LTE—U與WiFi的共存方法性能研究

摘 要：LTE-U采用LTE技術，運行于非授權頻段，可用于補充4G移動通信系統的頻譜資源，提供更高的用戶速率。在非授權頻段，LTE-U會干擾現存的WiFi移動通信系統，嚴重時還會影響WiFi系統的正常運行，而CSAT機制可有效解決該問題。本研究提出基于干擾檢測的LTE-U與WiFi共存算法，不增加LTE-U基站硬件功能，采用CSAT機制，基于干擾檢測自適應調整LTE-U基站的開啟時間，降低LTE-U系統對WiFi系統的負面影響，使得LTE-U和WiFi可以在非授權頻段下正常提供服務，并通過仿真驗證該共存算法能保證LTE-U和WiFi系統的性能。

關鍵詞：LTE-U；WiFi；CSAT；共存算法

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0060-04

Abstract：LTE-U adopts LTE technology and runs in unauthorized frequency bands，which can be used to supplement the spectrum resources of 4G mobile communication system and provide higher user rate. In the unauthorized frequency band，LTE-U will interfere with the existing WiFi mobile communication system，which will affect the normal operation of the WiFi system seriously，and the CSAT mechanism can effectively solve the problem. In this paper，a coexistence algorithm of LTE-U and WiFi based on interference detection is proposed，which does not increase the hardware function of LTE-U base station，uses CSAT mechanism，adaptively adjusts the opening time of LTE-U base station based on interference detection，and reduces the negative influence of LTE-U system on the WiFi system，so that LTE-U and WiFi can provide services in unauthorized frequency bands. Simulation results show that the coexistence algorithm can guarantee the performance of LTE-U and WiFi systems.

Keywords：LTE-U；WiFi；CSAT；coexistence algorithm

0 引 言

有限的頻譜資源和呈指數增長的用戶業務需求是目前各移動運營商共同面臨的一大難題，在當前增加授權頻譜受限的情況下，為解決這一難題，移動運營商將目光放到尚未被充分利用的非授權頻譜資源上。

LTE-U（LTE-Unlicensed）是將LTE部署到非授權頻段，在非授權頻段采用LTE技術完成數據傳輸。LTE-U可以有效擴大LTE系統的容量，目前已有很多移動通信設備廠家和運營商都參與到LTE-U技術的研究與開發中。

1 LTE-U與WiFi的CSAT共存機制

在非授權頻段部署LTE-U系統時，需要考慮對非授權頻段現存通信系統的影響，比如，對目前已在非授權頻段內投入使用的WiFi移動通信系統的影響。

WiFi是非授權頻段內一個重要的移動通信網絡，廣泛應用于非授權頻段內，其覆蓋范圍廣，用戶數量多。在非授權頻段引入LTE-U后，LTE-U與WiFi系統共享信道資源。WiFi采用沖突避免信道接入方式CSMA/CA的接入機制，其退避機制會導致一直存在的LTE-U信號嚴重影響WiFi網絡的性能，造成WiFi的吞吐量下降。同時，LTE-U系統具有的QoS保證機制使得其可以正常開展業務，最終使得LTE-U系統可以優先搶占信道，導致其在非授權頻段擠占WiFi的信道資源，并給WiFi系統帶來不可忽視的干擾。

非授權頻段內的移動通信系統共享頻帶資源，為了不影響現存WiFi系統的運行，在LTE-U的部署中需增加LTE-U與WiFi的共存機制，保證在非授權頻段內引入LTE-U后WiFi能夠正常工作。載波感知自適應（Carrier-Sensing Adaptive Transmission，CSAT）機制是解決該問題的一個行之有效的方法。它采用交替開啟/關閉LTE-U非授權頻段載波的方法，使得LTE-U與WiFi時分復用信道，達到公平占用信道的目的[1-3]。另外，在CSAT機制中，可基于對WiFi的監測自適應調整LTE-U占用信道的時間，但需在LTE-U基站中增加WiFi監測功能模塊[4]。CSAT機制可用于沒有先聽后講（listen before talk，LBT）要求的區域，對現有LTE基站的架構改動較小，但為達到較好的性能，需在LTE-U基站中增加WiFi信號監測功能模塊，實現對WiFi信號的檢測解析功能。

CSAT機制的基本原理如圖1所示，在一個定義的周期TCSAT內，LTE-U基站的非授權頻段載波自適應地占用周期內的一段時間TOn進行數據收發，另一段時間TOff則關閉非授權頻段載波，消除對WiFi系統的影響，使得信道由WiFi占用進行數據收發[2，3]。TOn的時間可根據WiFi的檢測結果自適應地進行調整[4]。

2 基于干擾檢測的LTE-U與WiFi共存算法

在非授權頻段部署LTE-U后，為保證WiFi系統的性能，在LTE-U基站引入共存算法。為了降低成本，并復用現有的LTE基站架構，提出基于干擾檢測的LTE-U與WiFi共存算法，LTE-U基站不額外增加硬件模塊，采用CSAT機制交替開啟/關閉非授權頻段載波，并通過干擾檢測及數據處理自適應調整非授權頻段載波的開啟時間。

在基于干擾檢測的LTE-U與WiFi共存算法中，LTE-U基站采用CSAT機制并進行干擾檢測，基于干擾檢測數據的處理結果自適應調整LTE-U基站開始的時間。主要包括：

2.1 干擾檢測

在TOn和TOff時間內分別進行不同的檢測，在TOn期間LTE-U基站指示UE進行非授權載波的信道質量檢測并接收UE上報的檢測報告；TOff期間LTE-U基站偵聽非授權載波頻點上的接收信號強度RSSI。

2.2 數據處理

LTE-U基站對干擾檢測數據進行處理，得到LTE-U基站非授權頻段載波的信道質量以及信道上的WiFi信號強度。

非授權載波的信道質量為UE上報的信道質量測量結果的均值。

非授權載波上WiFi的信號強度，計算方法為：

其中RSSIlisten為LTE-U基站偵聽到的非授權載波頻點的接收信號強度RSSI，RSRP為LTE-U基站通過廣播解析獲取的使用該非授權載波頻點的其他LTE-U基站的RSRP，K為廣播解析的其他LTE-U基站的數目。

2.3 LTE-U基站開啟時間的自適應調整

當LTE-U基站非授權載波信道質量小于預設信道質量門限且WiFi信號強度大于預設RSSI門限二時，減小TOn的值；當LTE-U基站非授權載波信道質量大于等于預設信道質量門限且WiFi信號強度小于預設RSSI門限一時，增大TOn的值；其他情況下不改變TOn的值。預設的信道質量門限、預設的RSSI門限一和二，可根據實際信道質量要求設置。

基于干擾檢測的LTE-U與WiFi共存算法的詳細流程。如圖2所示。

采用基于干擾檢測的LTE-U與WiFi共存算法可以有效實現LTE-U基站與WiFi對共享信道的公平占用。算法復雜度低，實現簡單，且在LTE基站架構基礎上無需增加硬件成本。

該算法中采用的干擾檢測方法簡單有效，在現有的LTE架構上即可實現，且對檢測時間無限制。

3 仿真分析

對基于干擾檢測的LTE-U與WiFi共存算法進行仿真驗證，仿真場景如下圖3所示，分別為LTE-U和WiFi組網場景、WiFi單獨組網場景、LTE-U組網場景。在仿真場景內共有3個LTE-U基站和/或WLAN AP，以及30個UE和/或WLAN STA，UE和STA均開展FTP業務。

對上述三個場景的性能進行仿真，在LTE-U與WiFi組網中，設置TOn初始值為150ms，TOn+TOff=300ms，預設RSSI門限一為-120dB，預設RSSI門限二為-100dB，信道質量門限為6dB。

仿真結果如下圖4和圖5所示。圖5中在LTE-U與WiFi組網場景時，編號10～19表示UE0～UE9。

如圖4所示，LTE-U組網的系統吞吐量大于LTE-U與WiFi組網，LTE-U與WiFi組網的系統吞吐量大于WiFi組網。

從圖5中可以看出，所有UE和STA均能正常接入并能正常開展業務。圖5中，LTE-U組網時UE的平均吞吐量較穩定，且位于一個較高的水平。

WiFi組網時，由于三個WiFi AP共同競爭帶寬資源，每個STA的吞吐量均較低。

LTE-U與WiFi組網時，LTE-U下UE的平均吞吐量較穩定，由于受到CSAT機制影響，UE的平均吞吐量較LTE-U單獨組網時小，兩個WiFi AP競爭帶寬，同時由于LTE-U采用CSAT機制，預留充足時間給WiFi使用，此時STA的吞吐量高于WiFi單獨組網時。

從上述仿真結果可知，當采用LTE-U和WiFi組網時，開啟基于干擾檢測的LTE-U和WiFi共存算法后，能保證UE和STA均能成功接入基站并保持連接。LTE-U系統的引入并不會降低STA的性能，且整個系統的性能較WiFi單獨組網有一定的提升。

4 結 論

在LTE-U基站中采用基于干擾檢測的LTE-U和WiFi共存算法，可以保證在非授權頻段LTE-U和WiFi系統均能正常開展業務，并且對WiFi用戶的性能影響較小。借助該方法，可以在非授權頻段大規模部署LTE-U系統，配合已有的授權頻段LTE系統，可大幅度提高4G移動通信系統的容量，滿足用戶更高的速率要求。同時，該方法也可用于單獨在非授權頻段部署LTE-U系統。

參考文獻：

[1] 劉思嘉，黃曉舸，朱帆，等.LTE-U與WiFi在非授權頻段的共存方案研究 [J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2017，29（2）：182-189.

[2] 王華華，王曉娟，余永坤.LTE-U與Wi-Fi異構網絡下的公平共存方案 [J].數字通信世界，2017（8）：7-8.

[3] 郭晉宇.LTE-U與WiFi公平共存技術研究 [D].西安：西安電子科技大學，2016.

[4] Qualcomm.LTE-U Technology and Coexitence [EB/OL].LTE-U Forum，2015-05.

作者簡介：王鑫芯（1987.06-），女，漢族，湖北人，通信技術中級職稱，碩士。研究方向：移動通信技術。