTE與WIFI和諧共存的目的。

1 FBE結(jié)構(gòu)和潛在問題

FBE結(jié)構(gòu)是在節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)之前，先進(jìn)行信道偵聽，在CCA檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，若信道空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)，在最大占據(jù)時(shí)間用完或者數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，則釋放信道資源，并且預(yù)留一個(gè)持續(xù)時(shí)間至少為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間5%的理想空閑時(shí)間以便其他設(shè)備接入信道以及執(zhí)行CCA檢測(cè)；若信道忙碌，則不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，等待下一固定幀結(jié)構(gòu)繼續(xù)執(zhí)行CCA檢測(cè)；若信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，繼續(xù)等待下一固定幀結(jié)構(gòu)，如此往復(fù)。一種典型的FBE結(jié)構(gòu)示例如圖1所示。

圖1 典型的FBE結(jié)構(gòu)

WIFI的傳輸過程是節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先進(jìn)行信道偵聽，如果信道空閑且持續(xù)一個(gè)分布式協(xié)調(diào)幀間間隔(DIFS)時(shí)間，則立即接入信道并發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙碌，則一直保持偵聽信道狀態(tài)，直至信道空閑且空閑時(shí)間持續(xù)一個(gè)DIFS，同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要進(jìn)行一個(gè)二進(jìn)制的指數(shù)退避過程，也就是CSMA/CA；另外，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)在連續(xù)幀傳輸之間，也需要進(jìn)行二進(jìn)制指數(shù)退避過程。基本的CSMA/CA流程如圖2所示。

當(dāng)采用FBE結(jié)構(gòu)進(jìn)行信道偵聽的LTE-U節(jié)點(diǎn)與采用CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行信道偵聽的WIFI節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)同一信道資源時(shí)，由于FBE結(jié)構(gòu)中幀結(jié)構(gòu)相對(duì)固定以及探測(cè)信道機(jī)會(huì)少且探測(cè)位置在幀結(jié)構(gòu)中相對(duì)固定，會(huì)出現(xiàn)以下問題：

如圖3所示，在LTE-U 進(jìn)行連續(xù)傳輸時(shí)，WIFI節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)器只能在FBE結(jié)構(gòu)的理想空閑時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行退避計(jì)數(shù)器的遞減，從而導(dǎo)致WIFI節(jié)點(diǎn)接入信道機(jī)會(huì)過少。

圖3 LTE-U節(jié)點(diǎn)與WIFI節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道

如圖4和圖5所示，在熱點(diǎn)地區(qū)，不同運(yùn)營商之間可能存在共享同一未授權(quán)頻譜的情況，當(dāng)一個(gè)運(yùn)營商的LTE-U節(jié)點(diǎn)接入信道且一直進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)候，那么其他運(yùn)營商的LTE-U節(jié)點(diǎn)偵聽信道時(shí)總是反饋信道忙碌的信息，也會(huì)導(dǎo)致阻塞，無法接入信道，無論運(yùn)營商之間在時(shí)序上是同步還是異步。

圖4 同步LTE-U節(jié)點(diǎn)(異步CCA)競(jìng)爭(zhēng)信道

圖5 異步LTE-U節(jié)點(diǎn)(異步CCA)競(jìng)爭(zhēng)信道

2 E-FBE結(jié)構(gòu)

如前文所述，當(dāng)LTE-U與WIFI共存時(shí)，F(xiàn)BE結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致WIFI接入信道的機(jī)會(huì)大大減少；同時(shí)不同運(yùn)營商所部署的LTE-U節(jié)點(diǎn)共存時(shí)， FBE結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致只有一個(gè)運(yùn)營商可以接入信道進(jìn)行傳輸；并且本文考慮到WIFI采取的CSMA/CA機(jī)制已經(jīng)十分成熟，無法做出進(jìn)一步地改進(jìn)，因此，針對(duì)FBE結(jié)構(gòu)，本文提出一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，即E-FBE結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 一種E-FBE結(jié)構(gòu)

E-FBE結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是引入了隨機(jī)退避機(jī)制來進(jìn)行信道偵聽以及接入，且數(shù)據(jù)發(fā)送之前始終需要執(zhí)行隨機(jī)退避過程，其具體執(zhí)行步驟如下：

(1) LTE-U節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行傳輸時(shí)，首先在[1,q]中隨機(jī)選取數(shù)N存入退避計(jì)數(shù)器，q的取值范圍由運(yùn)營商決定，本文中q的范圍為[4,32]。

(2) 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道偵聽，持續(xù)時(shí)間為不小于20 us，稱為初始CCA(ICCA)，如果信道空閑，則轉(zhuǎn)入步驟(3)，否則，節(jié)點(diǎn)保持偵聽信道狀態(tài)，直到這一步驟完成。

(3) 檢測(cè)退避計(jì)數(shù)器是否為0，如果為0，則節(jié)點(diǎn)立即接入信道進(jìn)行傳輸，接入信道的時(shí)長(zhǎng)保持原來FBE的設(shè)計(jì)，可在1 ms到10 ms中選擇，傳輸結(jié)束后的理想空白時(shí)間也保持原來FBE的設(shè)計(jì)，至少為傳輸時(shí)長(zhǎng)的5%，包括一個(gè)初始CCA。如果計(jì)數(shù)器不為0，則轉(zhuǎn)入步驟(4)。

(4) 節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行信道偵聽，持續(xù)時(shí)間為一個(gè)擴(kuò)展CCA(ECCA)，本文選取為20 us，如果成功，則退避計(jì)數(shù)器減1，然后檢測(cè)退避計(jì)數(shù)器是否為0，如果為0，則轉(zhuǎn)入步驟(3)，否則，繼續(xù)進(jìn)行信道偵聽；如果ECCA失敗，則凍結(jié)退避計(jì)數(shù)器，返回步驟(2)。

為了明確地表示E-FBE結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程，其基本判定流程如圖7所示。

圖7 E-FBE結(jié)構(gòu)的判定流程

當(dāng)LTE-U和WIFI共存且均有傳輸需求時(shí)，WIFI節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行信道偵聽，如果信道空閑，則立即接入進(jìn)行傳輸，傳輸完畢或者最大占據(jù)時(shí)長(zhǎng)用完時(shí)，釋放信道資源；如果還需要進(jìn)行傳輸，則需要執(zhí)行二進(jìn)制指數(shù)退避過程，即在競(jìng)爭(zhēng)窗口中隨機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，當(dāng)偵測(cè)到信道空閑時(shí)，隨機(jī)數(shù)減1，直到隨機(jī)數(shù)減為0時(shí)，繼續(xù)接入信道進(jìn)行傳輸；而LTE-U節(jié)點(diǎn)在偵聽信道時(shí)，無論信道空閑與否，均需要依據(jù)E-FBE結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)傳輸之前執(zhí)行隨機(jī)退避過程，即在競(jìng)爭(zhēng)窗口中隨機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，當(dāng)偵測(cè)到信道空閑時(shí)，隨機(jī)數(shù)減1，直到隨機(jī)數(shù)減為0時(shí)，接入信道進(jìn)行傳輸；這樣就可以避免當(dāng)WIFI節(jié)點(diǎn)和LTE-U節(jié)點(diǎn)都偵測(cè)到信道空閑時(shí)同時(shí)接入信道而產(chǎn)生碰撞的情況。值得說明的一點(diǎn)是，CSMA/CA機(jī)制和E-FBE結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)窗口大小是不同的，且CSMA/CA機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)窗口在產(chǎn)生碰撞后會(huì)依據(jù)二進(jìn)制指數(shù)規(guī)則進(jìn)行增大，而E-FBE結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)窗口則由運(yùn)營商決定，與碰撞與否無關(guān)。

當(dāng)不同運(yùn)營商的LTE-U節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道資源時(shí)，由于都依據(jù)E-FBE結(jié)構(gòu)在發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之前執(zhí)行隨機(jī)退避過程，而且隨機(jī)數(shù)N是在不同運(yùn)營商所設(shè)置的競(jìng)爭(zhēng)窗口中隨機(jī)選擇，所以節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入信道的概率非常小，從而解決了不同運(yùn)營商LTE-U節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生碰撞的問題。

此E-FBE結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)發(fā)送前始終執(zhí)行隨機(jī)退避過程，一方面可以讓W(xué)IFI有更多機(jī)會(huì)接入信道，避免了共存時(shí)LTE壓制WIFI性能的情況；另一方面也解決了不同運(yùn)營商LTE-U節(jié)點(diǎn)共存時(shí)產(chǎn)生大量碰撞的情況；同時(shí)其傳輸時(shí)間和理想空白時(shí)間保持原來的設(shè)計(jì)，也兼顧了FBE結(jié)構(gòu)易與LTE幀結(jié)構(gòu)融合優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)模型

為了估計(jì)E-FBE結(jié)構(gòu)的性能，本文改進(jìn)了文獻(xiàn)[12]中關(guān)于LTE-U與WIFI共存時(shí)吞吐量計(jì)算的模型。改進(jìn)的模型利用提出的E-FBE結(jié)構(gòu)，克服了原有模型無法決定在某一時(shí)刻是WIFI還是LTE-U接入信道的缺陷，同時(shí)也更加精確地計(jì)算兩者共存時(shí)的吞吐量。

3.1 共存場(chǎng)景

在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)，WIFI接入節(jié)點(diǎn)和LTE-U小功率基站分別獨(dú)立均勻分布，密度分別為λwifi和λlte，統(tǒng)稱為低功率節(jié)點(diǎn)。用Φ表示所有的低功率節(jié)點(diǎn)集合，那么t時(shí)刻，在同一信道上進(jìn)行傳輸?shù)牡凸β使?jié)點(diǎn)集合可以表示為Φ(t)={Φlte(t),Φwifi(t)}，其中Φlte(t)表示LTE-U節(jié)點(diǎn)，Φwifi(t)表示W(wǎng)IFI節(jié)點(diǎn)。

(1)

由此可以計(jì)算位于D處的用戶在時(shí)間t時(shí)的瞬時(shí)信干燥比(SINR)是：

(2)

其中，N0是周圍環(huán)境噪聲，∑Z∈Φ(t)AP(D,Z)信道其他傳輸節(jié)點(diǎn)在D處產(chǎn)生的累計(jì)干擾。

3.2 判決機(jī)制

在t時(shí)刻，同一信道上傳輸?shù)牡凸β使?jié)點(diǎn)集合Φ(t)是計(jì)算瞬時(shí)信干燥比(SINR)最基本條件，其推導(dǎo)過程如下：

(3)

其中t-是時(shí)刻t之前的區(qū)間[0,t),Twifi是節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)器。

(4)

其中Tlte是節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)數(shù)器。此判決機(jī)制可以保證在節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域內(nèi)，偵聽機(jī)制將會(huì)把信道接入機(jī)會(huì)授予隨機(jī)退避完成的節(jié)點(diǎn)，而且在競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域內(nèi)，如果有其他節(jié)點(diǎn)正在傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，那么此節(jié)點(diǎn)將不會(huì)接入信道進(jìn)行傳輸。

3.3 吞吐量計(jì)算

假設(shè)每一個(gè)低功率節(jié)點(diǎn)上至少連接有一個(gè)用戶，節(jié)點(diǎn)上連接的每個(gè)用戶都有相同的傳輸機(jī)會(huì)，本文依據(jù)香農(nóng)公式來計(jì)算用戶的吞吐量，考慮用戶與相連節(jié)點(diǎn)之間的距離r，那么低功率節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)吞吐量為：

Tr(r)=ηEr(Blog(1+SINR(r)))

(5)

其中η是低功率節(jié)點(diǎn)的物理層和MAC層的開銷。

為了精確計(jì)算低功率節(jié)點(diǎn)的吞吐量，本文在改進(jìn)的模型中引入了用戶與相連節(jié)點(diǎn)之間距離r的概率密度分布函數(shù)，依據(jù)文獻(xiàn)[13]所定義，距離r的概率密度分布函數(shù)為：

f(r)=2πrλe-λπr2

(6)

其中λ是低功率節(jié)點(diǎn)的密度。

基于以上分析，可以推導(dǎo)出一個(gè)低功率節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量為：

(7)

本文研究的內(nèi)容集中在未授權(quán)頻段，不考慮LTE在授權(quán)頻段的通信，并且未授權(quán)頻段的通信只用于下行流量卸載；為了利于對(duì)比，WIFI的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也只考慮下行流量卸載。此外，本文假設(shè)所有的低功率節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)同一信道資源。

4 仿 真

本文采用MATLAB作為仿真平臺(tái)，主要進(jìn)行室內(nèi)仿真，場(chǎng)景是文獻(xiàn)[7]中所規(guī)定的室內(nèi)仿真場(chǎng)景，如圖8所示。

圖8 室內(nèi)仿真場(chǎng)景

假設(shè)所有的低功率節(jié)點(diǎn)在共存場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)，競(jìng)爭(zhēng)窗口的初始區(qū)間為[0,32]，窗口最大值為1 024；每個(gè)物理幀傳輸時(shí)間固定為50個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙長(zhǎng)度為20 us。LTE-U采用的E-FBE結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)窗口區(qū)間依據(jù)文獻(xiàn)[8]設(shè)置為[1,q]，q的范圍是[4,32]，假如數(shù)據(jù)傳輸占用時(shí)長(zhǎng)為1 ms。同時(shí)假設(shè)所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)始終處于飽和狀態(tài)，即發(fā)包隊(duì)列中一直不為空，仿真持續(xù)時(shí)間是1 s，其他關(guān)鍵參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[7,14]中最新仿真參數(shù)設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

本文設(shè)定三種仿真方案：

(1) 運(yùn)營商A鋪設(shè)WIFI網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商B同樣鋪設(shè)WIFI網(wǎng)絡(luò)，這種情況作為基本對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)；

(2) 運(yùn)營商A鋪設(shè)WIFI網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商B將WIFI替換成LTE-U網(wǎng)絡(luò)，其中LTE-U先后分別采取FBE結(jié)構(gòu)和E-FBE結(jié)構(gòu)；

(3) 運(yùn)營商A鋪設(shè)LTE-U網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商B同樣鋪設(shè)LTE-U網(wǎng)絡(luò)，并且兩者同時(shí)采用FBE結(jié)構(gòu)或者E-FBE結(jié)構(gòu)。

本文所有模擬的情況中，假定所有節(jié)點(diǎn)均競(jìng)爭(zhēng)同一信道資源，其帶寬為20 MHz。

仿真1模擬了當(dāng)WIFI和LTE-U的低功率節(jié)點(diǎn)總數(shù)為12時(shí)的共存方案，定性地反映FBE結(jié)構(gòu)存在的問題以及E-FBE結(jié)構(gòu)解決問題的有效性，結(jié)果如圖9所示。

圖9 低功率節(jié)點(diǎn)總數(shù)為12時(shí)共存方案的吞吐量

在WIFI和LTE-U共存場(chǎng)景下，從圖9中3和4可以看出，采用FBE結(jié)構(gòu)的LTE-U壓制了WIFI的吞吐量；而5和6則表明采用了E-FBE結(jié)構(gòu)的LTE-U在共存場(chǎng)景中可以讓W(xué)IFI獲取與之幾乎相等的吞吐量；從7和8可得，在不同運(yùn)營商部署的采用FBE結(jié)構(gòu)的LTE-U共存場(chǎng)景下，只有一個(gè)運(yùn)營商的LTE-U節(jié)點(diǎn)可以傳輸，而9和10則反映出采用了E-FBE結(jié)構(gòu)的LTE-U，不同運(yùn)營商獲得了幾乎相等的吞吐量，實(shí)現(xiàn)了和諧共存。導(dǎo)致以上結(jié)果的原因在于FBE結(jié)構(gòu)有相對(duì)固定的幀結(jié)構(gòu)，且每幀只有一次偵聽信道的機(jī)會(huì)，信道忙碌，則等待下一幀，信道空閑，則立即接入；而E-FBE結(jié)構(gòu)執(zhí)行與CSMA/CA類似的隨機(jī)退避機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在信道忙碌的時(shí)候一直保持偵聽狀態(tài)，直到信道空閑進(jìn)行遞減隨機(jī)退避計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器為零時(shí)，則接入信道進(jìn)行傳輸，在避免碰撞的同時(shí)也讓出更多機(jī)會(huì)給其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接入信道。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證E-FBE結(jié)構(gòu)的性能，本文將參與競(jìng)爭(zhēng)信道資源的低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)作為變量，仿真2模擬了低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)各自同時(shí)從2增加到10時(shí)，運(yùn)營商A部署的LTE-U與運(yùn)營商B的部署的WIFI共存的方案，其中LTE-U分別同時(shí)采用FBE結(jié)構(gòu)或E-FBE結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 WIFI和LTE-U共存場(chǎng)景中低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)變化的吞吐量

從圖10中可以得出，隨著低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，采用FBE結(jié)構(gòu)的LTE-U與WIFI共存時(shí)，LTE-U還是會(huì)壓制WIFI的吞吐量；而采用E-FBE結(jié)構(gòu)的LTE-U與WIFI共存時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化也不會(huì)引起LTE-U壓制WIFI吞吐量，且二者共存時(shí)獲得的吞吐量差別不大。原因在于FBE結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行隨機(jī)退避，信道一旦空閑就會(huì)立即接入，而E-FBE結(jié)構(gòu)會(huì)執(zhí)行與CSMA/CA類似的隨機(jī)退避機(jī)制，讓出更多機(jī)會(huì)讓其他節(jié)點(diǎn)接入信道，所提出的E-FBE結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)數(shù)各自同時(shí)從2增加到10時(shí)，運(yùn)營商A部署的LTE-U與運(yùn)營商B的部署的LTE-U共存的方案，其中LTE-U分別同時(shí)采用FBE結(jié)構(gòu)或E-FBE結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 LTE-U和LTE-U共存場(chǎng)景中低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)變化的吞吐量

由圖11可以看出，當(dāng)LTE-U采用FBE結(jié)構(gòu)時(shí)，運(yùn)營商B的LTE-U小功率基站被完全阻塞，無法接入信道，而運(yùn)營商A的LTE-U小功率基站則一直保持傳輸；但是當(dāng)它們采用E-FBE結(jié)構(gòu)時(shí)，運(yùn)營商A的LTE-U和運(yùn)營商B的LTE-U可以獲得幾乎相等的吞吐量，實(shí)現(xiàn)和諧共存，究其原因還是因?yàn)镕BE結(jié)構(gòu)不進(jìn)行隨機(jī)退避，信道一旦空閑，則立即接入進(jìn)行傳輸，而E-FBE結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)退避，信道空閑則進(jìn)行退避計(jì)數(shù)器的遞減，信道接入機(jī)會(huì)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)公平競(jìng)爭(zhēng)。

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(yùn)營商所部署的低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)各自同時(shí)從2增加到10時(shí)，系統(tǒng)總的吞吐量的變化情況，結(jié)果如圖12所示。

圖12 低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)變化時(shí)共存方案的總吞吐量

圖12表示，隨著低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，不同運(yùn)營商部署的LTE-U采用FBE結(jié)構(gòu)共存時(shí)，總的吞吐量保持不變，這是由于FBE不進(jìn)行隨機(jī)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(jìn)行接入；其他共存方案中，總的吞吐量隨著低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而下降，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)的增加導(dǎo)致信道競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，更多的時(shí)間被隨機(jī)退避所占據(jù)，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(jìng)爭(zhēng)窗口比CSMA/CA的競(jìng)爭(zhēng)窗口小，信道處于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避階段的時(shí)間小，從而證明E-FBE結(jié)構(gòu)利于LTE-U與WIFI和諧共存。

5 結(jié) 語

本文提出了一種增強(qiáng)LBT策略，在原有FBE結(jié)構(gòu)中引入隨機(jī)退避過程，在信道空閑時(shí)進(jìn)行退避計(jì)數(shù)器的遞減，將信道接入機(jī)會(huì)讓給其他接入節(jié)點(diǎn)；此外，為了計(jì)算LTE-U和WIFI共存方案中的兩種接入技術(shù)的吞吐量，本文也提出了一個(gè)應(yīng)用E-FBE結(jié)構(gòu)的改進(jìn)模型，可以保證在共存方案中信道接入機(jī)會(huì)更加準(zhǔn)確地分配給最需要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明E-FBE結(jié)構(gòu)可以解決WIFI和LTE-U共存時(shí)WIFI吞吐量被壓制以及不同LTE-U共存時(shí)只有一個(gè)運(yùn)營商的LTE-U可以接入信道的問題，為L(zhǎng)TE-U公平地使用未授權(quán)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(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)(XDA0611100);上海市自然科學(xué)基金(13ZR1440700)。胡恒恒，碩士生，主研領(lǐng)域：寬帶無線通信，5G網(wǎng)絡(luò)中多制式接入技術(shù)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