3GPP LTE授权辅助接入性能分析

冉懋海，秦江伟，裴二荣

（1.重庆电力高等专科学校，重庆 400053；2.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

随着通信技术的不断发展，无线通信的业务种类和需求迅速增加。据业内报道，从2010年到2020年全球的移动数据流量将会增长超过1 000倍［1］。因此，为了获得更好的用户体验，需要对通信速率、系统容量、传输时延以及通信安全等提出更高的要求。为了达到这个目的，产业界和学术界为第5代移动通信网络提出了许多新技术。这些技术主要分为2类解决方案。第一类是在授权频谱上通过改进物理层和MAC层关键技术尽可能提高频谱利用效率［2-3］。然而，目前授权频谱利用率已经接近极限。因此，该方案仍然无法从根本上满足人们对移动数据流量的需求。第二类是将当前的蜂窝技术即LTE/LTE-A技术拓展到免授权频谱上，大量增加通信所需的频谱资源以满足当前和未来对移动流量的需求［4-5］。目前在免授权频段上充斥着大量的无线设备，如WiFi、蓝牙、Zigbee等，其中以低成本和高数据速率的WiFi为主。因此，当前LTE工作在免授权频谱上的核心问题是设计一个共存机制使得LTE与WiFi网络在免授权频段上和谐共存，既要让LTE获得足够的频谱满足通信需求，又要避免过度干扰到WiFi网络及其用户。

目前在免授权频段上LTE和WiFi的共存方案主要有2种：占空比静默模式（duty cycle muting，DCM）和授权辅助接入模式（licensed assisted access，LAA）。DCM 是LTE-U的第一个版本，最初由爱立信和高通公司在2013年提出［4］。这种方案通过LTE周期性静默一段时间的方式与WiFi分享免授权频谱，不需要“先听后说”（listen before talk，LBT），并且因为不需要修改LTE协议而很容易部署，目前只在中国、印度、韩国和美国使用［4-5］。在2014年6月法国的Sophia Antipolis会议中，首次提出LTE LAA方案。这种方案旨在寻求一个长远的全球解决方案，它的一个重要特征就是LTE接入免授权频谱前需要对信道情况进行评估，即LBT机制的空闲信道评估（clear channel assessment，CCA）过程。因而这种机制需要对LTE协议栈进行修改以及设备商的支持［6］。目前3GPP、ESTI等电信组织也正在积极对LBT接入方案制定相关标准。在本文中，我们更加关注LTE和WiFi共存的长远解决方案，因而主要研究LTE与WiFi网络之间基于LBT的接入方案即LAA方案。

当前，LAA正在吸引越来越多研究人员的关注，已有大量文献发表，如文献［7-12］。因为存在LAA对现有的WiFi网络影响的担心，一些研究人员正在研究和分析LTE LAA网络性能。

Kwon H J等［13］详细地介绍了3GPP推荐的LAA方案的关键技术特点。作为关键技术之一，基于二进制指数退避机制的竞争窗口适应技术被详细地介绍。

在文献［7，14-15］中，作者利用随机几何理论对基于LBT的LAA方案进行了建模，并且评估了它们的性能。然而，在这些文献中，为了能够利用随机几何理论对LAA进行建模，LAA方案中的退避时间被假定为均匀地分布在［0，1］区间。这种假设忽视了竞争窗口大小的变化，这可能使提出的模型不能如实地反应退避机制的实际行为，进而导致性能分析与实际出现较大误差。

Song Y等［8］将使用了LBT机制的小基站建模成了一个新马尔科夫链，然后基于提出的模型找到了能够最大化吞吐量的最优竞争窗口大小。

Chen C等［11］将一个没有退避机制的简单LAA方案建模成为一个二维的离散的马尔科夫链，并且推导出了LAA和WiFi的下行吞吐量。然而，这篇文献研究的对象是固定竞争窗口大小的LBT机制。而且，在这篇文献中，作者假定包冲突不一定导致传输失败，只是导致了不同的包传输速率。而且，作者也假定了包冲突的鲁棒性，即包传输在低速率时也能传输。所有的这些假设和考虑都使得这篇文献研究的LBT接入机制与3GPP LAA方案具有较大的不同。

Yi J等［12］考虑到LAA结构开销提出了一个新颖的马尔科夫链分析模型，并且基于这个模型推导出了在不同帧开销情况下LAA的吞吐量表达式。通过仿真结果和预期值的比较，证明了提出模型的有效性。然而，这篇文献的作者没有对LAA方案进行建模，而是直接使用了IEEE 802.11 DCF的Bianchi模型。因此，忽视了LAA方案与IEEE 802.11 DCF的不同。

与上面提到的LAA方案不同，3GPP有2个特点［13］：①竞争窗口大小是可变的，并且随着重传次数而翻倍，即执行二进制指数退避机制。②自从LAA被激活，除了第一次传输，LAA传输数据前必须先进入ECCA（Extended clear channel assessment）程序。

3GPP LAA方案也不同于WiFi系统中的802.11 DCF（Distributed coordination function）协议：①在3GPP LAA方案中，除了第一次传输，LAA传输前总是先进入到ECCA程序。与之对比，DCF要求发送端在发送数据前先探测信道，如果信道被占用，那么发送端执行退避机制（类似于LAA中的ECCA）。因此，DCF中执行退避机制的概率小于1。②3GPP LAA方案总是工作在LTE和WiFi网络共存的场景中，而DCF只工作在单独的WiFi系统中。

从以上讨论可以看出，3GPP LAA与前文讨论的LAA方案以及IEEE DCF之间都有很大的不同。因此，现有文献为LAA方案和IEEE DCF进行性能评估提出的模型无法应用于3GPP LAA方案。

到目前为止，还没有文献考虑到前文所述的3GPP LAA特点并分析其性能。因此，首先对3GPP LAA方案进行建模，然后基于所建模型推导信道占用率和冲突概率等性能指标表达式，最后给出改进建议。

1 系统模型

1.1 网络模型

本文考虑了多个LAA小基站（SBSs）和多个WiFi接入点（APs）的共存场景，网络模型如图1所示。LAA SBSs可以使用授权频谱和免授权频谱来支持其覆盖区域内所有LAA用户的下行传输，而WiFi APs只能使用免授权频谱来服务较小的区域中用户。众所周知，可以自动或手动的将不同的免授权信道分配给不同的WiFi APs，并且也可以通过空间距离来隔离在相同信道上操作的WiFi APs。虽然LAA SBSs可能同时使用多个免授权信道（多个不同的WiFi APs可能工作在这些不同的免授权信道上），但主要关注LAA和WiFi在某一个免授权信道上的共存性能。因此，所考虑的场景可以简化为更简单的共存场景：多个LAA SBSs和某一个WiFi AP在某个免授权信道上共存。因此，假设在所考虑的共存场景中某个免授权信道上工作着nl个LAA SBSs和一个具有nw用户的WiFi AP。

值得注意的是，在独立LTE系统中，分组重传主要基于混合自动重传请求（HARQ）-ACK反馈。HARQ-ACK反馈可以从ACK、NACK和DTX获取值，其中ACK指的是正确接收的情况，NACK指的是正确检测到控制信息（即PDCCH）但在数据（即PDSCH）接收中存在错误的情况，DTX指的是用户忽略包含调度信息（即PDCCH）的控制消息而不是数据本身（即PDSCH）的情况［12］。然而，本文主要关注3GPP LAA方案的共存性能。因此，在考虑的场景中忽略了信道质量（它是在独立的LTE系统中包重传的主要原因）。也就是说，在本文中，SBSs之间以及SBSs与WiFi用户之间的包冲突是LAA网络中包重传的唯一原因。

图1 网络模型示意图

1.2 IEEE 802.11接入机制

无线局域网（wireless local area network，WLAN）中主要有4种信道接入方法，分别是分布式协调功能（distributed coordination function，DCF）、点协调功能（point coordination function，PCF）、混合协调功能（hybrid coordination function，HCF）以及增强型分布信道接入（enhanced distributed channel access，EDCA），其中DCF接入机制是当前多数情况下WLAN默认配置采用的接入方式。在基于载波监听多点接入/碰撞避免（carrier sense multiple access/collision avoidance，CSMA/CA）协议工作的DCF接入机制中，用户在传输数据前都需要通过竞争的方式去占用信道，进而发送分组。具体过程为：当某个WiFi AP需要传输数据时，先要进行信道检测，如果发现信道空闲，则等待一个分布式帧间间隔（Distributed Inter-Frame Space，DIFS）后发送分组，若分组发送完成后终端成功接收，则经过一个短帧间间隔（short Inter frame space，SIFS）后，向源端发送确认帧ACK（acknowledged frame）。如果检测到信道忙，则必须在信道由忙态转到空闲态，经过一个DIFS时间后，执行退避算法。DCF中采用的是二进制指数退避算法，竞争窗口（contention window，CW）值CW=2iCWmin，其中i表示退避阶段数且i∈［0，m1］。当设备使用退避算法选择了CW 中的某个值后，就根据该值设置一个退避计时器N。当N=0时，就开始传输数据，而当N≠0时且信道又转为忙态时，则需要冻结退避计时器的值N，重新等待信道变为空闲，再经过一个DIFS后，继续启动退避计时器（从剩下的时间开始），如图2所示。

图2 DCF接入机制

正如文献［10］所讨论的，WiFi网络DCF接入行为满足二维离散马尔可夫过程。假设pw、τw分别表示WiFi系统内碰撞概率和用户在任意时隙内传输分组的概率，则

2 模型分析

2.1 二维离散M arkov模型

在3GPP提出的LAA方案中，在免授权频段上的空闲信道评估过程包含2个部分［11］，分别是初始CCA（initial CCA，ICCA）和ECCA。基于3GPP提出的LTE LAA方案的2个新特点，将其建造成一个新的二维离散Markov模型，如图3所示。在图3中，状态X表示LAA新的传输状态。当退避计数器或者空闲时隙数的值减小到零时即在状态（i，0）时，LAA立即发送分组。然后LAA以1-pl的概率（即分组成功发送的概率）进入到新传输状态X。为了使得LAA不会一直占用信道，3GPP提出的LAA方案要求在成功发送分组后新的传输直接执行随机退避过程即进入到ECCA过程，即状态X以概率1进入到退避状态，退避值首先在最小竞争窗口范围内产生。当退避计数器的值减小到0，如果分组发送成功，则再次进入到状态X。如果发送不成功则再次进入到退避状态，其竞争窗口大小以2i×W增加。

图3 3GPP LAA方案的马尔可夫链模型示意图

按照LAA方案，LTE接入免授权信道需要进行ICCA和ECCA 2个检测过程，其中L表示ICCA过程所需要的总时隙数。假设Hi和He分别表示ICCA和ECCA检测过程，其状态符号分别为0和1，2，…，m，那么LAA用户状态s（t）在任意时隙的取值为Hi或者He，其相应状态计数器取值为b（t）。假设pl为LAA网络中用户的碰撞概率，即2个及2个以上LAA设备同时发送分组的概率。该模型中，分组在发送过程中无论遭遇多少次重传，假设其碰撞概率pl都是恒定且独立。

将二维离散马尔可夫过程的状态转移概率简化表示为：

令m=m2，则上述Markov模型的一阶非零状态转移概率可以表示为：

式（4a）表示ICCA过程中，信道空闲，则计数器就递减。式（4b）表示ECCA过程中，信道空闲，则计数器就递减，否则冻结退避计数器的值。式（4c）表示当LAA重传发生时退避到下一个阶段。式（4d）表示在ECCA过程中如果分组在预定的碰撞次数之内没有成功发送数据，则丢弃数据且信道检测过程从新的ICCA开始。式（4e）表示在ICCA过程中如果信道忙，则设备进入ECCA检测过程。式（4f）表示LAA分组成功发送后进入新的传输时需进入ECCA过程并自动执行随机退避流程。

由式（5）可得：

根据图3所建造的Markov模型，我们基于随机过程理论可知

2.2 退避机制

按照3GPP推荐的LAA方案，LAA的竞争窗口基于二进制指数退避机制进行退避。LAA在发送数据后如果没有收到反馈或者超过时间没有收到反馈，数据需要重传，其竞争窗口以2i×W 增加。重传次数越多，退避的时间就可能越长，直到达到预定重传次数后丢弃分组。在LAA中的二进制指数退避机制提供了一个处理超负荷问题的方法，传输的重复失败导致更长的退避时间，这将有助于负荷的平滑。为了通过比较来深入分析LAA方案性能，本文也提出了基于线性退避的LAA共存方案，即当数据发生NACK或者DTX的情况时，退避到下一个阶段且竞争窗口将按照线性方式增加。

1）二进制指数退避机制：假设W=CWmin，则最大退避窗口值为CWmax=2m2·W，第i次退避时退避窗口值表示为Wi=2i·W。因此，通过归一化运算，可得LAA用户的传送概率为

式中，

2）线性退避机制：假设W=CWmin，则最大退避窗口值为CWmax=2W·m2，第i次退避时退避窗口值表示为Wi=i·2W。因此，通过归一化运算，可得LAA用户的传送概率为

式中，

3）固定窗口退避机制：假设设备在每次执行退避机制时，竞争窗口都以一个固定值退避，即Wi=W，i表示退避次数且最大退避次数为m2。因此，通过归一化运算，可得LAA用户的传送概率为

3 LAA与W iFi用户的碰撞概率和信道占用率

在共存系统中，已知传送概率为τl（包含τl1和τl2）和τw，LAA网络用户的平稳碰撞概率pl为［12］

同理对于WiFi用户可知：

假设pt，l和pt，w分别表示共存系统中至少有一个LAA用户和至少有一个WiFi用户传输数据的概率，因此

在至少有一个LAA用户（WiFi用户）传输数据的条件下只有一个LAA用户传输数据的概率ps，l（ps，w）可表示为［12］

值得注意的是，Markov链中每个状态的持续时间并不相同，也就是说，它取决于各个状态。本文提出的新型Markov链中有3种状态，分别是成功传输状态、碰撞状态和退避状态。其中，碰撞状态包含3种类型的碰撞，它们是WiFi用户之间的碰撞，LAA SBSs之间的碰撞以及LAA SBSs与WiFi用户之间的交叉碰撞。与IEEE 802.11 DCF类似，文中所提出的模型没有空闲状态。这是因为正如前面所阐述的LAA总是有数据包等待传输，并且以概率1进入ECCA过程。还应该指出，退避状态的持续时间实际上包含空闲时隙。这是为了平滑业务负载设计的，而不能被LAA SBSs和WiFi APs所利用，这也被看作是开销。令σ为一个时隙长度，则退避状态的平均持续时间为

令Qw为WiFi数据包的长度，则WiFi Aps平均成功传输时间为

令Ql为LAA帧长，则LAA SBSs平均成功传输时间为

在WiFi用户之间碰撞中，平均持续时间为

令为ECCA过程中的延迟时间，则LAA SBSs之间碰撞中，平均持续时间为

在LAA SBSs与WiFi用户之间的交叉碰撞中，平均持续时间为

令Tc，w=Qw+TDIFS，Tc，l=Ql+Td，则WiFi用户与LAA SBSs之间的交叉碰撞中，Tc，A的大小取决于Tc，l和Tc，w长度，即，Tc，A=max｛Tc，l，Tc，w｝。

因此，每个状态的平均消耗时间可以表示为

假设和Rs，w分别表示LAA和WiFi用户信道占用率，Ts表示系统总时间，因此

4 仿真结果

通过数值仿真对LAA和WiFi网络基于LBT的共存机制进行性能分析，具体仿真参数如表1所示。

表1 系统仿真参数

图4表示W=128，k=2 W 和不同WiFi用户数的情况下WiFi用户的碰撞概率与LAA用户数的关系。图5表示W=128，k=2 W 和不同LAA用户数情况下WiFi用户的碰撞概率与WiFi用户数的关系。

图4 WiFi用户碰撞概率与LAA SBS的关系

图5 WiFi碰撞概率与WiFi用户数的关系

为了便于比较分析LBT共存方案，图4、图5中增加了3条基于相同数量的WiFi用户下的碰撞概率曲线。从图4可以看出，在WiFi用户数一定时，WiFi的碰撞概率随着LAA用户数的增加而增加。这是因为LAA用户的增加意味着更多的用户参与免授权信道的竞争，增加了WiFi的碰撞概率。从图5可以看出，在LAA用户数一定时，WiFi的碰撞概率随着WiFi用户数的增加而增加。这是因为WiFi用户的增加意味着更多的用户参与免授权信道的竞争，增加了WiFi的碰撞概率。

从图4、5可以看出，图5曲线的斜率要大于图4。这说明增加WiFi用户比增加LAA用户使得碰撞概率增加的幅度更大。另外，与相同数量的WiFi用户情况下的碰撞概率相比较，LBT共存方案下的碰撞概率较小。这是因为3GPP提出的LBT共存方案不仅要求LAA用户在接入信道前需要探测信道，而且在连续发送帧时为了不一直占用信道而直接进入ECCA过程并执行随机退避过程。与WiFi用户每发送一帧都需要探测信道相比，相同数量的LAA用户与WiFi用户相比，LAA用户导致的碰撞概率较小。这也说明了3GPP提出的LBT共存方案具有较好的友好性。图中线性退避机制下WiFi碰撞概率均约大于同等情况下虚线所代表的二进制退避机制下的碰撞概率，这是因为分组在遭受冲突时，相对于二进制退避机制而言，线性退避机制所产生的退避窗口值要更小。

图6表示LAA用户和WiFi用户总数不变情况下（例如：nl+nw=11，nl从1递增到10，nw反之），信道占用率（即Rs，l、Rs，w）与用户数的关系。图6中圆圈、矩形和椭圆标注的位置分别表示固定、线性和3GPP LAA方案下WiFi的信道占用率等于LAA信道占用率的点（即Rs，l=Rs，w）。这些点为半共享点。从图中可以看出，在LAA SBSs和WiFi用户数量方面，W=16和W=32下的半共享点之间存在很大差异，这表明LAA共存方案中的参数W对共存性能具有很大的影响。固定LAA方案下LAA的信道占用率总是高于3GPP和线性LAA方案下的信道占用率，而WiFi的信道占用率则相反。这是因为固定LAA方案比3GPP和线性LAA方案更具侵略性。因此，固定LAA方案可以为LAA SBS/终端占用更多的机会，这降低了WiFi用户同时使用该信道的机会，并且进一步导致了抑制的WiFi性能。

图6 信道占用率和LAA SBS/WiFi用户数的关系

图7表示固定WiFi用户（例如：nw=10），步进增大LAA用户情况下，LAA和WiFi用户信道占用率与LAA用户数的关系。从图7可以看出，随着LAA用户数的增加，LAA信道占用率越来越高，而WiFi占用率越来越低。同时也可以看出，在相同的最小竞争窗口大小（Contention Window size，CWS）（W=16或W=32）下，固定LAA方案下LAA的信道占用率是3种LAA方案中最多的，而3GPP LAA方案下的信道占用率是最少的，WiFi的信道占用率正好相反。

图7 WiFi用户固定时信道占用率情况

从图7还可以看出，当LAA SBS的数量很大时，W=16的固定和线性LAA方案下的LAA信道占用率低于W=16的3GPP LAA方案下的LAA信道占用率。W=32的固定和线性方案下的LAA信道占用率仍高于W=32的3GPP LAA方案下的LAA信道占用率。这是因为大量LAA SBSs产生的大量退避分组（因为LAA在发送数据包之前需要直接进入退避过程）使固定和线性LAA方案中的CWS无法平滑负载。这导致高的碰撞概率，并最终导致信道占用率的降低。相反，在W=32下，可以使用更大的CWS来避免问题的发生。

图8表示固定LAA用户（例如：nl=5），步进增大WiFi用户情况下，LAA与WiFi用户信道占用率与WiFi用户数的关系。从图中可以看出，随着WiFi用户数量的增长，LAA信道占用率越来越低，WiFi信道占用率相反。这是因为WiFi用户的数量的增加意味着更多的WiFi用户与固定数量的LAA用户竞争免授权信道。这可能导致WiFi信道占用率的增加和LAA信道占用率的降低。从图中还可以看出，在相同的最小CWS下，固定LAA方案下的LAA信道占用率最高，而3GPP LAA方案下的LAA信道占用率最低，WiFi信道占用率相反。

图8 LAA SBSs数量固定时信道占用率情况

5 结论

考虑到3GPP LAA方案的2个特点，即采用二进制指数退避机制以及LAA SBSs发送新的数据前直接进入到ECCA过程，本文将3GPP LAA方案建模成了一个新的马尔科夫链，并基于提出的模型推导出了LAA和WiFi用户的信道占用率和碰撞概率。为了通过比较深入分析，本文也对竞争窗口固定和线性退避的LAA方案进行了研究分析。大量的仿真结果证明了本文所提出的模型的有效性。仿真结果还表明，最小CWS对免授权频谱的共享有很大影响，而对总信道占用率的影响很小。同时，与线性和固定LAA方案相比，LTE R13中的3GPP LAA方案具有最佳的友好性和相当的信道占用率，而固定LAA方案比其他方案更具侵略性，有利于LAA，而不利于WiFi。因此，固定和线性方案可以应用于WiFi用户具有更高容忍度的一些特殊场合。

从本文分析可知，3GPP LAA方案更加注重与现有用户WiFi网络的影响，因而使用了一个类似DCF协议的接入机制。这使得3GPP LAA虽然是一个最友好的方案，然而是以牺牲总的频谱利用效率为代价的方案。竞争窗口固定的LAA和线性退避的LAA方案虽然能够提升一定的频谱利用效率，但是以对WiFi网络的影响为代价的方案，这可能会导致WiFi利益方的反对。因此，一个WiFi流量负载适应性的接入方案，既可以完全满足WiFi网络的流量需求，又可以最大化频谱利用效率，是各方所期待的方案。