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非授权频段中LTE和Wi-Fi共存系统性能研究

非授权频段中LTE和Wi-Fi共存系统性能研究
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2015年10月 第 10 期(第28卷 总第217期)月刊

2015年 第10期

电信工程技术与标准化 开发与研究

非授权频段中LTE 和Wi-Fi 共存系统性能研究

蔡凤恩,成蕾,刘欢,高月红 (北京邮电大学,北京 100876)

摘 要 本文主要研究了在非授权频段上运行LTE和Wi-Fi系统共存的机制,设计实现了基于LAA和Wi-Fi共存场景

的系统级仿真平台。仿真结果表明,在非授权频段上LAA能与Wi-Fi和谐共存。针对LAA系统设计一种合理的退避机制,能够同时提升LAA和Wi-Fi系统的吞吐量,提高资源分配的公平性和使用效率。

关键词 非授权频段;LAA;Wi-Fi;共存机制;系统级仿真

中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1008-5599(2015)10-0088-05

收稿日期:2015-07-28

随着移动互联网和物联网技术的快速发展,移动终端数量急剧增加。预计下一个10年之内,全球移动数据流量增长将超过1 000倍。然而,蜂窝系统一直面临着频谱资源稀缺的挑战,除了提高已经被利用的授权频带利用率外,驱使人们不得不寻找新的频段资源。

由于2.4 GHz ISM 非授权频段已经被Wi-Fi、蓝牙和ZigBee 等无线接入技术占用而非常拥挤,5 GHz 附近的频段成为了人们关注的焦点。在5 GHz 频段中,5 150~5 250 MHz 和5 250~5 350 MHz 频段已经被WLAN 抢占,而5 725~5 850 MHz 频段将成为运行LAA 的首要选择,共有125 MHz 的空白频段可供使用。

Small Cell 低功率这一特点能够很好地运行在非授权频段上,且不会对该频段上的其它无线接入技术造成严重干扰。在异构网络中,宏基站运行在授权频段,与Small Cell 异频部署。Small Cell 将同时运行在授权频段和非授权频段。非授权频段上运行的Small Cell 与Wi-Fi 共用频段资源。

在非授权频段同时运行不同的无线接入技术可能存在的信道资源分配不合理性和同频之间的干扰问题将严

重影响系统性能。本文研究了LAA 和Wi-Fi 共存时的信道资源占用情况和干扰特性,通过系统级仿真分析了在非授权频段上运行LAA 对Wi-Fi 系统性能的影响,进而分析了引入LAA 退避机制的必要性和作用。

1 系统模型

1.1 网络拓扑描述

据调查数据显示,70%的移动数据流量来自室内。本文在TR36.932中提出的Small Cell 场景3的基础上设计了共存系统的室内仿真模型。在单楼层建筑模型中,建筑长120 m,宽50 m,楼层走廊里分别由两个运营商部署无线热点,分为以下两种部署场景:场景1运营商1和运营商2分别交错部署AP ;场景2运营商1部署AP,运营商2部署LAA。每个运营商等距离部署LAA 或AP。用户随机分布在LAA 和AP 的服务范围内。1.2 信道状况分析

在非授权频段上,移动终端除了接收到相邻LAA 的干扰功率外,还将受到来自其它无线接入热点(如

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AP 等)的同频干扰和噪声干扰。下行SINR 计算如下:

其中, P 为LAA 的发射功率,

G 为天线增益之和, PL 为路径损耗之和, M 代表小区总数, P Rx 为接收到的

同频段上其它无线接入热点的功率, K 为同个基本服务集(BSS)内的无线接入热点的总个数, N 为基本服务集合的总个数, σ2为噪声功率。

2 共存机制

为了抑制无线接入热点受来自周边热点的同频干扰,非授权频段运行的无线接入技术规定了最大发射功率。但针对有限的频带资源,仍然需要设计合理的信道侦听机制和竞争机制来确保资源利用的公平性和高效性。2.1 Wi-Fi 退避机制

在802.11标准中,Wi-Fi 利用载波侦听多路访问/冲突退避CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)机制来完成接入。在物理层中通过CCA(Clear Channel Assessment,信道空闲评估)技术侦听物理信道。每个AP 在发送数据前需要进行LBT(Listen Before Talk,载波侦听),检测信道是否空闲。

Wi-Fi 的信道资源竞争流程和冲突退避流程:系统先产生一个随机的IFS(Interval Frame Space),在延迟时间段内,若发现信道处于忙状态,延迟时间被冻结,直至检测到信道空闲后才继续累计IFS。当延迟时间一到,开始进入退避阶段。终端的退避定时器生成一个随机退避时间。检测到信道空闲则减少退避等待时间,直至退避等待时间减为0后才允许发送数据。发送端在发送数据前,先发送RTS 信号,接收端接收到RTS 信号后回应CTS 信号,发送端接收到CTS 信号后开始传输数据。

2.2 LAA 和Wi-Fi 共存

在非授权频段上,若不采取有效的共存机制,将会

造成严重的性能损失。为了能和Wi-Fi 等无线接入技术和谐共存,LTE 需要在物理层和Mac 层做些相应地修改来满足需求,如发现信号的设计、Beacon 信号的设计、基于CCA 的LBT 机制和HARQ 机制等。

3GPP 针对LAA 讨论了两种退避机制:FBE (Frame Based Equipment)和LBE(Load Based Equipment)。其中,FBE 是基于帧的周期性信道检测,LBE 是基于业务数据分组到达触发信道检测。本文主要研究基于LBE 的退避机制下的系统性能。

LAA 的退避机制基于固定退避窗的LBE 和CCA 信道检测。当有待发数据分组到来后,系统立即开始CCA 信道检测,检测开始时间不局限于子帧的整毫秒处。当检测到信道状态忙,系统进入退避时期,同时生成一个退避倒计时,并持续检测信道。检测到一次信道空闲,退避倒计时减1,直至减到0后,LAA 开始发送数据。

LAA 的退避机制重点在于保证信道资源竞争公平性的前提下,更大限度地提升频谱利用率,从而提升系统整体性能。针对不同范围内的负载压力,需要一种共存退避策略保证Wi-Fi 系统性能不受影响的前提下很好地运行LAA,甚至提升Wi-Fi 系统性能。

LAA 和Wi-Fi 共存场景中信道接入过程如图1所示。当LAA 有待发数据分组到来后,立即开始信道检测,若信道处于空闲状态,LAA 开始传输数据。当达到最大信道占用时长或所有待发数据分组传输完成后,LAA 释放信道。

Wi-Fi 发送数据时期,LAA 检测到信道忙,进入退避时期并持续检测信道。Wi-Fi 占用信道达到最大占用信道时间或数据分组传输完成后,释放信道。LAA 检测到信道空闲,减少退避等待时间。在此阶段中,若

Wi-Fi 完成CSMA 后竞争到信道资源,AP 开始数据传输。此时,LAA 处于退避时期,检测到信道忙,持续检测信道。当退避等待时间减为0时,LAA 开始传输数据。在LAA 传输数据时期,Wi-Fi 若检测到信道忙,则做出相应的退避反应。

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