LTE使用未授权频段的方法研究

胡恒恒 周 斌 郑 敏 俞 凯

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海 200050)

LTE使用未授权频段的方法研究

胡恒恒 周 斌 郑 敏 俞 凯

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海 200050)

将LTE技术引入到未授权频段是解决蜂窝系统频谱资源紧张的方法之一。首先阐述LTE引入到未授权频段所存在的共存挑战，针对LTE利用LBT策略中的FBE结构实现共存所存在的侦听信道机会少且侦听位置固定的缺陷，提出一种增强型FBE(E-FBE)结构。该结构引入随机退避过程，可以让LTE依据信道状态更加灵活地侦听信道。仿真结果表明该结构可以解决WIFI在与LTE共存时被LTE压制吞吐量的问题，实现和谐共存。

LTE 未授权频段 WIFI LBT FBE

0 引 言

随着蜂窝数据业务需求以及接入网络的智能设备的不断增长，移动通信流量会更快地呈现爆炸式的增长，到2020年，移动通信网络可能面临着通信量增长10倍的挑战[1]。为了应对这个挑战，寻求更多的频谱资源来增加频带宽度以及提高频谱利用率是最直接的解决办法，因此与其他系统共享频谱资源成为了解决途径之一。未授权频段的LTE(LTE-U)通过将授权频段的LTE技术引入到未授权频段来增加系统的可用频谱资源，提高系统性能以及系统容量。目前可以共享的未授权频段包括2.4 GHz工业、科学和医疗频段(ISM band)和5 GHz U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure)频段，而在现有频段上，已经存在一些成熟的接入技术，如WIFI、蓝牙、雷达，D2D(Device-to-Device)等，其中最主要的是WIFI接入技术。LTE使用未授权频段除了要满足不同国家和地区对于未授权频段的使用限制以外[2]，最主要的问题是如何保证在公平使用频带资源的情况下与WIFI和谐共存。

LTE利用集中干扰管理控制技术以及正交频分多址OFDM技术来实现最大化频谱利用率和最优化用户体验，使用信道资源时，不需要进行信道侦听；而WIFI在多址接入控制MAC层采用了分布式协同控制DFC协议来实现多节点共享频带，DFC协议采用了避免冲突载波侦听多址接入技术(CSMA/CA)，节点在发送数据业务前需要进行信道侦听来竞争信道资源。由此可见，WIFI和LTE是两种截然不同的宽带无线接入技术。文献[3]研究结果表明，当LTE和WIFI使用相同信道时，由于LTE不需要进行信道侦听，因此会长时间占据信道，使得WIFI一直保持在侦听状态而无法接入信道，极大地影响WIFI的性能。因此，如何让LTE-U与WIFI在未授权频段上实现和谐共存，同时保证WIFI性能是一个值得研究的问题。

文献[4]利用ABS(Almost Blank Sub-frame)在时域上实现LTE-U和WIFI的信道共享，依据LTE-U网络流量的变化来动态释放空白帧资源给WIFI使用，保证WIFI在共存时的性能；文献[5]依据对干扰的测量，在传统的LTE上行功率控制中引入额外的控制因素，给予WIFI更多的机会接入信道；文献[6]考虑了3GPP提出的共存分析方法[7]，给LTE-U增加了授权频段辅助接入LAA(Licensed-Assisted Access)和先听后说LBT机制，用户利用LTE系统中载波聚合技术同时连接授权频段和未授权频段，授权频段上的LTE进行控制信令的传输，而未授权频段上的LTE引入LBT策略来进行信道竞争，竞争成功后进行数据业务的传输，结果表明，LBT策略利于LTE在未授权频段上与WIFI共存。

3GPP提议在未授权频段上的LTE使用LBT机制来保证与WIFI公平竞争信道资源，而文献[8]中规定了未授权频段上设备接入的两种侦听结构，即FBE(Frame based equipment)和LBE(Load based equipment)。FBE结构固定帧结构，利于与LTE的帧结构进行融合以及频率复用，但是由于在固定位置进行信道侦听且每帧只有一次机会，所以接入信道机会少；LBE结构可以依据业务负载进行灵活的接入信道并且调整传输时间，但是与LTE帧结构融合时难以确定在帧结构中的起始位置，增加了用户盲检测的复杂性。文献[9]针对LBE结构，利用业务QoS要求和节点业务负载情况对竞争窗口CW进行自适应调整来灵活协调LTE和WIFI之间的传输机会；文献[10]同样针对LBE结构，将侦听信道阈值依据干扰进行自适应调整来给予WIFI更多传输机会。文献[11]在LBE结构中加入了一些额外延时模块，使得LTE可以和WIFI更加和谐共存。而据我们所知，对FBE结构进行改进的相关研究有限，本文主要集中在对FBE结构的改进研究上，以达到在未授权频段上LTE与WIFI和谐共存的目的。

1 FBE结构和潜在问题

FBE结构是在节点传输数据之前，先进行信道侦听，在CCA检测时间内，若信道空闲，则立即发送数据，在最大占据时间用完或者数据发送完毕，则释放信道资源，并且预留一个持续时间至少为数据传输时间5%的理想空闲时间以便其他设备接入信道以及执行CCA检测；若信道忙碌，则不进行数据传输，等待下一固定帧结构继续执行CCA检测；若信道空闲，则发送数据，否则，继续等待下一固定帧结构，如此往复。一种典型的FBE结构示例如图1所示。

图1 典型的FBE结构

WIFI的传输过程是节点发送数据之前，先进行信道侦听，如果信道空闲且持续一个分布式协调帧间间隔(DIFS)时间，则立即接入信道并发送数据；如果信道忙碌，则一直保持侦听信道状态，直至信道空闲且空闲时间持续一个DIFS，同时在发送数据之前，需要进行一个二进制的指数退避过程，也就是CSMA/CA；另外，同一个节点在连续帧传输之间，也需要进行二进制指数退避过程。基本的CSMA/CA流程如图2所示。

当采用FBE结构进行信道侦听的LTE-U节点与采用CSMA/CA机制进行信道侦听的WIFI节点竞争同一信道资源时，由于FBE结构中帧结构相对固定以及探测信道机会少且探测位置在帧结构中相对固定，会出现以下问题：

如图3所示，在LTE-U 进行连续传输时，WIFI节点的退避计数器只能在FBE结构的理想空闲时间段内进行退避计数器的递减，从而导致WIFI节点接入信道机会过少。

图3 LTE-U节点与WIFI节点竞争信道

如图4和图5所示，在热点地区，不同运营商之间可能存在共享同一未授权频谱的情况，当一个运营商的LTE-U节点接入信道且一直进行数据业务传输的时候，那么其他运营商的LTE-U节点侦听信道时总是反馈信道忙碌的信息，也会导致阻塞，无法接入信道，无论运营商之间在时序上是同步还是异步。

图4 同步LTE-U节点(异步CCA)竞争信道

图5 异步LTE-U节点(异步CCA)竞争信道

2 E-FBE结构

如前文所述，当LTE-U与WIFI共存时，FBE结构会导致WIFI接入信道的机会大大减少；同时不同运营商所部署的LTE-U节点共存时， FBE结构会导致只有一个运营商可以接入信道进行传输；并且本文考虑到WIFI采取的CSMA/CA机制已经十分成熟，无法做出进一步地改进，因此，针对FBE结构，本文提出一种改进结构，即E-FBE结构，如图6所示。

图6 一种E-FBE结构

E-FBE结构最大的特点就是引入了随机退避机制来进行信道侦听以及接入，且数据发送之前始终需要执行随机退避过程，其具体执行步骤如下：

(1) LTE-U节点需要进行传输时，首先在[1,q]中随机选取数N存入退避计数器，q的取值范围由运营商决定，本文中q的范围为[4,32]。

(2) 节点进行信道侦听，持续时间为不小于20 us，称为初始CCA(ICCA)，如果信道空闲，则转入步骤(3)，否则，节点保持侦听信道状态，直到这一步骤完成。

(3) 检测退避计数器是否为0，如果为0，则节点立即接入信道进行传输，接入信道的时长保持原来FBE的设计，可在1 ms到10 ms中选择，传输结束后的理想空白时间也保持原来FBE的设计，至少为传输时长的5%，包括一个初始CCA。如果计数器不为0，则转入步骤(4)。

(4) 节点继续进行信道侦听，持续时间为一个扩展CCA(ECCA)，本文选取为20 us，如果成功，则退避计数器减1，然后检测退避计数器是否为0，如果为0，则转入步骤(3)，否则，继续进行信道侦听；如果ECCA失败，则冻结退避计数器，返回步骤(2)。

为了明确地表示E-FBE结构的执行流程，其基本判定流程如图7所示。

图7 E-FBE结构的判定流程

当LTE-U和WIFI共存且均有传输需求时，WIFI节点采用CSMA/CA机制进行信道侦听，如果信道空闲，则立即接入进行传输，传输完毕或者最大占据时长用完时，释放信道资源；如果还需要进行传输，则需要执行二进制指数退避过程，即在竞争窗口中随机生成一个随机数，当侦测到信道空闲时，随机数减1，直到随机数减为0时，继续接入信道进行传输；而LTE-U节点在侦听信道时，无论信道空闲与否，均需要依据E-FBE结构，在数据传输之前执行随机退避过程，即在竞争窗口中随机生成一个随机数，当侦测到信道空闲时，随机数减1，直到随机数减为0时，接入信道进行传输；这样就可以避免当WIFI节点和LTE-U节点都侦测到信道空闲时同时接入信道而产生碰撞的情况。值得说明的一点是，CSMA/CA机制和E-FBE结构的竞争窗口大小是不同的，且CSMA/CA机制的竞争窗口在产生碰撞后会依据二进制指数规则进行增大，而E-FBE结构的竞争窗口则由运营商决定，与碰撞与否无关。

当不同运营商的LTE-U节点竞争信道资源时，由于都依据E-FBE结构在发送数据业务之前执行随机退避过程，而且随机数N是在不同运营商所设置的竞争窗口中随机选择，所以节点同时接入信道的概率非常小，从而解决了不同运营商LTE-U节点之间产生碰撞的问题。

此E-FBE结构在数据发送前始终执行随机退避过程，一方面可以让WIFI有更多机会接入信道，避免了共存时LTE压制WIFI性能的情况；另一方面也解决了不同运营商LTE-U节点共存时产生大量碰撞的情况；同时其传输时间和理想空白时间保持原来的设计，也兼顾了FBE结构易与LTE帧结构融合优点。

3 系统模型

为了估计E-FBE结构的性能，本文改进了文献[12]中关于LTE-U与WIFI共存时吞吐量计算的模型。改进的模型利用提出的E-FBE结构，克服了原有模型无法决定在某一时刻是WIFI还是LTE-U接入信道的缺陷，同时也更加精确地计算两者共存时的吞吐量。

3.1 共存场景

在一个给定的区域内，WIFI接入节点和LTE-U小功率基站分别独立均匀分布，密度分别为λwifi和λlte，统称为低功率节点。用Φ表示所有的低功率节点集合，那么t时刻，在同一信道上进行传输的低功率节点集合可以表示为Φ(t)={Φlte(t),Φwifi(t)}，其中Φlte(t)表示LTE-U节点，Φwifi(t)表示WIFI节点。

(1)

由此可以计算位于D处的用户在时间t时的瞬时信干燥比(SINR)是：

(2)

其中，N0是周围环境噪声，∑Z∈Φ(t)AP(D,Z)信道其他传输节点在D处产生的累计干扰。

3.2 判决机制

在t时刻，同一信道上传输的低功率节点集合Φ(t)是计算瞬时信干燥比(SINR)最基本条件，其推导过程如下：

(3)

其中t-是时刻t之前的区间[0,t),Twifi是节点的退避计数器。

(4)

其中Tlte是节点的退避计数器。此判决机制可以保证在节点的竞争区域内，侦听机制将会把信道接入机会授予随机退避完成的节点，而且在竞争区域内，如果有其他节点正在传输数据业务，那么此节点将不会接入信道进行传输。

3.3 吞吐量计算

假设每一个低功率节点上至少连接有一个用户，节点上连接的每个用户都有相同的传输机会，本文依据香农公式来计算用户的吞吐量，考虑用户与相连节点之间的距离r，那么低功率节点的瞬时吞吐量为：

Tr(r)=ηEr(Blog(1+SINR(r)))

(5)

其中η是低功率节点的物理层和MAC层的开销。

为了精确计算低功率节点的吞吐量，本文在改进的模型中引入了用户与相连节点之间距离r的概率密度分布函数，依据文献[13]所定义，距离r的概率密度分布函数为：

f(r)=2πrλe-λπr2

(6)

其中λ是低功率节点的密度。

基于以上分析，可以推导出一个低功率节点的平均吞吐量为：

(7)

本文研究的内容集中在未授权频段，不考虑LTE在授权频段的通信，并且未授权频段的通信只用于下行流量卸载；为了利于对比，WIFI的数据业务也只考虑下行流量卸载。此外，本文假设所有的低功率节点同时竞争同一信道资源。

4 仿 真

本文采用MATLAB作为仿真平台，主要进行室内仿真，场景是文献[7]中所规定的室内仿真场景，如图8所示。

图8 室内仿真场景

假设所有的低功率节点在共存场景中均匀分布，即λwifi=λlte；假定WIFI和LTE-U的物理层速率均为11 Mbps，WIFI采用802.11b标准，竞争窗口的初始区间为[0,32]，窗口最大值为1 024；每个物理帧传输时间固定为50个时隙，时隙长度为20 us。LTE-U采用的E-FBE结构的竞争窗口区间依据文献[8]设置为[1,q]，q的范围是[4,32]，假如数据传输占用时长为1 ms。同时假设所有发送节点始终处于饱和状态，即发包队列中一直不为空，仿真持续时间是1 s，其他关键参数依据文献[7,14]中最新仿真参数设计，如表1所示。

表1 仿真参数

本文设定三种仿真方案：

(1) 运营商A铺设WIFI网络，运营商B同样铺设WIFI网络，这种情况作为基本对比标准；

(2) 运营商A铺设WIFI网络，运营商B将WIFI替换成LTE-U网络，其中LTE-U先后分别采取FBE结构和E-FBE结构；

(3) 运营商A铺设LTE-U网络，运营商B同样铺设LTE-U网络，并且两者同时采用FBE结构或者E-FBE结构。

本文所有模拟的情况中，假定所有节点均竞争同一信道资源，其带宽为20 MHz。

仿真1模拟了当WIFI和LTE-U的低功率节点总数为12时的共存方案，定性地反映FBE结构存在的问题以及E-FBE结构解决问题的有效性，结果如图9所示。

图9 低功率节点总数为12时共存方案的吞吐量

在WIFI和LTE-U共存场景下，从图9中3和4可以看出，采用FBE结构的LTE-U压制了WIFI的吞吐量；而5和6则表明采用了E-FBE结构的LTE-U在共存场景中可以让WIFI获取与之几乎相等的吞吐量；从7和8可得，在不同运营商部署的采用FBE结构的LTE-U共存场景下，只有一个运营商的LTE-U节点可以传输，而9和10则反映出采用了E-FBE结构的LTE-U，不同运营商获得了几乎相等的吞吐量，实现了和谐共存。导致以上结果的原因在于FBE结构有相对固定的帧结构，且每帧只有一次侦听信道的机会，信道忙碌，则等待下一帧，信道空闲，则立即接入；而E-FBE结构执行与CSMA/CA类似的随机退避机制，节点在信道忙碌的时候一直保持侦听状态，直到信道空闲进行递减随机退避计数器，当计数器为零时，则接入信道进行传输，在避免碰撞的同时也让出更多机会给其他节点进行接入信道。

为了进一步验证E-FBE结构的性能，本文将参与竞争信道资源的低功率节点数作为变量，仿真2模拟了低功率节点数各自同时从2增加到10时，运营商A部署的LTE-U与运营商B的部署的WIFI共存的方案，其中LTE-U分别同时采用FBE结构或E-FBE结构，结果如图10所示。

图10 WIFI和LTE-U共存场景中低功率节点数变化的吞吐量

从图10中可以得出，随着低功率节点数的增加，采用FBE结构的LTE-U与WIFI共存时，LTE-U还是会压制WIFI的吞吐量；而采用E-FBE结构的LTE-U与WIFI共存时，节点数的变化也不会引起LTE-U压制WIFI吞吐量，且二者共存时获得的吞吐量差别不大。原因在于FBE结构不需要进行随机退避，信道一旦空闲就会立即接入，而E-FBE结构会执行与CSMA/CA类似的随机退避机制，让出更多机会让其他节点接入信道，所提出的E-FBE结构可以有效地解决LTE与WIFI无法和谐共存的问题。

仿真3模拟了低功率节点数各自同时从2增加到10时，运营商A部署的LTE-U与运营商B的部署的LTE-U共存的方案，其中LTE-U分别同时采用FBE结构或E-FBE结构，结果如图11所示。

图11 LTE-U和LTE-U共存场景中低功率节点数变化的吞吐量

由图11可以看出，当LTE-U采用FBE结构时，运营商B的LTE-U小功率基站被完全阻塞，无法接入信道，而运营商A的LTE-U小功率基站则一直保持传输；但是当它们采用E-FBE结构时，运营商A的LTE-U和运营商B的LTE-U可以获得几乎相等的吞吐量，实现和谐共存，究其原因还是因为FBE结构不进行随机退避，信道一旦空闲，则立即接入进行传输，而E-FBE结构进行随机退避，信道空闲则进行退避计数器的递减，信道接入机会被多个节点公平竞争。

此外，为了探究信道利用率，本文也研究了在所有共存方案中，运营商所部署的低功率节点数各自同时从2增加到10时，系统总的吞吐量的变化情况，结果如图12所示。

图12 低功率节点数变化时共存方案的总吞吐量

图12表示，随着低功率节点数的增加，不同运营商部署的LTE-U采用FBE结构共存时，总的吞吐量保持不变，这是由于FBE不进行随机退避，一旦接入信道，就一直保持传输，阻塞其他小功率基站进行接入；其他共存方案中，总的吞吐量随着低功率节点数的增加而下降，这是因为节点数的增加导致信道竞争越来越激烈，更多的时间被随机退避所占据，所以信道利用率减小，总的吞吐量下降。另外，WIFI和LTE-U共存方案中总的吞吐量比WIFI和WIFI共存方案中总的吞吐量要大，信道利用率高，原因在于E-FBE的竞争窗口比CSMA/CA的竞争窗口小，信道处于节点随机退避阶段的时间小，从而证明E-FBE结构利于LTE-U与WIFI和谐共存。

5 结 语

本文提出了一种增强LBT策略，在原有FBE结构中引入随机退避过程，在信道空闲时进行退避计数器的递减，将信道接入机会让给其他接入节点；此外，为了计算LTE-U和WIFI共存方案中的两种接入技术的吞吐量，本文也提出了一个应用E-FBE结构的改进模型，可以保证在共存方案中信道接入机会更加准确地分配给最需要传输的节点。仿真结果表明E-FBE结构可以解决WIFI和LTE-U共存时WIFI吞吐量被压制以及不同LTE-U共存时只有一个运营商的LTE-U可以接入信道的问题，为LTE-U公平地使用未授权频段提供了一种解决方法。

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RESEARCH ON LTE USING UNLICENSED FREQUENCY BAND

Hu Hengheng Zhou Bin Zheng Min Yu Kai

(ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademySciences,Shanghai200050,China)

The introduction of LTE technology into the unlicensed band is one of the methods to solve the spectrum resource constraints of cellular systems. Describe the coexistence challenges that LTE introduces into unlicensed bands. In this paper, an enhanced FBE (E-FBE) structure is proposed for the LTE with FBE structure in LBT strategy to achieve the coexistence of fewer interception channel opportunities and fixed listening position. The structure introduces a random backoff procedure that allows LTE to listen for channels more flexibly based on the channel state. The simulation results show that, when WIFI and LTE coexist, this structure can solve the problem of LTE suppressed throughput and realize harmonious coexistence.

LTE Unlicensed band WIFI LBT FBE

2016-05-11。中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA0611100);上海市自然科学基金(13ZR1440700)。胡恒恒，硕士生，主研领域：宽带无线通信，5G网络中多制式接入技术融合。周斌，副研究员。郑敏，研究员。俞凯，研究员。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.06.025