基于隨機多子幀輔助調度的LTE非授權接入方案

張宏升,鄒 寧

(1.武漢大學 計算機學院,武漢 430204; 2.武漢晴川學院 計算機學院,武漢 430204;3.中煤科工集團武漢設計研究院有限公司 生態(tài)與環(huán)保工程院,武漢 430070)

0 概述

移動設備的快速普及導致移動通信量急劇增加,為滿足通信量需求,5G蜂窩系統(tǒng)請求數(shù)據(jù)速率需要在2005年的基礎上增加1 000倍。第三代合作伙伴計劃(3GPP)采用載波聚合(CA)、多天線、中繼等技術來提高LTE-A系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率[1-2]。蜂窩運營商將無牌頻譜和許可頻譜相結合以增加可用帶寬并提高數(shù)據(jù)速率,其目標是蜂窩/WiFi互通,允許用戶設備(UE)自適應地使用蜂窩系統(tǒng)或WiFi系統(tǒng)(如IEEE 802.11a/N/AC)。然而,網(wǎng)絡互通需要在2個不可互操作系統(tǒng)間進行協(xié)同管理。因此,文獻[3]針對蜂窩系統(tǒng)提出了統(tǒng)一技術框架,將其命名為授權輔助接入(LAA)。LAA是LTE-A系統(tǒng)在未經許可的頻譜上傳輸數(shù)據(jù)的一種操作模式,其在3GPP版本13中被標準化,僅用于下行鏈路(DL)操作,并且在版本14中繼續(xù)支持上行鏈路(UL)操作[4]。雖然將系統(tǒng)擴展到未授權頻譜可以得到更大的帶寬,但也會面臨一些問題。文獻[5]基于不同上下行子幀配置位置關系,解決動態(tài)TDD中子幀重配點混合傳輸時序沖突問題。文獻[6]提出一種在物聯(lián)網(wǎng)中基于中繼輔助的混合傳輸機制。在LTE動態(tài)TDD系統(tǒng)中,文獻[7]提出一種新型的混合傳輸反饋機制,旨在減小信令負載并提高頻譜利用率。但是,未經許可的頻譜上的通信可能是不可靠的,這將對控制信號交換產生嚴重影響。為解決該問題,文獻[8]利用無牌頻譜作為輔助工具,基于CA框架對授權頻譜進行擴充,其能夠利用無許可證頻譜來提高數(shù)據(jù)傳輸速率,同時提供QoS支持、無縫移動性和良好的覆蓋效果。文獻[9]將LBT指定為訪問無許可證頻譜的重要特征,設計用于DL傳輸?shù)腖BT過程,結果表明,LAA運營商和WiFi運營商的總吞吐量大于2個WiFi運營商的總吞吐量。為了與WiFi系統(tǒng)友好共存,UE需要在傳輸數(shù)據(jù)之前執(zhí)行LBT。文獻[10]指出如果UE檢測到空閑信道,其可以在被授予的子幀中發(fā)送數(shù)據(jù);否則,不能發(fā)送數(shù)據(jù)并且必須等待新的授權。換言之,實際的UL傳輸取決于當前是否允許UE傳輸數(shù)據(jù),如果不能按計劃進行UL傳輸,這意味著非許可頻譜的資源利用率將降低。

本文研究隨機接入方案下的MSS算法性能,給出基于調度方案和隨機接入方案下的最大化資源利用率配置方案,以提高非授權頻譜的資源利用率。

1 問題描述

1.1 上行非授權LTE頻譜接入原則

不同于LAA的DL傳輸過程,eNB通過確定可用信道以避免與WiFi用戶發(fā)生傳輸沖突。在LAA的UL傳輸中,eNB確定的調度資源可能與在UE側觀察到的實際可用資源沖突,這種情況將導致資源利用效率下降,需要更多的時間來完成數(shù)據(jù)傳輸。

為了提高LAA中UL傳輸?shù)馁Y源利用率,需要了解LTE-A系統(tǒng)UL操作的設計原則。在訪問未經許可的頻譜時,應該遵循用于許可頻譜上數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O計原則[11-12],具體為:

1)eNB將在UE傳輸之前發(fā)出UL授權,UL授權可分別通過跨載波調度、自調度由主載波(許可頻帶)或次載波(非許可頻帶)承載,需要注意,當采用自調度時,無論何時檢測到空閑信道,eNB只能發(fā)送UL許可。

2)UE需要足夠的處理時間來解碼UL授權并準備數(shù)據(jù)以進行傳輸。根據(jù)LTE-A系統(tǒng)的要求,UL授權和相應的UL傳輸之間的固定時間間隔在當前標準中設定為4 ms,即UL總是指示接收到授權之后的第4個子幀位置。

3)為了與WiFi系統(tǒng)友好共存,需要在任何傳輸之前執(zhí)行LBT。由于UL授權與對應的UL傳輸之間存在時間間隔,因此如果LBT失敗,即信道被WiFi用戶占用,則UE可能無法在所授予的子幀中進行發(fā)送。目前,LBT程序何時開始不受限制。

本文假設LBT或清晰信道評估(CCA)是在為數(shù)據(jù)傳輸分配的子幀開始之前進行執(zhí)行。執(zhí)行CCA的時間段為25 μs,比子幀的長度(即1 ms)短得多。在CCA期間,不允許數(shù)據(jù)傳輸。對于每個CCA,如果UE檢測到空閑信道,則在后續(xù)授予的子幀中發(fā)送數(shù)據(jù);否則,UE無法在授予的子幀中傳輸數(shù)據(jù),并且必須等待新的授權。

1.2 多子幀調度問題

由于LBT的強制性特征,當UE即將傳輸數(shù)據(jù)時,如果信道被WiFi系統(tǒng)占用,則不能使用為UL傳輸分配的資源,因此對于非許可頻譜上的信道接入,UL授權與對應的數(shù)據(jù)傳輸之間的定時關系不再維持,這可能導致資源利用率下降。采用多子幀進行調度的主要目的是提高子幀調度的計算效率,從而實現(xiàn)更為高效的子幀調度效果。

3GPP版本中提出了一種MSS方案,以解決多子幀調度問題。目前,MSS方案分為2種[13-14],方案1使用UL授權來指示在L(L>1)子幀上的數(shù)據(jù)傳輸,其只需捕獲信道。圖1所示為L=3時的MSS方案1示意圖,為了方便起見,在該圖中編號為0的子幀處接收UL授權。

圖1 MSS方案1示意圖(L=3)

在圖1所示的例子中,UE被授權將數(shù)據(jù)從子幀4傳輸?shù)阶訋?,并且需要在子幀4開始之前執(zhí)行CCA。如果UE找不到空閑信道,其將不能傳輸,必須等待來自eNB的新授權。方案1的主要優(yōu)點是提高了未經許可的頻譜的UL吞吐量,吞吐量隨著允許發(fā)送數(shù)據(jù)的子幀數(shù)量增加而增加。

方案2允許UE在K(K>1)個連續(xù)子幀中的一個子幀上發(fā)送數(shù)據(jù),即在接收到UL授權之后,UE可以執(zhí)行CCA,且最多為K次。圖2所示為K=3時的方案2示意圖。在接收到UL授權之后,UE可以在子幀4、5和6之前執(zhí)行CCA以嘗試訪問信道。如果UE捕獲到空閑信道,則其在0～3子幀中發(fā)送數(shù)據(jù),并且忽略剩余信道的接入機會(如果有)。若UE不能在所有信道接入機會中找到空閑信道,則其不能傳輸數(shù)據(jù)并且必須等待新的授權。方案2的主要優(yōu)點是減少了CCA失敗后請求UL資源的延遲,此外,其提供了UE多信道接入機會,如果選擇正確的K值,則可以提高資源利用率。

圖2 MSS方案2示意圖(K=3)

在方案1中,L的取值范圍為2～4。通過無線資源控制(RRC)信令設置MSS的特征激活和去激活以及L的值。使用當前LTE-A系統(tǒng)中用于L=1時的UL許可的格式,方案1向后兼容。然而,如果UE在數(shù)據(jù)傳輸之前找不到空閑信道,則方案1中授予的資源仍然為未固化,從而造成浪費。將方案1和方案2相結合,以提供給UEK信道接入機會,并且如果檢測到空閑信道,則允許其發(fā)送L個子幀數(shù)據(jù)。本文給出組合方案S(K,L),方案1和方案2分別是S(1,L)和S(K,1)。在S(K,L)中,如果CCA成功(即信道被感知為空閑)在第一個接入機會中首次發(fā)生,1≤i≤K,則UE隨后將數(shù)據(jù)從子幀4+i-1傳輸?shù)阶訋?+i-1+L-1。

2 系統(tǒng)模型

本文評估和比較組合MSS在調度和隨機信道接入方案下的性能。考慮由一個eNB和N個UE組成的LAA網(wǎng)絡。為了簡單起見,在授權頻帶上發(fā)送UL許可的跨載波調度。假設每個UE總是請求數(shù)據(jù)傳輸,并且eNB周期性地調度UL傳輸?shù)腢E。設周期為l子幀,對于S(K,L),l必須大于或等于L+K-1,因為L和K-1子幀分別保留用于數(shù)據(jù)傳輸和額外的CCA機會。為了方便描述,本文總保留子幀為LAA機會(LAA-OP)。l是一個決定LAA帶寬份額的參數(shù),如果l>L+K-1,則在2個LAA-OPS之間有一個長度大于0的空閑周期,在此期間UE不傳輸數(shù)據(jù)。將調度周期定義為LAA-OP,接著是空閑周期,如果l=L+K-1,則其可以是長度為0的周期。圖3所示為N=1和l=6時S(2,3)的示意圖。在LAA-OP調度周期中,UE具有位于前K個子幀中的K個CCA機會。如果UE在第一個CCA周期中首次發(fā)現(xiàn)空閑信道,則其將數(shù)據(jù)從子幀4+i-1(modl)傳輸?shù)阶訋?+i-1+N-1(modl),其中,1≤i≤K。如果UE沒有為所有的K-CCA機會找到空閑信道,則其不能在該調度周期中傳輸數(shù)據(jù)。

圖3 S(2,3)算例示意圖

對于隨機接入方案,eNB分配所有N個UE來爭奪潛在的傳輸。所有UE同時在LAA-OP的重合并之前執(zhí)行CCA。如果超過一個UE發(fā)現(xiàn)空閑信道并發(fā)送數(shù)據(jù),將會發(fā)生沖突,因此,本文進行以下設計以降低沖突概率。對于檢測到空閑信道的每個UE,其以概率q發(fā)送數(shù)據(jù);其余概率1-q不發(fā)送數(shù)據(jù)。如果UE檢測到信道忙碌,則延遲1 ms的數(shù)據(jù)傳輸,并且在延遲之后再次執(zhí)行CCA。該過程重復直到所有的K個CCA機會完畢。假設1

在LAA網(wǎng)絡的資源利用方面評估系統(tǒng)性能。用ρ表示資源利用率,其被定義為成功用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖訋钠骄鶖?shù)量與作為LAA-OP的子幀總數(shù)量的比率。對于每個CCA,WiFi網(wǎng)絡對LAA網(wǎng)絡的干擾取決于WiFi網(wǎng)絡中產生的流量、LAA UE和WiFi用戶的位置以及信道條件。上述3個因素的隨機性可能導致CCA結果存在獨立同分布性。本文遵循這一論點,即假設UE感知信道繁忙的概率是P,獨立于其他UE和時間。

3 資源配置最優(yōu)方案評價

UE在調度周期中發(fā)送數(shù)據(jù)的概率是(1-pK),即UE在調度周期中成功發(fā)送數(shù)據(jù)子幀的平均數(shù)量是L(1-pK),由此可得:

(1)

引理1給定K,ρ(K,L)是L的遞增函數(shù)[15]。

證明

(2)

證畢。

根據(jù)引理1,為了提高LAA網(wǎng)絡的資源利用率,應該選擇盡可能大的L值。某些國家在每個調度周期中對最大信道占用時間(MCOT)進行限制,在不違反規(guī)則的情況下,L最大值為ρ(K,L),L值應選擇為MCOT[16-17]。

引理2對于給定的L值,當且僅當1+p+…+pK<(L+K)pK時,ρ(K+1,L)>ρ(K,L)[18]。

證明因為ρ(K,L)=L(1-pK)/(L+K-1)成立,則可得:

ρ(K+1,N)>ρ(K,N)?

1+p+…+pK<(L+K)pK

(3)

因此,可證得引理2成立。

引理3對于給定的L值,如果ρ(K,L)≤ρ(K-1,L),則有ρ(K+1,L)≤ρ(K,L)[19]。

證明假定ρ(K,L)≤ρ(K-1,L),根據(jù)引理2,可得1+p+…+pK-1≥(L+K-1)pK-1成立。同時因為(L+K-1)pK-1≥(L+K-1)pK,可得:

1+p+…+pK=(1+p+…+pK-1)+pK≥

(L+K-1+d)pK+pK=(L+K)pK

(4)

根據(jù)引理2,可得ρ(K+1,L)≤ρ(K,L),證畢。

引理1～引理3本質上是給出了式(1)所示模型具有單調遞增特性,基于這種函數(shù)的單調遞增原則,可找到最大化ρ(K,L)的K和L的最佳取值定理。

定理1參數(shù)K和L的最佳值表示為K*和L*,最大化ρ(K,L)需滿足L*=MCOT,且有:

K*=min{K|ρ(K+1,L*)≤ρ(K,L*)}

(5)

4 最優(yōu)隨機接入方案

4.1 方案S(1,1)的性能分析

ρ(1,1)=N(1-x)xN-1

(6)

令q*是利用率最大化時的取值。用ρ′(1,1)表示ρ(1,1)的導數(shù),則有:

ρ′(1,1)=N(p-1)xN-2(N-1-Nx)

(7)

當q=q*時,可得ρ′(1,1)=0成立。給定p≠1,求解ρ′(1,1)=0,可得N-1-Nx=0。q*可求解為:

(8)

可對式(8)進行如下改寫:

(9)

其中,N(1-p)是檢測信道空閑的UE的平均數(shù)量,當N(1-p)≥1時,將發(fā)送數(shù)據(jù)的UE的平均數(shù)量設置為1,則q*=1/N(1-p)。

定理2由N個UE共享的隨機接入方案實現(xiàn)的最大資源利用率可計算為:

(10)

證明將式(9)代入式(6)可得式(10)成立。證畢。

當N(1-p)≥1時,ρ*僅由N決定,當N→∞時,有p*→e-1,這與時隙ALOHA方案的結果相同。然而,當p過大,檢測信道空閑的UE的平均數(shù)目小于1(即N(1-p)<1)時,資源利用率可以低于e-1,因為在執(zhí)行CCA之后很可能沒有UE發(fā)送數(shù)據(jù)。由于存在多用戶分集,如果多個UE共享,則可以提高資源利用率;相反,隨機接入方案中的傳輸沖突可以降低資源利用率。

4.2 方案S(K,L)的性能分析

x=1-q+pq是UE在CCA之后不發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。當一個UE發(fā)現(xiàn)信道空閑且決定傳輸數(shù)據(jù)時,其成功使用所分配的資源,該情況的概率是:

(11)

此外,S(K,L)中作為LAA-OP的子幀總數(shù)是L+K-1。因此,資源利用率可計算為:

(12)

假設L被設置為MCOT,當N個UE共享UL資源時,可實現(xiàn)ρ(K,L)最大化,用K*和q*分別表示此時K和q的值。K*和q*的取值可以通過比較ρ(K,L)的所有可能組合的K和q獲得,如果至少存在2個導致ρ(K,L)最大化的組合,則隨機選擇K*和q*的取值。

5 實驗分析

5.1 參數(shù)p和q對結果的影響

圖4所示為不同p值時ρ(K,10)隨K值的變化關系。一般而言,ρ(K,10)隨著q值的增大而減小,原因是大多數(shù)UE感測到信道空閑的時間很短,因此傳輸沖突的概率隨著q的增加而增加。但是也有例外,如圖4(a)所示,p=0,所有10個UE均感測到信道空閑,考慮K=1的情況,當q=0.10時,發(fā)送數(shù)據(jù)的UE的平均數(shù)等于1,并且資源利用率得到最大化。k=1時q=0.05的資源利用率小于q=0.10時的資源利用率。對于較大的K值,q=0.05時的資源利用率大于q=0.10時的資源利用率(如K≥3)?？紤]K=3的情況,數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)母怕蕿?0q(1-q)9[1+(1-q)10+(1-q)20]。結果表明,q=0.05得到的資源利用率比q=0.10更大。

圖4 參數(shù)p和q對隨機接入方案資源利用率的影響

對于較大的p值,當q增大時,ρ(K,10)可能增加,原因是當p較大時,檢測信道空閑的UE的數(shù)量趨向于減小。因此,較大的q值可增加傳輸嘗試,從而提高利用率的平均數(shù)。從圖4(c)中可以看出,K=1～4,p=0.6,在該區(qū)域中,q=0.10比q=0.05能夠產生更好的利用率。從圖4可以得出,對于非常大的K值,q應該取較小的值,原因是任何傳輸沖突都會破壞許多未使用的信道接入機會,為了避免傳輸沖突,應該使用一個較小的q值。

5.2 算法對比

本文選取基于調度的方案與本文隨機接入方案進行對比[19-20]。圖5所示為L=4 ms時2種方案的MSS最佳資源利用率情況。對于給定的p值,基于調度方案選擇最佳K值,隨機接入方案選擇K和q的最佳組合,從而獲得最大利用率。從圖5可以看出,對于較小的p值,調度方案比隨機接入方案具有更好的性能,這是因為在隨機接入方案下多個UE之間產生傳輸沖突。對于較大的p值,由于多用戶分集,多個UE資源共享能取得比調度更好的效果。

圖5 2種方案性能對比

從圖5還可以看出,采取隨機接入方案比調度方案將獲得更好的利用率優(yōu)化結果。圖5給出K=1時的最佳性能。如圖所示,允許多個CCA機會可以提高系統(tǒng)利用率。考慮K=1的簡單系統(tǒng),如果只有一個UE被允許訪問該資源,那么它不被WiFi用戶阻塞的概率為1-p。

為進一步驗證本文所提方案的有效性,選取文獻[8,12,15]方案作為對比進行性能分析。實驗評估選取最優(yōu)利用率和計算時間2項指標。有關參數(shù)設置同原文獻,其中,p=0.1、K=1。實驗對比結果如表1所示。

表1 實驗對比結果

從表1可以看出,在選取的4種對比方案中,本文方案具有較高的資源利用率,即本文方案對于非授權情形的LTE數(shù)據(jù)傳輸具有更高的魯棒控制能力。文獻[8]方案的最優(yōu)利用率是62.3%,優(yōu)于另外2種方案,主要原因是文獻[8]方案考慮了非授權問題。在計算時間方面,本文方案的計算時間是2.31 s,這體現(xiàn)了其良好的計算性能,原因是該方案采用了多子幀的隨機接入方式,可實現(xiàn)接入過程的并行觸發(fā)。

6 結束語

在LAA中，由于WiFi用戶的利用率下降，導致資源空閑率過高。為解決該問題，本文提出一種基于隨機多子幀輔助調度的LTE非授權接入方案。允許用戶設備具有多個信道感測機會或連續(xù)地傳輸多個子幀的數(shù)據(jù)，以解決LTE與WiFi系統(tǒng)共存的問題并提高資源利用率。實驗結果表明，由于多用戶分流，在高WiFi流量負載條件下，該方案可顯著提高未授權頻譜的資源利用率。下一步將采用真實實驗環(huán)境對方案性能進行測試與驗證，同時研究方案的多核并行計算策略，從而提升其計算效率以及對大通信量數(shù)據(jù)的發(fā)掘利用能力。