未授权频段LTE-LAA与WiFi共存系统性能分析

王 玮 徐平平 张 源

(东南大学移动通信国家重点实验室,南京210096)

未授权频段LTE-LAA与WiFi共存系统性能分析

王 玮 徐平平 张 源

(东南大学移动通信国家重点实验室,南京210096)

为分析在未授权频段授权辅助接入(LAA)框架与无线局域网802.11系列标准(WiFi)共存的系统公平性问题,基于当前LAA框架的类型B(type B),建立了LAA系统与WiFi系统的共存模型.使用二维离散马尔可夫(Markov)模型对type B接入过程的‘说之前听’类型3(LBT Cat3)进行建模分析,进而建立共存模型.通过更改共存的设备数量和LAA 设备的LBT Cat3参数,分析LAA设备与WiFi设备在共存场景中的性能.根据分析模型创建相应仿真场景,以验证分析模型性能.分析计算结果与仿真计算结果表明,提出的分析模型在不同LAA与WiFi设备数量比和不同LBT Cat3参数情况下均能有效预测共存的LAA与WiFi设备成功占用信道比率.LAA系统适当调整LBT Cat3参数可以实现与WiFi系统公平共存和最大化信道利用率.

LAA;LBT Cat3;Markov;系统共存

第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project,3GPP)提出基于长期演进技术的授权辅助接入(licensed-assisted access framework for long-term evolution, LTE-LAA)框架,用于将蜂窝网络中部分业务卸载到未授权频段.未授权频段充斥着大量无线局域网80.11标准(wireless fidelity,WiFi)设备,因此,与WiFi设备共存是在未授权频段部署LTE-LAA设备面临的重要问题.

在未授权频段,LAA设备采用基于竞争的分布式协调方式[1].LAA系统分布式协调接入基于“说之前听”(listen-before-talk,LBT)过程,即设备发送数据前需要侦听信道.LBT共有无退避LBT(LBT category 1,Cat1)、固定退避LBT (LBT Cat2)、具有固定竞争窗随机退避的LBT (LBT Cat3)和具有可变竞争窗随机退避的LBT (LBT Cat4)4类.其中与WiFi共存时,LAA系统被建议使用LBT Cat3 和LBT Cat4,因为这2种LBT类型具有随机退避过程[2].文献[3]指出,LAA设备多载波信道接入过程使用LBT Cat3方案,并称之为类型B(type B)方案.因此,对LBT Cat3过程的分析和研究对于LAA框架具有重要意义.

为研究LAA与WiFi共存系统性能,本文提出一种LBT Cat3的马尔可夫(Markov)模型,通过该模型可对不同数量LAA设备与WiFi共存场景进行理论分析.通过仿真对理论分析模型进行验证,并分析了各类共存场景中LAA 使用的LBT参数对共存性能的影响.

1 LTE-LAA LBT接入方式

LAA框架依照欧洲电信标准协会ETSI制定的未授权频段欧洲标准EN301.893,定义在未授权频段空闲信道评估(clear-channel assessment,CCA)方案包含初始CCA(initial CCA,ICCA)和扩展CCA(extended CCA,ECCA)两个部分[4].文献[2]确定LAA的CCA过程的一般流程图(见图1).

文献[3]对LAA的CCA过程描述为:LAA设备需对当前信道进行检测,并根据以下步骤,在一个附加时隙内检测信道后调整计数器N值:

① 设置N=Ninit,然后转至步骤④.其中，Ninit为一个均匀分布于(0,CW)的随机数,CW为竞争窗长度.

② 如果N>0,则LAA设备计数器递减,即N=N-1.

③ 在一个附加的时隙持续时间内检测信道,如果此时信道忙,则跳转至步骤④;否则跳转至步骤⑤.

④ 如果N=0,则退出,否则跳转至步骤②.

⑤ 检测信道,直至信道连续空闲时间达到一个附加延时时段Td的长度.

图1 LAA-LBT一般过程流程图

⑥ 如果信道连续空闲时间达到附加延时时段Td,则转至步骤④;否则转至步骤⑤.

若LAA设备首次检测时信道持续空闲时间达到一个延时持续时段Td,或在步骤④的计数器N=0且信道空闲,则设备开始传输数据.其中,图1中的ICCA过程即为首次检测信道的时段Td,ECCA过程由信道忙时需要检测附加时段Td及随后的退避过程共同构成.

在LAA框架的最初研究中数据传输使用LTE帧格式.文献[5]中LAA在指定LTE帧位置进行传输,其他时间预留给WiFi;文献[6]中LAA使用LTE接入方式以及较小的带宽和特定的中心频率,通过调整CCA门限实现与WiFi公平共存.文献[7]在每个LTE帧头部指定区域随机退避,在每个LTE帧内指定不同时段用于WiFi设备传输,分析不同WiFi传输时长对共存系统性能的影响.WiFi系统采用基于竞争的随机接入方式, LTE帧格式的连续传输方式会引发严重冲突,因此文献[8]定义了用于LAA设备的类型3(type3)帧结构,该结构支持分布式接入,帧内任意位置均可支持传输.

分布式接入过程可使用Markov链建模.文献[9]建立固定竞争窗随机退避LBT的Markov链模型.文献[10]中,LAA设备执行首次LBT随机退避(第1层Markov链),首次传输失败后执行第2次LBT退避(第2层Markov链),第2次退避后传输速率远低于第1次退避后的传输速率.文献[9-10]中LBT过程仅包含ECCA退避，而无ICCA过程,且不提供理论分析与仿真结果的对比.ICCA过程是LAA-LBT过程的重要组成部分,在LAA-LBT过程中不可或缺,因此上述工作描述的LBT过程不属于LAA-LBT过程.

文献[11]使用泊松点过程对LAA-WiFi共存场景建模,研究LAA使用空白子载波和LBT两种接入方式对共存性能的影响,其中LBT随机退避数只能选取(0,1)和(1,2).文献[12]提出了LAA-WiFi共存小区的未授权频段信道资源分配算法,其中，微小区基站使用与WiFi相同的随机退避,但未描述该退避方式的具体参数.

基于现有标准对LBT流程的定义,本文提出理想情况下的LAA-LBT Cat3理论分析模型,并使用该模型对LAA-WiFi共存系统性能进行分析.为简化分析过程,本文中假设传输损耗仅由碰撞产生.

2 模型建立和理论分析

2.1 LBT Cat3模型建立和接入机制分析

令Ic和Ie分别表示ICCA过程和ECCA退避过程,其状态符号分别为a和b.某一时刻t设备状态s(t)的取值为Ic或者Ie,其相应状态计数器取值为a(t)或者b(t).定义pl为LAA网络中的碰撞概率,即2个及2个以上LAA设备同时传输的概率.LBT Cat3过程可描述为图2所示双层二维离散时间Markov模型.其中,第1层为ICCA过程,第2层为ECCA过程,I表示ICCA过程所占总时隙数.每一个新的信道检测过程开始时，Ic计数器a(t)=I.

图2 LBT Cat3 Markov模型

图2中,Wl表示Cat3的固定竞争窗长度,随机退避数的取值范围为[0,Wl].将状态转移概率进行简化,如

(1)

则上述Markov模型的一阶非零状态转移概率可表示为

式(2a)表示ICCA过程中,信道空闲，则计数器递减;式(2b)表示如果ECCA退避过程中计数器递减为0且设备成功发送数据,则信道检测过程从新的ICCA开始;式(2c)表示在ICCA过程中如果信道忙,则设备进入ECCA检测过程;式(2d)表示在ECCA退避过程中,如果时隙空闲，则退避计数器递减,否则冻结.

将状态表达式a(t)=i和b(t)=k分别简化为ai和bk.通过对Ic过程的描述可知,aI表示信道检测初始状态,ICCA过程ai和ECCA退避过程bk均可表示为aI和冲突概率pl的表达式,即

(3)

信道初始过程aI和冲突概率pl的关系最终可通过归一化条件确定,即

(4)

通过式(4)可得到aI的表达式为

(5)

定义LAA设备在任意时隙随机传输的概率为τl.由于任意传输发生在ICCA计数器ai为0或者ECCA退避计数器bk为0的时刻,将式(4)代入式(3),并令ai=0和bk=0,得到τl的表达式为

τl=a0+b0=(1-pl)IaI+(1-(1-pl)I+1)aI=

(6)

2.2 WiFi接入机制

WiFi使用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)接入方式. 根据文献[13]定义WW为WiFi系统初始竞争窗长度,WiFi竞争窗取值CW,i=2iWW,其退避阶i∈[0,mw],mw为最大退避阶,令pw为WiFi系统冲突概率,WiFi传输概率τw可表示为[13]

(7)

2.3 共存碰撞概率和信道占用率

令系统共存环境中有nl个LAA设备和nw个WiFi设备,LAA设备传输概率为τl,WiFi设备传输概率为τw.LAA系统内发生碰撞概率和WiFi系统内发生碰撞概率分别可用pl和pw表示，即

pl=1-(1-τl)nl-1(1-τw)nw

pw=1-(1-τw)nw-1(1-τl)nl

(8)

式(8)由文献[13]推导得出,并在文献[9]中得到应用.令Pt,l和Pt,w分别表示网络中至少有一个LAA设备和至少一个WiFi设备传输数据的概率,即

(9)

则只有一个LAA设备传输的概率Ps,l和只有一个WiFi设备传输的概率Ps,w可分别表示为

(10)

因此,LAA设备成功传输的概率为Pt,lPs,l(1-Pt,w),表示有且仅有一个LAA传输，且没有WiFi传输.WiFi设备成功传输概率表达式为Pt,wPt,w(1-Pt,l).研究LAA与WiFi系统共存公平性时为避免某一系统实际工作时间过少而导致系统间公平性受到质疑,文献[14]提出使用信道占用时间(airtime)来代替吞吐量.信道占用时间能成功描述复杂网络中的信道占用情况[15-16].本文将成功传输所用信道占用时间与总占用时间比值定义为成功信道占用率Rs,用Rs替代吞吐量分析LAA设备和WiFi设备共存的公平性问题.

若Fl和Fw代表LAA和WiFi平均单次传输时长,则二者的airtime分别为Pt,lPs,l(1-Pt,w)Fl和Pt,wPs,w(1-Pt,l)Fw.令Rs,l和Rs,w分别表示LAA和WiFi设备成功信道占用率,表达式为

(11)

Ts=(1-Pt,l)(1-Pt,w)σ+Pt,wPs,w(1-Pt,l)Ts,w+

Pt,lPs,l(1-Pt,w)Ts,l+Pt,w(1-Ps,w)(1-Pt,l)Tc,w+

Pt,l(1-Ps,l)(1-Pt,w)Tc,l+Pt,wPt,lTc,A

(12)

式中,σ为一个空闲时隙时长;Ts,w=Fw为平均WiFi成功传输时长;Ts,l=Fl为LAA平均成功传输时长;Tc,w=Fw+LDIFS为WiFi平均冲突传输时长，LDIFS为分布式帧间间隔(distributed inter-frame spacing, DIFS)持续时长;Ts表示信道所有状态时隙之和.ECCA过程中的Td性质与WiFi系统中的DIFS类似,用Ed表示,所以Tc,l=Fl+Ed为LAA平均冲突传输时长,Tc,A=max(Tc,l,Tc,w)为LAA与WiFi冲突时长.

3 仿真及结果分析

本文对LAA与WiFi系统共存进行仿真以验证所提模型的有效性.假设理想情况下共存场景中所有设备都能检测到彼此收发,且缓存中始终有数据可以发送.LAA系统使用LBT Cat3,系统参数参考文献[2, 4].其中如果LAA的ICCA持续时间小于WiFi系统的DIFS的持续时间,则LAA的传输会阻塞WiFi传输,所以选取ICCA长度为63 μs.WiFi系统使用CSMA/CA基本接入方式,参数参考802.11a协议.参数设置见表1.

表1 系统仿真参数

若LAA与WiFi设备数相同,即nl=nw,则Rs,l和Rs,w、设备数n以及LAA竞争窗大小Wl之间的关系见图3.由图可见,仿真结果曲线和理论分析曲线二者基本吻合,表明理论分析有效.若n值相同,LAA设备选取Wl越小,则Rs,l越高,Rs,w越低,Rs=Rs,l+Rs,w越小,说明LAA系统采用竞争窗Wl越小,信道竞争力越强,但同时Rs降低.随着n增加,设备间干扰增大,Rs,l平缓变化,Rs,w与Rs都减小.图中椭圆标出位置为Rs,l=Rs,w点,当Wl分别为64和128时,对应LAA与WiFi设备数为8和25.当Wl为256时,在设备数少于50的情况下未出现Rs,l=Rs,w.上述结果表明,在nl=nw的情况下,LAA可通过适当改变LBT参数实现与WiFi的公平共存.同时,Rs随Wl的增加而增大,适当调高Wl，可增加信道使用效率.

若LAA与WiFi设备总数不变,nl+nw=n,选取n=55,LAA设备数从5递增到50,WiFi设备数从50递减到5,Wl取值分别为64,128和256，则Rs,l

图3 LAA与WiFi设备数相同仿真与理论分析对比

与Rs,w,n,Wl之间关系见图4.由图可见,仿真结果曲线和理论分析结果曲线二者基本吻合,表明理论分析有效.图中椭圆标出位置为Rs,l=Rs,w,此时，当Wl=64时,LAA设备数为15,WiFi设备数为40;当Wl=128时,LAA设备数约25,WiFi设备数约为30;当Wl=256时,LAA设备数约40,WiFi设备数为15.图4表明如果LAA设备数较少,选用较小的Wl可实现系统间的公平.然而Rs随Wl的增加而增大,较高的Wl能增加信道使用效率.

图4 LAA与WiFi设备总数不变仿真与理论分析对比

若WiFi设备数是LAA设备数的倍数,即nw=xnl,选取x=[1,2,4],nl从5递增到50.令Wl=128,Rs,l与Rs,w，n，Wl之间的关系见图5.由图可见,仿真结果曲线和理论分析曲线二者基本吻合,表明理论分析有效.图中椭圆标出位置为Rs,l=Rs,w.nw=nl,nw=2nl和nw=4nl对应的nl值分别为25,35和50,表明如果WiFi设备数持续增加,LAA设备数nl值只有相应增加才能达到系统间的公平.WiFi设备密集度增加，而Rs,w变化不大,表明在密集场景中WiFi设备数的变化基本不影响WiFi设备的信道占用率.而WiFi设备倍数越大,Rs,l越低,则Rs越低,信道使用效率就越低.因此LAA设备可动态调整系统参数在保证信道使用效率的同时维持系统间的公平.

图5 WiFi设备数为LAA设备数倍数仿真与分析对比图

上述结果表明，在不同网络规模和LBT参数情况下,本文建立的模型均可有效预测共存系统性能,所以该模型可用于分析共存性能及系统间公平性.理论分析及仿真结果表明,使用LBT Cat3作为其接入机制的LAA系统,在不同设备部署场景中通过改变竞争窗长度,可调整信道使用效率并实现与不同规模的WiFi系统公平共存.

4 结论

1) 使用Markov链建立基于LAA-LBT Cat3的理论分析模型，推导了LAA与WiFi系统共存的成功信道占用率与共存系统参数的关系表达式.

2) 根据已有3GPP和IEEE 802.11标准建立了LAA与WiFi系统共存仿真平台.仿真结果表明，本文所用的理论分析对不同设备数量和不同LBT参数均有效；通过调整LAA竞争窗长度可实现系统间公平传输.

3) 当LAA与WiFi设备数相同时，系统内设备数较少的情况下应采用小的LAA竞争窗，反之应采用较大的LAA竞争窗；当LAA与WiFi设备总数不变时，若LAA设备数少于WiFi设备数，则采用较小的LAA竞争窗，反之采用大的LAA竞争窗；当WiFi设备数是LAA设备数的倍数时，倍数越大，应采用的LAA的竞争窗长度越大.

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Performance analysis for coexisting system of LTE-LAA and WiFi in unlicensed band

Wang Wei Xu Pingping Zhang Yuan

(National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing 211096, China)

To analyze the problem in the unlicensed band, the fairness of coexisting licensed-assisted access (LAA) and 802.11 WLAN (WiFi) systems, based on the type B access procedure, this paper proposed a coexisting model for the LAA system and WiFi system. A discrete-time two-dimensional Markov chain was used to model and analyze the listen-before-talk category 3 (LBT Cat3) in type B access procedure, and then a coexistence model was established. The performance of the LAA device and WiFi device in the coexistence scenario was analyzed by changing the quantity of the coexisting device and the LBT Cat3 parameters of the LAA device. The simulation scenario was setup according to the analysis model to verify the performance of the analysis model. The performance of the using LBT Cat3 LAA device and WiFi device in the coexisting scenario is analyzed. The analysis result and the simulation result show that the analyzing model is valid in predicting the successful airtime share of the LAA and WiFi device in case of the different coexisting LAA to WiFi device number ratios and different LBT Cat3 parameters. LAA system can appropriately adjust the parameters of LBT Cat3 to achieve the fairness coexistence with WiFi and maximize channel utilization.

licensed-assisted access (LAA); listen-before-talk category 3 (LBT Cat3); Markov; system coexistence

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.002

2016-10-06. 作者简介: 王玮(1982—)，女，博士生；徐平平(联系人)，女，博士，教授，博士生导师，xpp@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(61571111).

王玮，徐平平，张源.未授权频段LTE-LAA与WiFi共存系统性能分析[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(3):426-431.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.002.

TN929.5

A

1001-0505(2017)03-0426-06