LTE-U与Wi-Fi异构网络下的公平共存方案

王华华，王晓娟，余永坤

（重庆邮电大学移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065）

LTE-U与Wi-Fi异构网络下的公平共存方案

王华华，王晓娟，余永坤

（重庆邮电大学移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065）

本文首先对LTE-U技术进行概述并对其在5GHz非授权频谱上与Wi-Fi进行对比，凸显其优势所在。同时表明与现有Wi-Fi技术共存问题是LTE-U发展的最大瓶颈，并提出三种解决方案，以使LTE-U突破共存瓶颈，在Wi-Fi和LTE-U网络公平共存场景下的，使得系统性能得到了进一步提升。

LTE-U；Wi-Fi；共存；LBT；CSAT；DCS

1 引言

智能手机、平板电脑等无线设备的使用导致了移动数据的爆炸性增长，凸显出频谱匮乏与需求间的深刻矛盾，而移动数据流量的承载依然以授权频谱为基础，出于授权频谱资源的有限性，移动网络的容量也受到了很大的限制。与此同时，在5GHz频段却存在着丰富的非授权频谱资源，如能有效利用这一频段就可以解决授权频谱资源不足与据流量增长之间的矛盾。因此，LTE-U技术应运而生[1]。

LTE-U是一种在5GHz的非授权频谱下，能够为用户提供运营商及网络服务的一种无线接入技术。3GPP提出的LTE-U技术框架，将免许可频段作为许可频段的补充，这项技术可借助载波聚合SDL（Supplemental Downlink）技术，将数据流量分流到未授权的U-NII（Unlicensed National Information Infrastructure）频段。

相比于同样工作在5GHz的其他接入技术，如Wi-Fi，工作在未授权频段的LTE-U系统在网络架构、覆盖能力和网络容量方面具有更大的优势，其有能力提高频谱效率和系统容量，扩大覆盖范围、增强用户体验。图1和图2分别展示了相同发射功率和传输配置下LTE-U相对Wi-Fi在覆盖面积和系统容量上的提升[1]。

图1 LTE-U相对Wi-Fi在覆盖范围上的提升

图2 LTE-U相对Wi-Fi在系统容量上的提升

2 LTE-U发展瓶颈

LTE-U的发展面临着诸多挑战，其中与现有的Wi-Fi系统共存是LTE-U遇到的最大瓶颈。由于Wi-Fi和LTE-U异构，缺少沟通渠道，使得它们在免许可频段上遭遇共存问题。在谷歌白皮书抗议中写道，移动运营商计划用非授权频段提供LTE服务，此举将影响并排挤Wi-Fi、蓝牙等其他使用非授权频段的技术。

目前，在诺基亚的研究中，评估了LTE-U和Wi-Fi两个系统同时处于“稀疏”和“密集”环境下共存的系统性能表现[2]，仿真结果如图3所示。

各系统的性能状况是通过用户吞吐量来反映，从仿真结果中，我们可观察到共存模式下LTE-U系统受到Wi-Fi传输的影响较小，其中在4个AP（Access Point，接入点）和10个STA（Ststion，工作站）的情况下，LTE-U用户吞吐量减少得最高，约为4%。然而，这种共存对于Wi-Fi系统的性能造成了明显的下降，在影响最小的情况下（4个AP和25个STA），Wi-Fi系统的用户吞吐量就已经降低了70%左右，在10个AP和25个STA的分布情况下，Wi-Fi系统的用户吞吐量甚至降低了98%。

图3 各分布情况下用户吞吐量

这是因为Wi-Fi采用的是“先听后说”的LBT的机制，Wi-Fi节点（AP或者设备）在某个信道进行传输前先“监听”，只有当一个信道被认为是“空着”的时候，节点才会被允许进行信号传输；如果信道被监测到“被占用”状态，则节点将推迟一段时间（随机）再进行信号传输以免冲突[3]。而LTE-U使用OFDM信道接入技术，一般不进行载波感知探测（因为该技术认为许可频段的独家使用权），根据控制和管理信令安排最佳信道。

在二者共存时，如果不加限制，就会造成Wi-Fi节点受到了LTE-U在一段时间内的几乎恒定的强烈的干扰，使得Wi-Fi节点感知到信道忙而长期处于监听状态，显著影响了用户的吞吐量。如果不指定LTE和Wi-Fi的共存标准，只简单将LTE-U作为LTE的“新频段”而没有共存机制，很可能导致LTE-U挤走Wi-Fi，将存在“公地悲剧”的风险。

3 异构网LTE-U和Wi-Fi的共存方案

当LTE-U和Wi-Fi网络共存时，Wi-Fi面临无法接入信道的局面，而异构网络又无渠道传递消息。因此，如何实现LTE-U与Wi-Fi公平共存而不降低数据吞吐量效率，是当前需要解决的关键问题。在本节中，提出三种共存设计方案，以解决LTE-U和Wi-Fi之间的共存问题。

LTE-U设计方向之一是采用与Wi-Fi相同的模式。也就是说，LTE-U设备在接入信道之前也需要对信道进行检测，来确保信道是空的，即采用“先听后说”的LBT机制[4]。LBT机制使得设备在传输数据前先进行CCA（Clear Channel Assessment，空闲信道评估），这即可确保对介质的公平访问，同时也是一个非常有效的共享未授权频谱的方法。

LTE-U的设计方向之二是使用调度机制暂时释放信道。在Wi-Fi和LTE-U密集部署的小区，LTE-U系统可能无法检测到空闲的信道，在这种情况下，LTE-U可以通过CSAT技术来实现与同一小区和相邻小区的Wi-Fi或LTE-U信道共享。对于CSAT机制[5]，其定义了一个发送循环周期，在这个循环周期里，LTE-U只用一部分时间间隔进行数据的传输，其中传输执行与传输停止的占空比是由小区内其他传输系统的活动程度决定的，这样就可以确保信道的共享和服务的质量。

图4 CSAT的原理图

LTE-U的设计方向之三是采用DCS机制，旨在避免LTE-U用户占用信道太长时间，并且当网络中的业务负载低时为Wi-Fi用户提供更多的接入机会。

图5 动态信道选择示例

在DCS机制[6]中，当LTE-U用户有数据传输时，它将首先监听一个信道，例如，信道1，在传输之前，如果信道1是空闲的，在一个FB（Frame Block，FB）周期内，用户在信道1上传输数据。在一个FB周期内，如果LTE-U用户不能完成数据的传输，那么，它并非在下一个FB周期且在相同信道内继续进行数据的传输。而是，会首先在这一FB周期的最后一帧监听检测其他的信道。如果检测到有其他空闲信道，比如信道n空闲，它将在这一FB周期的最后时刻，从当前数据传输的信道1切到空闲的信道n进行数据传输，否则的话，它将会在下一个FB周期且在相同信道内继续传输数据。如果LTE-U用户检测到空闲信道并进行信道切换，那么，当前占用的信道就会处于空闲状态，这将为Wi-Fi用户提供接入机会。

4 LTE-U的发展之路

LTE作为一个设计严谨，结构复杂的成熟通信系统，将LTE引入到非授权频段既减轻了授权频段的压力，同时又不会对本身存在于非授权频段的网络造成影响。虽然在与Wi-Fi的共存问题上存在挑战，但针对共存问题也提出了一些有效的协调机制，如LBT、CSAT、ABS、DCS、ACA等机制，并且据已有的结论，在非授权频段引入LTE后对Wi-Fi造成的影响不会超过其他Wi-Fi对该Wi-Fi的影响。在LTE-U部署上发布的世界首个试验结果也鼓励运营商追求利用未授权频谱的互补接入的部署。总而言之，LTE系统能够在非授权频段和现有的Wi-Fi等接入技术共存，其必将有着广阔的发展前景。

5 结束语

随着无线通信技术不断发展，无线频谱资源匿乏的问题日益显现。随着LTE和Wi-Fi技术广泛应用于无线通信中，LTE在非授权频段的部署变为可能，因此LTE-U技术应运而生。但是Wi-Fi和LTE-U异构，缺少沟通渠道，LTE-U和Wi-Fi和谐共存问题不容忽视。本文在处理Wi-Fi与LTE-U网络共存问题时，提出三种共存设计方案，以使LTE-U突破瓶颈，在Wi-Fi和LTE-U网络公平共存场景下的，使得系统性能得到进一步提升。

[1] 赵思聪，黄磊等．LTE-U：未来移动通信系统发展的助推剂[J]．电信科学，2016.4

[2] 凌扬珺．Wi-Fi与LTE-U异构网络下干扰协调机制研究[M]．西南交通大学，2016.6:19-26

[3] 彭丽，张纯波．LTE-U技术及发展浅析[J]．数据通信，2016.1:23-24

[4] 蔡凤恩，成蕾，刘欢等．非授权频段中LTE和Wi-Fi共存系统性能研究[J]．电信工程技术与标准化，2015.10:(28)10

[5] 于超．浅析LTE-U网络技术[J]．广东通信技术，2015.07

[6] Jie Xiao, Jun Zheng,An Adaptive Channel Access Mechanism for LTE-U and WiFi Coexistence in an Unlicensed Spectrum[J],2016 IEEE International Conference on Communications (ICC),2016.7:1-6.

Fair Coexistence Scheme between LTE-U and Wi-Fi Heterogeneous Networks

Wang Huahua,Wang Xiaojuan,Yu Yongkun
(Chongqing University of Posts and Telecommunications (CQUPT), Chongqing Key Lab of Mobile Communications Protocol, Chongqing, 400065)

Firstly, an overview of LTE-U was presented, and it is expected that LTE-U performs better than Wi-Fi in 5GHz unlicensed bands. A crucial issue that arises with LTE-U is the coexistence of an LTE-U system and a Wi-Fi system in the same unlicensed band. In this section, we present the proposed Three schemes for LTE-U and WiFi to share an unlicensed spectrum, Under the fair coexistence scenario of Wi-Fi and LTE-U networks, LTE-U can break through the bottleneck and the system performance can be further enhanced.

LTE-U; Wi-Fi; coexistence; LBT; CSAT; DCS

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.004

TN929.5文献标示码：A

1672-7274（2017）08-0011-03

王华华，男，硕士生导师，高级工程师，主要研究方向嵌入式系统（移动通信基带处理系统），通信软件开发。

王晓娟，女，硕士生，主要研究方向为LTE-A Pro系统协议栈开发与测试。

余永坤，男，本科生，就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院。