基于競爭接入技術(shù)的LTE 與Wi-Fi 在未授權(quán)頻段的共存研究*

秦子超，李艾靜，王 海

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引言

在當(dāng)今時代，數(shù)據(jù)正在以指數(shù)級方式爆炸性增長，同時移動數(shù)據(jù)的傳輸和無線通信技術(shù)的發(fā)展也在不斷發(fā)展和進步[1]。提供無線通信服務(wù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)運營商希望能夠在移動數(shù)據(jù)迅速增長的時代依舊為用戶提供較優(yōu)質(zhì)的服務(wù)質(zhì)量，因此催生出許多提高頻譜利用率的技術(shù)，如頻分多址、載波聚合以及大規(guī)模多入多出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）等技術(shù)。然而，當(dāng)前LTE 網(wǎng)絡(luò)所使用的授權(quán)頻譜資源是有限的。盡管已經(jīng)盡可能提高了頻譜利用率，但是頻譜資源仍然無法滿足用戶當(dāng)前對高數(shù)據(jù)率和低延遲的要求。因此，運營商希望能夠擴展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源來保證用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。

當(dāng)前未授權(quán)頻段的資源比較充足，主要是未授權(quán)頻段的頻譜利用率相對較低。根據(jù)文獻[2]的研究，Wi-Fi 對于未授權(quán)頻段的頻譜資源利用率不超過5%，因此出現(xiàn)了LTE 使用未授權(quán)頻譜資源的研究，并且希望LTE 能夠使用當(dāng)前Wi-Fi 正在使用的5 GHz 附近的未授權(quán)頻段，勢必會帶來Wi-Fi 與LTE 共存的問題。由于LTE 的加入，在不進行任何改變的前提下，Wi-Fi 的性能會受到較嚴(yán)重的影響。因此，如何處理LTE 與Wi-Fi 的共存是當(dāng)前研究的主要方向。在處理Wi-Fi 與LTE 在未授權(quán)頻段共存存在的問題時出現(xiàn)了大量研究，以期通過改變LTE或者Wi-Fi 在未授權(quán)頻段的傳輸機制來實現(xiàn)Wi-Fi與LTE 的和諧共存。這里的和諧是指Wi-Fi 的性能在LTE 的加入下所受到的影響不大于同條件下Wi-Fi AP 加入所帶來的影響。目前，已經(jīng)有多種共存方式被提出且被用來進行試驗和驗證[3]，其中采用基于占空比的方式時分復(fù)用來實現(xiàn)LTE 與Wi-Fi 的共存以及LTE 采用基于LBT 的LAA 機制來實現(xiàn)共存，是目前在公平性和性能方面表現(xiàn)比較突出的兩種共存方式。這兩種方式都是以授權(quán)頻段為錨點來實現(xiàn)的，就是LTE 僅在下行鏈路使用未授權(quán)頻段進行與用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸，而上行鏈路依然使用其原本的授權(quán)頻段。還有一種共存方案是在未授權(quán)頻段建立獨立的蜂窩系統(tǒng)來管理和使用未授權(quán)頻段的頻譜資源，即實際應(yīng)用的MulteFire。該系統(tǒng)是使用未授權(quán)頻段的一個LTE 獨立組網(wǎng)系統(tǒng)，優(yōu)點是能夠大幅提高未授權(quán)頻段的利用率，同時能夠在LTE 使用未授權(quán)頻段時減小對Wi-Fi 性能的影響。但是，它的缺點也相當(dāng)明顯，即需要考慮獨立組網(wǎng)的系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性，且重新建立一套獨立的系統(tǒng)必然離不開相應(yīng)的硬件設(shè)備，成本較高，可實現(xiàn)性不高，通用性不強。

關(guān)于基于占空比的時分復(fù)用的共存方式目前有兩種簡單的形式：一是采用固定占空比的方式實現(xiàn)信道的時分復(fù)用，另一種是采用動態(tài)調(diào)整占空比的方式實現(xiàn)信道接入的時分復(fù)用。通過占空比的方式實現(xiàn)LTE 與Wi-Fi 共存的方法會導(dǎo)致Wi-Fi 的延遲受到較大影響。在LTE 占用信道時，即便Wi-Fi有突發(fā)的優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)傳輸請求，也必須在LTE傳輸結(jié)束后進行，因此導(dǎo)致Wi-Fi 用戶的QoS 受到較大的影響。有研究提出了基于先聽后發(fā)（Listen Before Talk，LBT）的LAA 共存機制。該機制是使LTE 在使用未授權(quán)頻段時也采用先聽后發(fā)的機制，類似于Wi-Fi 的CSMA/CA 協(xié)議，二者以競爭的方式接入信道。這種模式下，LTE 與Wi-Fi 通過相似的方式接入信道，此時影響或者調(diào)節(jié)整個共存系統(tǒng)性能和公平性的方式就是LTE 在競爭信道的過程中所需要的配置參數(shù)，如初始退避窗口大小、退避方式、最大重試次數(shù)以及感知時隙數(shù)等。

當(dāng)前未授權(quán)頻段較受LTE 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注，因此考慮當(dāng)前較為流行的共存技術(shù)LAA。它使用的LBT技術(shù)目前仍然存在許多需要優(yōu)化的點，因此本文對LBT 機制進行了分析和接入技術(shù)優(yōu)化。

此外，本文提出通過在頻域和時域發(fā)送脈沖信號來形成一個二維控制信息的方式競爭接入信道的思路，可以減小通過先聽后發(fā)的方式帶來的利用率下降。提出這樣的思路是因為LTE 與Wi-Fi 均使用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的調(diào)制方式。從時域上看，OFDM 是通過一個個符號進行傳輸，每個符號4 μs；在頻域上看，OFDM 的調(diào)制方式需要通過多個并列的子載波進行傳輸。因此，通過頻域和時域來發(fā)送二維的控制消息序列是有可能且可實現(xiàn)的。此思路為競爭接入信道的共存方式提供了另一種可能。

1 相關(guān)工作

目前很多研究針對LBT 的退避方案進行了仿真分析和優(yōu)化，其中主要研究方向為兩個方面：一是優(yōu)化初始退避窗口大小，通過對比分析多種初始退避窗口的大小給共存系統(tǒng)性能帶來的影響以及對LTE 與Wi-Fi 公平性的影響，找出特定場景下的最優(yōu)配置；二是研究優(yōu)化退避方式、重試次數(shù)等參數(shù)對共存系統(tǒng)的影響，以及如何配置關(guān)鍵參數(shù)來實現(xiàn)性能改善。文獻[4]提出多組共存模型對比分析，并根據(jù)其所設(shè)定的場景找出最優(yōu)的初始退避窗口大小。文獻[5]提出CLAA 分簇概念，即將多個LAA小基站成簇，每一簇進行信道競爭，有效減少競爭節(jié)點數(shù)量，從而降低碰撞概率，以達到提升系統(tǒng)性能的效果。文獻[6]分析了能量檢測閾值對LAA 共存的影響，同時建立新框架用于估計Wi-Fi 與LAA的吞吐量。文獻[7]提出了兩種新的多載波LBT 機制來改善LAA 和Wi-Fi 的傳輸行為和共存性能。

當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對LAA 共存機制的研究主要集中于如何優(yōu)化LBT 技術(shù)的配置參數(shù)以實現(xiàn)共存系統(tǒng)更佳的性能。無論是退避參數(shù)的配置，還是對LTE 小基站進行分簇，都是為了改善競爭接入信道的機制，從而實現(xiàn)利用率的提升和碰撞概率的下降。在競爭機制不變的前提下，有些問題難以解決。比如，用戶數(shù)量導(dǎo)致的競爭接入概率下降、碰撞概率提高、整個共存系統(tǒng)的性能下降問題、優(yōu)化參數(shù)配置只能對性能有小幅度的優(yōu)化而無法解決等。因此，如果能從競爭機制本身做出改進，改變目前在時域進行競爭的模式，將競爭所占用的時間縮短或許是共存的另一種思路。

2 系統(tǒng)模型及分析

2.1 LTE 與Wi-Fi 對比

2.1.1 Wi-Fi 傳輸特點

Wi-Fi 在傳輸過程中采用CSAM/CA 通過競爭的方式接入信道。具體如圖1 所示，每次有傳輸請求前，Wi-Fi 會感知信道。當(dāng)信道處于忙碌狀態(tài)時，則等待一段時間后檢測信道；若檢測信道持續(xù)空閑時長達到一個分布式幀間間隙（Distributed Interframe Spacing，DIFS）時長，則認(rèn)為此時信道空閑，開始傳輸數(shù)據(jù)。Wi-Fi 傳輸是不連續(xù)的，信道占用時長一般不超過10 ms。在頻譜方面，Wi-Fi 所使用的是5 GHz 附近的未授權(quán)頻段[8]。

圖1 Wi-Fi 競爭接入信道的基本原理

2.1.2 LTE 傳輸特點

相對于Wi-Fi 的競爭接入信道方式，LTE 在授權(quán)頻段訪問信道是統(tǒng)一調(diào)度的，且傳輸過程是連續(xù)的，一旦接入信道會占用較長時間。由于統(tǒng)一調(diào)度，LTE 在傳輸前并不會持續(xù)偵聽信道，即不執(zhí)行先聽后發(fā)機制。

對比Wi-Fi 與LTE 的傳輸特點可以發(fā)現(xiàn)，若不對LTE 做任何更改就使用未授權(quán)頻段，會導(dǎo)致未授權(quán)頻段的信道由于LTE 的連續(xù)傳輸而被長期占用，而Wi-Fi 由于競爭接入信道的特點會被嚴(yán)重影響，甚至無法傳輸。因此，必須對LTE 現(xiàn)有的機制進行改變，才能使Wi-Fi 與LTE 在未授權(quán)頻段和諧共存，其中一種方式就是基于LBT 的LAA 共存機制。LAA 所采用的LBT 技術(shù)其原理和Wi-Fi 的接入信道的原理類似，但是仍然存在一些細節(jié)上的差異來滿足LTE 所提供用戶服務(wù)上的差異需求。

Wi-Fi的分布式協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function，DCF）是結(jié)合CSMA/CA 和ACK 技術(shù)的隨機接入MAC 協(xié)議[9]，且包含了RTS 機制、CTS機制以及ACK 確認(rèn)機制。另外，DCF 采用的是二進制指數(shù)回退算法。

2.2 LAA 與Wi-Fi 對比

LAA 是一種基于LBT 技術(shù)的共存機制。該機制與WiFi 的CSMA/CA 協(xié)議類似，通過先聽后發(fā)的接入機制實現(xiàn)與WiFi 在未授權(quán)頻段的共存。但是，二者在具體細節(jié)上還存在很多不同，具體如下。

（1）接入優(yōu)先級。Wi-Fi 節(jié)點具有相同的退避參數(shù)，因此每個節(jié)點接入概率相同。而LAA 定義了4 種優(yōu)先級類別，對于相同時隙的不同節(jié)點競爭信道時，優(yōu)先級高者優(yōu)先獲得接入信道的機會。

（2）傳輸時長。Wi-Fi 每次傳輸單個數(shù)據(jù)包后，必須釋放后重新競爭接入信道。而LAA 一旦接入信道，一般占用不超過最大信道占用時間（Maximum Channel Occupy Time，MCOT）。MCOT 通常為1 ms的整數(shù)倍，之后才會釋放信道[10]。

（3）信道感知持續(xù)時長。Wi-Fi 在接入信道前需要持續(xù)偵聽一個DIFS 時長（34 μs），包括1個16 μs 的SIFS 和2 個9 μs 的時隙時長。LAA 在一個16 μs 的延遲周期上通過能量檢測執(zhí)行空閑信道檢測（Clear Channel Assessment，CCA），隨后根據(jù)接入優(yōu)先級等待幾個9 μs 的時隙時長。具體的等待時隙數(shù)量可以視情況進行調(diào)整。

（4）退避參數(shù)。Wi-Fi 通常需要感知一個DIFS 時長，初始競爭窗口通常設(shè)置為[0，31]，退避采用二進制退避算法，即每次重試前最大競爭窗口將會變?yōu)樵瓉淼? 倍，重試次數(shù)為6 次[9]。LAA的參數(shù)則有多種配置方式，退避窗口和感知時長均需要根據(jù)具體的共存場景進行合理的調(diào)整。

基于LBT 技術(shù)的LAA 共存機制目前主要存在的問題是競爭接入信道都必須要考慮的問題，包括初始退避窗口大小、感知時隙數(shù)、最大退避次數(shù)、重試限制以及傳輸機會等參數(shù)的設(shè)置[7]，同時需解決Wi-Fi 與LTE 的公平性問題，涉及很多方面的公平，如比例公平[11]、數(shù)據(jù)公平等。如何在共存的場景下實現(xiàn)Wi-Fi 與LTE 網(wǎng)絡(luò)的公平是不可忽視的一個評價指標(biāo)。在保證共存網(wǎng)絡(luò)中Wi-Fi 與LTE 的基本性能滿足用戶需求的前提下盡可能提高頻譜資源利用率，是共存技術(shù)所要面對的挑戰(zhàn)。

2.3 模型建立與分析

現(xiàn)有的LAA 共存機制，如圖2 所示。

圖2 LAA 共存競爭接入原理

LTE 與Wi-Fi 均是需偵聽信道狀態(tài)，當(dāng)信道處于空閑時發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)信道忙碌時則隨即等待一段時間后再重復(fù)第一部分的過程。其中，Wi-Fi 使用的是帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問協(xié)議（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA），完全符合LBT 技術(shù)。因此，在共存系統(tǒng)中需要做出改變的是LTE。LTE 基于集中調(diào)度的方式進行信道分配和接入，當(dāng)其使用LBT 技術(shù)與Wi-Fi共享未授權(quán)頻譜資源時，LBT 技術(shù)的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置是一個比較重要的部分，直接決定了對Wi-Fi 性能的影響。目前，LAA 有4 種的LBT 模式[4]。

（1）Cat1 LBT，在感知信道空閑16 μs 后直接傳輸。

（2）Cat2 LBT，不進行隨機避退，其中CCA周期是確定的（如固定為25 μs）。

（3）Cat3 LBT，具有固定大小競爭窗口的隨機避退的LBT，其中擴展的CCA 周期在固定競爭窗口內(nèi)的隨機抽取。

（4）Cat4 LBT，具有可變大小的競爭窗口的隨機后退LBT，其中擴展的CCA 周期在競爭窗口內(nèi)的隨機抽取，競爭窗口的大小可以根據(jù)信道動態(tài)變化（如指數(shù)變化）。

以上4 種方式并沒有單純的優(yōu)劣之分，需要針對具體的共存場景進行具體分析和仿真，才能找出最適合的LBT 方案。

當(dāng)前的基于LBT 技術(shù)的LAA 共存機制通過競爭接入方式實現(xiàn)未授權(quán)頻段的共享。通過競爭接入的方式雖然能夠有效實現(xiàn)LTE與Wi-Fi的和諧共存，但是仍然存在一些不足，即參與競爭的用戶數(shù)量增加，導(dǎo)致Wi-Fi 接入概率下降，這是必然會出現(xiàn)的問題。Wi-Fi 所使用的頻譜資源是有限的，當(dāng)加入一定數(shù)量的LTE 用戶來參與競爭未授權(quán)頻譜資源時，接入概率必然會下降。假設(shè)原本有m個Wi-Fi用戶，其某一時刻的接入概率為：

當(dāng)LTE 加入進來后，假設(shè)有n的LTE 用戶，在某一時刻的接入概率發(fā)生了變化，其中Wi-Fi 的接入概率為：

其中PWi-Fi和PLAA分別為Wi-Fi 和LTE 成功接入信道的概率，pw和pl分別為在任意時刻Wi-Fi與LTE 發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。由于pl和pw都大于零且小于1，因此可以看出，LTE 的加入導(dǎo)致某一時刻的接入概率受到較大影響。尤其是當(dāng)LTE 的用戶數(shù)量較多、數(shù)據(jù)流量壓力較大時，Wi-Fi 的接入概率受到較大影響。因此，希望能夠通過改進競爭接入機制的方式來改善目前的競爭接入所帶來的性能下降。

3 基于OFDM 的時域-頻域競爭機制

由于LTE 與Wi-Fi 在MAC 層都是使用OFDM調(diào)制方式，OFDM 信號在時域是由一個個OFDM 符號構(gòu)成，每個符號持續(xù)4 μs，在頻域可以分成多個子載波，因此OFDM 信號具有時頻二維特性，可以看做是包含時域和頻域二維信息的一個表。Wi-Fi 和LTE 小基站可以把脈沖信號在某個特定的符號以某個特定的子載波中心頻率發(fā)送，對應(yīng)為時域-頻域二維坐標(biāo)中的一個點。通過時域-頻域的二維轉(zhuǎn)換，雖然脈沖信號只能表達1 bit 的信息，即脈沖信號所在表中的位置信息，但是其時域和頻域的特殊信息可以傳遞更多的信息。利用時域和頻域二維編碼和映射機制，可以通過脈沖信號的發(fā)送和識別來實現(xiàn)控制消息的傳遞，從而實現(xiàn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)中的信道競爭。

實際上，在發(fā)送脈沖的過程中會涉及到同步問題，因為如果使用這種思路進行控制信息的交換，必須要進行同步，否則根本無法實現(xiàn)競爭。Wi-Fi每次進行傳輸?shù)那皩?dǎo)碼則是較好的進行同步的一個特殊序列，即每經(jīng)過一次傳輸，LTE 和Wi-Fi 則可以根據(jù)其傳輸序列的前導(dǎo)碼進行一次同步，在此前提下才可以考慮利用OFDM 的時頻二維特性發(fā)送脈沖實現(xiàn)競爭信道的這種思路。

在解決同步問題的前提下，通過在時域和頻域發(fā)送脈沖的方式實現(xiàn)一個控制信息交互的目的。具體過程如下：在一次Wi-Fi 傳輸數(shù)據(jù)過程中，LTE與Wi-Fi 均通過數(shù)據(jù)傳輸過程中的前導(dǎo)碼進行同步，而后有數(shù)據(jù)傳輸需求的Wi-Fi 和LTE 在數(shù)據(jù)傳輸過程中分別在時域和頻域選擇一個時隙和子載波發(fā)送一個脈沖，這樣的一個二維脈沖信號會被所有的LTE 和Wi-Fi 感知，并能根據(jù)相同的規(guī)則判斷自己是否贏得信道接入的資格，若是判斷競爭成功，則接入信道進行數(shù)據(jù)的傳輸，若失敗則等待當(dāng)前傳輸并進行重復(fù)的競爭動作。其中，競爭獲勝節(jié)點的選取策略必須遵循以下兩個原則：網(wǎng)絡(luò)中不可以有節(jié)點始終無法獲得信道接入的機會，即需要保證節(jié)點的公平性；每輪中只能有一個發(fā)送節(jié)點。數(shù)據(jù)的傳輸決定了信道只能同時被一個發(fā)送節(jié)點占用，否則會出現(xiàn)碰撞。由于節(jié)點參與競爭時隨機選取OFDM 符號和子載波，因此所有節(jié)點以均等的機會接入信道，可以保證公平性。為了保證只有一個發(fā)送節(jié)點，競爭獲勝節(jié)點的選取策略使用符號系數(shù)小的脈沖對應(yīng)的發(fā)送節(jié)點優(yōu)先原則。若同一個符號中含有多個脈沖信號，則選取其中子載波系數(shù)最小的脈沖信號對應(yīng)的發(fā)送節(jié)點為競爭獲勝節(jié)點。

此方案必然會帶來一個不可避免的問題，即碰撞的可能性。即便規(guī)定了選取獲勝節(jié)點的原則，在選擇時域和頻域發(fā)送脈沖的決定上，仍然有可能會發(fā)生兩個或者多個LTE 基站和Wi-Fi AP 選擇了相同的頻域子載波和相同的時域上的時隙。此時，這些用戶均認(rèn)為自己獲得了信道接入資格而發(fā)送數(shù)據(jù)，進而導(dǎo)致碰撞的產(chǎn)生。但是，根據(jù)OFDM 子載波的數(shù)量和Wi-Fi 一次傳輸所需要的最短時長，可以對這種決策所產(chǎn)生碰撞的概率進行一個估算。

如果多個節(jié)點選擇同一OFDM 符號和子載波且均將自己視為競爭獲勝節(jié)點時，就會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。下面從理論上分析碰撞的概率。假設(shè)競爭獲勝節(jié)點在時域和頻域的二維坐標(biāo)中可以表示為(i,j)，發(fā)送脈沖信號并贏得信道接入機會的概率為pij。Nc和Ns分別為子載波和OFDM 符號的總個數(shù)。假設(shè)處于同一競爭域內(nèi)的節(jié)點數(shù)量為S，則有：

根據(jù)公式，可以計算出傳輸過程中的沖碰撞概率。假設(shè)節(jié)點數(shù)為15，總的碰撞概率也不會超過1.5%，能夠滿足基本的共存網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，即使發(fā)生了碰撞，LTE 與Wi-Fi 本身的重傳協(xié)議會保證共存系統(tǒng)中LTE 與Wi-Fi 的傳輸不受太大影響。理論分析證明，該思路可以一定程度上改善共存競爭接入存在的時間開銷過大的問題，給實現(xiàn)未授權(quán)頻段LTE 與Wi-Fi 共存提供了新思路。

4 結(jié)語

本文通過對LAA 技術(shù)的建模與分析找到了LAA 機制存在的根本性問題，即由于競爭接入機制導(dǎo)致的接入概率下降、多次重試接入問題。通過選擇合理的初始退避窗口大小和設(shè)置合適的退避參數(shù)，可以一定程度上改善這個問題，但是競爭導(dǎo)致的回退次數(shù)增加無法從根本上避免。因此，本文提出根據(jù)OFDM 的特點從時域和頻域發(fā)送脈沖實現(xiàn)競爭接入信道的思路以改變這一現(xiàn)狀，具有一定的可行性。