在非授權頻段下實現LTE-U與Wi-Fi網絡的公平共存

方雙鳳,高雅玙,黑曉軍

(華中科技大學 電子信息與通信學院,武漢 430074)

1 引 言

隨著各種高質量的多媒體應用出現,移動數據流量呈爆炸式增長.基于長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)的移動通信系統帶來高數據速率以及低延遲,近年來得到了極大的重視,但由于它所依賴的授權頻譜資源稀缺,無法應對移動數據增長帶來的挑戰.另一方面,非授權頻譜資源非常豐富.因此,這促使著移動運營商考慮利用非授權頻譜作為LTE的補充下行載波來提高容量.

為了實現非授權頻段下LTE,目前業界提出了兩種技術規格:非授權LTE(LTE-Unlicensed,LTE-U)和LTE授權輔助接入(LTE Licensed Assisted Access,LTE-LAA).LTE-LAA 采用類似于載波偵聽多路訪問沖突避免(CSMA/CA)的先聽后說機制(LBT)機制以實現全球頻譜共享.LTE-U采用了基于載波偵聽自適應傳輸機制(CSAT)來調整信道接入的ON/OFF時間比例,應用在不強制要求LBT的國家及地區.

目前針對LTE-U與Wi-Fi網絡的共存問題,一系列相關研發工作已經開展.文獻[1]分析了LTE-U技術帶來的挑戰以及共存現狀.文獻[2,3]分析了兩個網絡在非授權頻段上共存的性能,與LTE-U相比,Wi-Fi網絡吞吐量由于LTE-U的干擾而顯著下降.文獻[4,5]提出動態信道選擇方法來避免兩者的干擾,但當缺少空閑信道時,該方法并不適用.文獻[6]基于循環占空比(Duty Cycle,以下簡稱DC)機制,基于蒙特卡洛仿真實驗展示出當采取合適的DC周期和占空比時,LTE-U與Wi-Fi可以公平共存,但是沒有給出數學模型,因而缺少理論支撐,難以設計有效的控制協議實現網絡公平共存.

針對LTE-U與Wi-Fi共存異構網絡,由于LTE-U獨享信道可能導致Wi-Fi性能受損,因此目前分析重點主要是在公平共存方面,且現有工作中分別考慮了不同公平性定義.文獻[7-9]基于比例公平,討論了LTE-U與Wi-Fi網絡的各自信道通信時間應當如何分配.文獻[10]通過LTE-U與Wi-Fi協作管理信道接入實現公平共存,它在滿足Wi-Fi網絡吞吐量最低閾值的條件下,實現最大整體吞吐量.文獻[11]所提出的LTE-U與Wi-Fi共存分析模型缺少沖突概率與吞吐量的顯式表達式.值得注意的是,基于吞吐量的聯合公平對應于傳統無線局域網的比例公平.除了傳統的比例公平之外,3GPP組織針對LTE-LAA與Wi-Fi公平共存問題也提出了一種關于公平的定義即3GPP公平[12],它認為LAA設計應以與現有的Wi-Fi網絡共存為目標,在吞吐量和時延方面對該Wi-Fi網絡的影響不會超過另一個Wi-Fi網絡對該網絡的影響.文獻[13-15]則考慮了3GPP公平的定義并通過仿真證明了LTE能實現與Wi-Fi的公平共處.但目前業界尚未對LTE-U與Wi-Fi之間的公平性達成共識,且在DC機制下,如何最優地調整占空比以實現公平性要求仍然是尚未解決的研究問題.

本文研究如何在DC機制下,實現LTE-U與Wi-Fi的兩種公平性要求,即聯合公平與3GPP公平.本文提出了一個LTE-U與WiFi共存網絡的理論模型,并推導出LTE-U和WiFi網絡吞吐量關于占空比的顯式表達式,進而獲得了實現聯合公平和3GPP公平所對應的最佳占空比.通過比較這兩種公平定義下的網絡性能表現,本文進一步分析了不同公平定義的差異和局限性.

本文結構如下:第二節說明本文對LTE-U與Wi-Fi共存網絡所研究的網絡場景;第三節考慮聯合公平與3GPP公平,推導出LTE-U與Wi-Fi共存時滿足相應公平定義的占空比;第四節提供了仿真結果及分析;第五節對兩種公平定義下共存異構網絡的性能進行了比較;第六節對本文分析結果進行了總結與展望.

2 網絡場景

如圖1(a)所示,本文考慮的LTE-U與Wi-Fi共存網絡場景為一個LTE-U eNB和一個 802.11 Wi-Fi AP共同運行于非授權5GHz附近的同一信道上,連接到Wi-Fi AP與LTE-U eNB的用戶數分別為nw、nl.

DC機制的工作原理是將時間軸切割成多個循環周期,每個周期以ON/OFF的方式分配用于LTE-U和Wi-Fi 的傳輸時間,在時域上將兩者進行分離避免干擾.

基于圖1所示共存場景,本文做出以下假設:1)考慮LTE-U與Wi-Fi 網絡緩沖區始終有待發送的數據包,即飽和態;2)由于采用DC機制,在LTE-U ON段,中心節點集中調度資源,因此LTE-U終端不存在沖突;在OFF段,Wi-Fi用戶基于CSMA/CA接入信道;3)假設時間周期足夠長,LTE-U與Wi-Fi網絡都可達到穩態,不考慮當Wi-Fi 傳輸時受到下一周期的LTE-U ON的影響.本文所使用的關鍵變量包括:β為DC中的占空比,它表征的是LTE工作的時間比例,Wi-Fi與LTE-U網絡節點數nw、nl.

圖1 LTE-U與Wi-Fi共存網絡場景Fig.1 Graphic illustration of a LTE-U and Wi-Fi coexisting network

3 LTE-U與Wi-Fi公平共存建模

本節將研究在LTE-U與Wi-Fi共存網絡中,如何通過調整占空比來實現公平共存.由于當前標準并沒有給出關于公平共存的正式定義和測試場景,因而本節考慮兩種當前較為流行且使用廣泛的公平定義,即聯合公平與3GPP公平,分別研究對應的最佳占空比.

3.1 聯合公平

聯合公平的概念是從普遍異構網絡共存的角度出發的一種廣義的公平性定義,即認為在LTE-U與Wi-Fi共存的場景下,兩者獲得的性能應該是相同的.對DC共存機制來說,LTE-U在整個周期里成功發送數據的時間占的比例應該與Wi-Fi成功發送數據包的時間占整個周期的比例要相等.

考慮圖1(a)的網絡場景,首先對Wi-Fi網絡進行分析.目前大部分Wi-Fi網絡是基于IEEE 802.11分布式信道競爭接入(DCF)協議實現的.Bianchi[16]將DCF協議中接入過程節點的傳輸、退避、等待狀態轉移過程刻畫為二維Markov鏈的模型,成功模擬CSMA/CA接入網絡的具體過程.但假設了網絡節點相同、網絡狀態飽和,因此模型預測的網絡性能存在一定局限性.

(1)

(2)

式(1)中τT與τF分別是Wi-Fi數據包發送成功與失敗的時間長度,PA為Wi-Fi節點的成功傳輸概率.式(2)為飽和場景下PA的計算表達式.式中nw為Wi-Fi節點數量,W為初始退避窗口大小,K為最大退避次數.

(3)

其中β為DC中的占空比,它表征的是LTE工作的時間比例.Wi-Fi在DCF協議中有兩種工作模式,本文考慮基礎接入工作模式,即成功傳輸時間與失敗時間τT、τF分別為:

(4)

(5)

式(4)中,H為Wi-Fi傳輸數據時介質訪問控制層和物理層頭部字節數之和,L為數據包有效長度,ACK為確認幀的字節長度,VP、VC分別表示數據幀和控制幀的發送速率,DIFS、SIFS為DCF協議中的幀間間隔和短幀間間隔,δ為傳播時延.

由于LTE-U終端不通過競爭方式爭取信道,因此當LTE-U與Wi-Fi以DC方式共存時,LTE-U網絡的吞吐量表達式如下:

(6)

通過前面介紹的聯合公平定義,當以吞吐量為指標時,根據式(3)和式(6)可以得到式(7),當把占空比β設置為式(7)時,即可實現LTE-U與Wi-Fi之間的聯合公平定義.

(7)

3.2 3GPP公平

3GPP組織針對LTE-LAA與Wi-Fi共存也提出了一種關于公平的定義[12],即LAA設計應以與現有的Wi-Fi網絡共存為目標,在吞吐量和時延方面對該Wi-Fi網絡的影響不會超過另一個Wi-Fi網絡對該網絡的影響.因此,本文針對這一公平性定義進行理論分析.如圖1所示,圖1(b)本來由Wi-Fi AP 1與Wi-Fi AP 2兩個網絡構成,當將同等大小的LTE-U網絡替換Wi-Fi AP 2網絡后得到圖1(a),如果兩個場景中Wi-Fi AP 1網絡的性能不會更壞,就可以說實現LTE-U與Wi-Fi的公平共存.

(8)

(9)

式(8)中nw、nl分別為圖1(b)中Wi-Fi AP 1與Wi`Fi AP 2的用戶數,式(9)為圖1(b)中兩Wi-Fi網絡競爭信道成功概率.

根據式(3)和式(8),為了滿足3GPP公平的定義可以推導出此時占空比的表達式如下:

(10)

4 仿真結果及分析

通過上一節的理論分析,我們獲得了LTE-U與Wi-Fi共存網絡場景下,實現聯合公平和3GPP公平所對應的占空比表達式.為了驗證理論分析,研究占空比的取值怎樣影響共存網絡性能,本節將繼續考慮這兩種公平標準,通過基于事件的仿真器,按照圖1共存場景,提供仿真結果證明分析模型的準確性.在本文中,我們采用IEEE 802.11a協議標準中的系統參數,并由表1列出.另外,以時隙長度為單位,根據式(4)和式(5)分別得到τT=52,τF=22.W和K的標準值分別設置為16和6[18 ].

4.1 聯合公平

在聯合公平中,占空比值需要合理選擇以使得LTE-U與Wi-Fi網絡實現相同的吞吐量.按照表1的參數設置,圖2說明了Wi-Fi與LTE-U共存網絡各自吞吐量隨占空比β關系,其中理論值為分別通過式(3)和式(6)求得的吞吐量值,仿真值是通過基于事件仿真器得到的吞吐量值.

表1 系統仿真參數設置[16]
Table 1 System parameter settings[16]

數據包有效字節長L8184 bits頭部字節數H424 bitsACK248 bits數據幀速率VP54 Mbps控制幀速率VC1 MbpsDIFS34μsSIFS16μs傳播時延δ1μs時隙長度timeslot9μs

從圖2可以看出,當把占空比β設置得越大,LTE-U吞吐量不斷上升,而Wi-Fi網絡吞吐量呈下降趨勢.這是因為在固定時間周期中,當β越大,意味著分配更多時間給LTE-U,因此Wi-Fi網絡可得到的通信時間以及對應的吞吐量更小.這意味著,如果不對占空比進行適當地調整,共存網絡難以實現聯合公平.

將式(7)求得的βjoi-opt作為DC機制中占空比的值共存.圖3展示了共存系統中各網絡的吞吐量理論值與仿真值.其中理論值為將式(7)作為占空比后,分別代入式(3)和式(6)計算的吞吐量值,仿真值則是通過基于事件仿真器得到的吞吐量值.

圖2 Wi-Fi與LTE-U吞吐量與占空比β的關系,nw=nl=50Fig.2 Throughput of Wi-Fi and LTE-U versus the duty cycle β,nw=nl=50

我們觀察到圖3中仿真值與理論模型結果非常吻合,且Wi-Fi與LTE-U網絡吞吐量曲線基本重合.可以看出,該最佳占空比表達式βjoi-opt可以使得共存網絡滿足聯合公平定義.而且網絡吞吐量隨Wi-Fi節點數nw增大而減小,這是因為nw增加會影響LTE-U OFF時期的Wi-Fi數據包成功發送概率進而影響吞吐量.

4.2 3GPP公平

根據3GPP公平定義,假設兩個Wi-Fi共存網絡用戶數N為100.按照表1的參數設置,針對同一個Wi-Fi網絡,可以得到只有Wi-Fi網絡以及與LTE-U網絡共存兩種場景下的Wi-Fi網絡吞吐量隨占空比關系.

圖3 聯合公平下的Wi-Fi與LTE-U吞吐量與Wi-Fi網絡節點數nw的關系,β=βjoi-opt ,nw+nl=100Fig.3 Throughput of Wi-Fi and LTE-U under joint fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw,β=βjoi-opt,nw+nl=100

如圖4所示,當僅有Wi-Fi網絡存在時,由于采用CSMA/CA來實現共存,Wi-Fi網絡吞吐量不受占空比的影響.而在Wi-Fi與LTE-U共存網絡中,由于采用DC機制共存,因此當占空比值設置得越大即LTE-U OFF時間越短時,Wi-Fi網絡進行通信的時間比例相對減少,因此共存系統中的Wi-Fi網絡吞吐量會隨占空比增加而下降.

圖4 Wi-Fi吞吐量與占空比β的關系,nw=nl=50Fig.4 Wi-Fi throughput versus the duty cycle β,nw=nl=50

通過對式(10)分析可以知道當nw增加時,β3GPP-opt的值不斷減小.這是因為在圖1(b)網絡場景下,假設2個Wi-Fi網絡的節點數一定,當Wi-Fi AP 1網絡節點數越多,雖然碰撞的概率會增加,但它在整個Wi-Fi網絡占據的比例更高,因此本身的吞吐量會增加.如果此時用一個LTE-U網絡替代圖1(b)中的Wi-Fi AP 2網絡時,即如圖1(a)所示網絡場景下,隨著該Wi-Fi AP 1網絡節點數增加,由于在LTE-U OFF時間段內只有該Wi-Fi網絡存在競爭,碰撞概率更大導致Wi-Fi吞吐量下降,因此需要增加LTE-U OFF時間比例即減小占空比,來達到該Wi-Fi AP 1網絡與另一個Wi-Fi AP 2網絡共存時相同的性能,即實現LTE-U與Wi-Fi之間的3GPP公平.

圖5 3GPP公平下Wi-Fi吞吐量與Wi-Fi網絡節點數nw的關系,β=β3GPP-opt,nw+nl=100Fig.5 Wi-Fi throughput under 3GPP fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw,β=β3GPP-opt,nw+nl=100

圖5展示了將占空比設置為β3GPP-opt后,在Wi-Fi/Wi-Fi以及Wi-Fi/LTE-U兩種場景中同一個Wi-Fi網絡吞吐量隨節點數nw之間的變化關系.從圖中可觀察到仿真結果與理論模型結果一致,可知滿足3GPP公平定義.且隨著nw的增加,Wi-Fi網絡吞吐量不斷上升,這是因為在僅有Wi-Fi網絡的場景下,在總節點數一定的時候,圖1(b)中 Wi-Fi AP網絡的吞吐量會隨著其在整個網絡中所占的用戶比例增加而上升,從而使其與LTE-U共存時為了達到相同吞吐量也通過設置合適的占空比來增加吞吐量.

5 公平定義性能比較

為了進一步理解聯合公平與3GPP公平,本文在滿足兩種公平定義前提下,進一步對實現的Wi-Fi吞吐量以及共存系統吞吐量分別進行比較.

5.1 Wi-Fi吞吐量

將占空比β設置為對應的最佳占空比式后,圖6表示的是Wi-Fi共存網絡在聯合公平與3GPP公平狀態下,對應的Wi-Fi吞吐量隨WiFi節點數之間的關系.

從圖6可以看出,不同公平標準下的Wi-Fi網絡吞吐量曲線存在交點,其對應的橫坐標即Wi-Fi網絡節點數nw/w,可根據式(3)、式(7)以及式(8)得到式(11)來求得,其中nl/w是此時LTE-U網絡或者Wi-Fi AP 2網絡的節點數:

(11)

從圖6可以看出,當nw小于nw/w時,聯合公平下的Wi-Fi網絡吞吐量比3GPP公平更高,LTE-U網絡吞吐量卻較低;當大于nw/w時,3GPP公平狀態下的Wi-Fi網絡吞吐量更高,LTE-U網絡吞吐量較低.

在LTE-U與Wi-Fi共存網絡中,聯合公平下的Wi-Fi吞吐量不受其他網絡影響,而3GPP公平下的Wi-Fi吞吐量與擁有固定用戶數的兩個Wi-Fi共存網絡中的同一規模的Wi-Fi網絡吞吐量相等.因此在圖6中,隨著nw增大,聯合公平下的Wi-Fi網絡吞吐量由于碰撞概率增加而下降,而3GPP公平下的Wi-Fi網絡吞吐量卻由于該Wi-Fi網絡的用戶比例增大而上升.

圖6 聯合公平與3GPP公平狀態下的Wi-Fi吞吐量與Wi-Fi網絡節點數nw的關系，nw+nl=100Fig.6 Wi-Fi throughput under joint fairness and 3GPP fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw，nw+nl=100

5.2 共存系統總吞吐量

這一節以LTE-U與Wi-Fi共存系統吞吐量為性能評價指標對聯合公平與3GPP公平進行比較.

圖7 聯合公平與3GPP公平狀態下的網絡總吞吐量與Wi-Fi網絡節點數nw的關系，nw+nl=100Fig.7 Total network throughput under joint fairness and 3GPP fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw，nw+nl=100

圖7是LTE-U與Wi-Fi網絡以兩種公平定義共存時網絡總吞吐量隨Wi-Fi節點數的關系.從圖中可看出兩條曲線也存在交點,其對應的橫坐標nw/t可由式(3)、(6)、(7)、(8)以及式(10)得到式(12)來求得,其中nl/t是此時LTE-U網絡或者Wi-Fi AP 2網絡的節點數:

(12)

我們可以觀察到nw/t表達式(12)與之前求得的nw/w表達式(11)相同.隨著nw的增加,當小于nw/t時,3GPP公平下實現的系統總吞吐量比聯合公平下更高,當大于nw/t時,則反之.

同樣一段時間,LTE-U傳輸處于成功狀態,而Wi-Fi傳輸可能還包括空閑與沖突狀態.因此,當兩者用戶數不變時,分配給LTE-U的時間越長,共存系統吞吐量越高.根據之前的分析,當nw小于nw/w時,聯合公平下的OFF時期所占比例相對更高,因此Wi-Fi與LTE-U共存網絡總吞吐量比3GPP公平下要低;當nw大于nw/w時,結果相反.分析結果與圖7吻合,因此nw/w與nw/t是一致的.

比較實驗結果,我們發現不論是Wi-Fi網絡吞吐量還是共存系統吞吐量,都不是以某種公平狀態為最好,而是隨Wi-Fi節點數變化.且在同一場景下,如果3GPP公平實現的Wi-Fi吞吐量相較聯合公平更高時,對應得到的系統吞吐量會較低.而當3GPP公平得到的Wi-Fi吞吐量較低時,與聯合公平相比,對應的系統吞吐量會更高.可見,這兩種公平定義在實現網絡性能方面都存在一定局限性.

6 總結與展望

本文主要研究了LTE-U與Wi-Fi在同一非授權頻譜信道上公平共存的問題.基于一個統一性能建模框架,本文考慮LTE-U與Wi-Fi網絡之間共存的聯合公平與3GPP公平,推導出LTE-U與Wi-Fi之間以DC機制實現相應公平的占空比顯式表達式.研究表明,當Wi-Fi網絡用戶數增加時,可減小占空比即以犧牲LTE-U吞吐量為代價來實現兩者的公平共存.此外,本文對LTE-U與Wi-Fi之間以聯合公平與3GPP公平狀態共存時的性能進行拓展比較,發現在同一場景下,如果聯合公平狀態下的Wi-Fi網絡吞吐量比3GPP公平狀態更高時,對應的系統吞吐量卻更低,反之亦然.可見,這兩種公平定義對LTE-U與Wi-Fi共存網絡的性能方面都存在一定局限性.本文研究結果可為基于DC機制實現LTE-U與Wi-Fi的公平共存提供協議設計指導建議.