LTE-U与WiFi系统在非授权频段共存机制研究

2017-11-01 13:05黄晓舸李扬扬刘思嘉陈前斌

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年5期

关键词：频段利用率频谱

黄晓舸，李扬扬，刘思嘉，陈前斌

(重庆邮电大学移动通信重点实验室，重庆 400065)

LTE-U与WiFi系统在非授权频段共存机制研究

黄晓舸，李扬扬，刘思嘉，陈前斌

(重庆邮电大学移动通信重点实验室，重庆 400065)

部署长期演进(long-term evolution，LTE)系统到非授权频段，已经被视为一种缓解目前频谱资源短缺的有效方法。当前的主要挑战是LTE与WiFi系统如何在非授权频段和谐共存。为降低系统总冲突概率，提升非授权频谱利用率并保障WiFi系统的传输性能，提出2种接入机制：基于先听后发(listen before talk，LBT)的随机接入机制(LBT-based random access mechanism，LBT-RA)和基于边听边发(listen and talk，LAT)的冲突避免接入机制(LAT-based collisions avoid access mechanism，LAT-CA)。LBT-RA机制基于LBT检测发送方式在传输前对信道进行空闲信道评估(clear channel assessment，CCA)，如果检测信道空闲，便随机接入可用的非授权频段。LAT-CA机制基于全双工技术的LAT检测发送方式，能实现频谱检测与数据传输的同时进行，降低用户间的冲突概率。仿真结果表明，提出的LBT-RA和LAT-CA机制能有效提升非授权频谱的利用率，并确保非授权频段LTE(LTE-unlicensed，LTE-U)与WiFi系统的和谐共存。

非授权频段LTE(LTE-U)；频谱利用率；共存机制

0 引言

随着移动网络的快速发展，智能终端和便携式网络设备的爆发式增加，共同导致了网络数据流量的指数增长，使得可用的无线频谱资源日益匮乏。与此同时，有限的授权频谱几乎已经被占用殆尽，现存的可用无线频谱资源对于长期演进(long-term evolution，LTE)系统来说是远远不够的。为了满足高移动数据流量的挑战以及缓解授权频谱资源短缺的现状，LTE/WiFi交互工作的部署形式应运而生[1]，它能让运营商在授权频段部署LTE的同时，在非授权频段部署WiFi系统来提高系统的容量，缓解授权频段的压力。文献[2]中提到出一种频谱切换的方案，该方案下LTE和WiFi网络相互协作，并允许LTE用户自适应接入授权频段和非授权频段。然而，由于它们之间不同的无线接入技术(radio access technology，RAT)，该方案需要修改相关协议以及空中接口。2015年，3GPP在LTE Release 13中推出关于LTE在非授权频谱(LTE-unlicensed，LTE-U)的标准化技术，该方案在非授权频段部署LTE系统以提供授权频段的协助接入(licensed assisted access，LAA)。LTE-U可以利用现有的载波聚合(carrier aggregation，CA)技术，将授权载波和非授权载波聚合，允许用户在统一的LTE网络架构下同时接入到授权和非授权频段[3]。

LTE-U能提供更好的覆盖、更大的容量、更高的频谱效率以及允许在授权和非授权频谱之间无缝的数据传输[4]。然而，LTE-U在实施应用前仍面临着许多挑战。其中，主要的挑战是LTE-U系统与非授权频谱上现存系统，例如WiFi系统的共存问题。LTE-U在非授权频谱传输会对WiFi系统产生持续的干扰，这样会造成WiFi系统性能严重下降；其次，不同的国家对非授权频谱有不同的管理机制，例如对传输功率、信号覆盖的限制，在LTE系统接入并使用非授权频谱资源时也需要考虑这些规定；再次，在接入非授权频段之前要对信道状态进行检测，根据检测结果决定是否接入该非授权频段进行数据传输。然而，由于信道特性的不稳定，阴影效应，以及隐藏终端/暴露终端等问题将会导致检测结果发生错误，从而产生干扰，并造成频谱资源的浪费[5]。

目前，关于LTE-U与WiFi系统在非授权频段的共存问题已有相关研究。文献[6-12]介绍了LTE-U与WiFi系统在非授权频段的共存机制。仿真结果表明，LTE-U系统接入非授权频段会对WiFi系统产生严重影响。因此，为了保证WiFi系统的传输性能，使其免受LTE-U的严重干扰，必须采用合理的接入机制限制LTE-U在非授权频段的传输。文献[6]中提出LTE-U和WiFi的共存问题可以参考认知无线电技术中的次级用户与主用户的共存方式，以重叠(underlay)、交织(interweave)和覆盖(overlay)的方式实现共存。重叠模式中，如果次用户对主用户的干扰低于干扰门限，则允许次用户与主用户同时传输信息。覆盖模式中，使用不同的信号处理和编码技术来区分主用户和次用户信号，当主用户占用信道时，次用户能接入信道而不产生干扰。故LTE系统可以采用重叠和覆盖模式进行传输[6-7]，和WiFi系统同时使用非授权频谱。

文献[13]提出一种循环占空比(duty cycle，DC)机制，即在每一帧中LTE-U占用一定比例的传输时间，然后 LTE-U停止传输从而让WIFI系统有机会接入，保证LTE-U和WiFi系统之间的传输比例公平性。文献[14]提出一种动态频谱接入方案，该方案基于信道检测结果，并利用WiFi用户传输时隙之间的空闲信道时间，从而实现时域频谱资源的共享。文献[15]提出一种基于先听后发(listen before talk，LBT)的增强型帧结构(enhanced frame based equipment，E-FBE)机制，该方案类似WiFi竞争回退的接入方式，从而避免LTE-U用户间的冲突，但该方案将导致长时间回退，降低频谱利用率。文献[16]提出一种离散的频谱接入机制，该方案基于全双工技术，能够同时进行数据的传输和信道状态的检测。该方案中每个用户的移动终端配备了2个全双工天线Ant1和Ant2，Ant1连续检测信道状态，当信道检测为空闲时，Ant2发送数据。此外，文献[17]提出一种最佳决策机制，用于随机或调度接入非授权频段。

上述研究工作仅关注多用户多资源块场景下非授权频段的接入和分配问题，并未考虑LTE-U接入非授权频段与WiFi系统发生冲突的概率问题。本文基于现有的LBT和边听边发(listen and talk，LAT)机制[18-19]，提出LBT随机接入机制(LBT-based random access mechanism，LBT-RA)和LAT冲突避免接入机制(LAT-based collisions avoid access mechanism，LAT-CA)，以求降低系统总冲突概率，增加频谱利用率，同时保障WiFi系统的传输性能。首先，不同于传统的一对一资源调度(Scheduling)接入机制，LBT-RA机制基于一对多的资源块选择方式，允许LTE-U在频谱池中选择未被占用的非授权频段资源块进行传输，从而降低对WiFi系统的干扰。此外，相对于文献[15]所提的E-FBE回退检测机制，LBT-RA机制检测等待时长也相应降低。其次，LAT-CA机制基于全双工技术的优越性实现数据传输与信道检测同时进行，如果LTE-U用户和WiFi用户间发生冲突，LTE-U能够及时检测并立即停止传输，进而减小对WiFi用户的影响。同时，鉴于覆盖方案需要采用复杂的信号处理和编码技术[7]，本文基于交织和重叠方案提出一种折中的重叠传输模式，即LTE-U检测到频谱空闲时接入非授权频段，同时控制LTE-U的发射功率，使之低于WiFi干扰检测阈值(WiFi干扰检测阈值可微调，以适应与LTE-U的共存)，从而使WiFi的传输不受到LTE用户传输的影响；LTE-U检测到WiFi占用非授权频段时退出，减小LTE-U与WiFi间的干扰，提高频谱利用率。仿真结果表明，通过优化LTE-U用户数和竞争窗口长度，本文提出的LBT-RA和LAT-CA机制比现有文献机制能提供较高的频谱利用率，因此，能够保证LTE-U与WiFi系统在非授权频段的和谐共存。

1 系统模型

LTE网络包含一个LTE基站(LTE-eNodeB，LTE-eNB)和N个LTE用户设备(LTE-User-Equipment，LTE-UE)。在LTE网络，频谱资源以资源块(resource block，RB)的形式作为基本单位，一定数量的资源块组合成一个资源批(resource batch，RBH)，而一定数量的RBH组合成一个资源池供多个LTE-UE共享。本文假设一个资源池包含M个RBH。由于多个LTE-UE在同一频谱资源内同时传输将会导致网络的大规模干扰，为了避免冲突，LTE网络采用调度接入的方式，即LTE-eNB给LTE-UE分配不同的RBH。

为了保证WiFi用户的传输性能，降低LTE-UE传输时对其产生的干扰，当LTE-UE接入非授权频谱传输前，必须先检测非授权频段资源当前状态，即是否存在未被WiFi用户占用的空闲RBH。本文采用能量检测法检测当前RBH状态。RBH检测问题可用假设检验表示，假设H0表示用户未占用RBH，H1表示用户占用RBH。当检测到WiFi用户未占用RBH，则LTE-UE可接入使用RBH；否则，LTE-UE需要继续检测，直到检测结果为空闲。然而，由于LTE-UE/WiFi用户位置和信道状态实时变化，以及检测过程的不确定性，检测结果的可靠性无法保证，因此，相关的漏检概率Pm以及虚警概率Pf不等于零。

1.1 LBT随机接入机制(LBT-RA)

LTE-U借助现有的物理层(physical layer，PHY)编码和媒体访问控制层(media access control layer，MAC)集中资源调度机制能实现很高的抗干扰能力。而WiFi系统采用MAC层竞争接入的随机回退机制 (carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA)[20]。如果不对LTE-U加以限制，其会一直占用信道，对现有的WiFi系统产生严重的干扰。为了保证WiFi用户的传输质量，研究提出使用LBT机制对LTE-U系统接入非授权频段进行限制[18,21]。

LTE-UE基于LBT机制在接入非授权频段传输前先检测信道状态，如果检测有非授权信道空闲，便接入该信道并进行数据传输。本文提出的LBT-RA机制，当M=1时，如图1所示。

图1 LBT随机接入机制，M=1,N=2Fig.1 LBT-random access mechanism, where M=1,N=2

WiFi用户对信道的占用可建模为一个交替“开/关”的随机过程。LTE-UE的数据传输是以时隙为单位的，其中Tsensing是检测时隙，T是传输帧长，如图1所示为一个给定的RBH。同一时期有多个RBH，LTE-UE在Tsensing检测时隙检测多个RBH占用状态。假设LTE-UE在传输之前的检测性能是完美的，即LTE-U不传输数据时没有检测误差。如果检测到有RBH空闲，LTE-UE将会随机接入RBH传输一固定的时长T，然后释放该RBH并重新和WiFi以及其他LTE用户竞争接入信道；否则，LTE-UE将会持续检测直至检测到有RBH空闲。如图1所示，LTE-UE1与LTE-UE2检测到RBH空闲，LTE-UE1接入RBH并传输一固定帧长T，而LTE-UE2则继续检测是否有其他可用的RBH。基于重叠模式，在每个RBH传输期间，WiFi用户可能随时占用信道，基于LBT的接入机制在传输时不能检测信道状态，这将导致LTE-UE不能对随机出现的WiFi用户做出及时的反应，从而产生相互干扰。

1.2 LAT冲突避免接入机制(LAT-CA)

LBT协议在研究中被广泛使用，虽然起到了一定效果，但仍面临2大难题：①LTE-UE间的冲突无法检测，可能导致LTE-UE传输失败；②冲突发生后LTE-UE不能立即终止传输，可能导致LTE-UE间长时间的冲突，从而严重损害LTE-U系统传输性能。

为解决上述难题，本文提出一种LAT-CA机制，如图2所示，LTE-UE传输数据的同时进行信道的检测。

图2 LAT冲突避免接入机制，M=1，N=3Fig.2 LAT-collisions avoid access mechanism, where M=1,N=3

LAT-CA机制基于全双工技术，其中每个LTE-UE配备2根天线Ant1和Ant2。天线Ant1持续检测信道，天线Ant2则在信道检测为空闲时传输数据。如果LTE-UE检测到信道被占用，则继续在下一时隙检测信道状态；否则，LTE-UE将会从竞争窗口数中随机选择一个竞争窗口长度，在检测信道再次为空闲时回退，回退为零时便接入信道传输数据。此外，当LTE-UE检测到信道再次被占用时，将暂停竞争窗口回退；当再次检测信道空闲时，便恢复竞争窗口回退。一旦LTE-UE接入RBH，它将会传输整个RBH帧长，除非检测到WiFi用户占用信道便提前停止传输；LTE-U在占用RBH帧长之后释放该RBH，并重新和WiFi以及其他LTE用户竞争接入信道。假设LTE-UE以Tsensing为一个检测时隙检测信道状态，竞争窗口长度随机从{0,Tsensing,2Tsensing,…,(W-1)Tsensing}中选取，这里竞争窗口数的大小为W。如图2所示，LTE-UE1，LTE-UE2和LTE-UE3随机选择一个竞争窗口长度，在检测信道空闲后开始回退，LTE-UE1的竞争窗口数先回退至零，便接入RBH传输数据，而其他LTE-UE则暂停竞争窗口回退，并检测是否还有其他可用的RBH。

LAT-CA机制基于全双工技术，假设LTE-UE在不传输数据时其检测性能是完美的，但是LTE-UE在传输数据时由于自干扰的影响，其检测性能是不完美的。因此，虚警概率Pf>0，即检测结果判定信道被占用，而实际上信道为空闲；漏检概率Pm>0，即未检测到其他用户占用信道，而实际上信道被占用，将会导致用户间的冲突，本文假设多于2个用户的冲突会被及时检测并立即停止冲突。

2 性能分析

根据上述分析，LBT-RA为基于LBT协议的随机接入机制，LAT-CA为基于全双工技术的冲突避免接入机制。LTE网络与WiFi网络之间的干扰会受到信道条件、LTE-UE/WiFi用户位置、WiFi业务量以及其他因素的影响，这些因素联合导致WiFi干扰的出现为独立同分布(independent and identically distributed，i.i.d.)事件。假定WiFi用户占用信道的概率为p。

定义1采用频谱利用率评估机制的性能，其表达式为

(1)

(1)式中：Tsucc表示LTE-UE占用非授权频段且无冲突传输的平均传输时长；Twaste表示LTE-UE由于信道检测/回退以及冲突导致的平均浪费时长。基于传统的调度无线资源接入，如果1个LTE-UE要求1个RBH用于数据传输，那么LTE-eNB将准确地分配1个RBH给LTE-UE，因此，可得基于调度接入机制的频谱利用率为1-p。

2.1 LBT-RA机制的频谱利用率

(2)

假设LTE-UE成功接入RBH之后在下一时隙仍能无冲突传输，其概率为Psucc=1-p，那么LTE-UE的平均传输时长为

Tsucc=

(3)

如图1所示，平均浪费的频谱时长Twaste包含有检测/回退时长以及用户间冲突时长。因此可得Twaste=Tce+(T-Tsucc)。最后，将(2)式和(3)式代入(1)式中可得LBT-RA机制下的频谱利用率ρ。

2.2 LAT-CA机制的频谱利用率

基于全双工技术的LAT-CA机制下LTE-UE能够同时传输数据和检测信道状态，其能够有效地降低对WiFi用户的干扰概率。

2.2.1 平均传输时长Tsucc

LTE-UE能够连续传输数据且没有与WiFi用户或其他LTE-UE发生冲突，应满足2个条件：①WiFi用户未占用信道；②LTE-UE在检测时未出现虚警。因此，LTE-UE能在下一时隙继续传输数据的概率为Psucc= (1-p)(1-Pf)。则LTE-UE的平均传输时长为

(4)—(5)式，P1表示LTE-UE无冲突接入RBH的概率，即此LTE-UE相对于其他用户选取了最小的竞争窗口长度。

2.2.2 平均浪费时长Twaste

LTE-UE基于能量检测对信道状态做出判定，假设LTE-UE不传输时检测性能完美，但当LTE-UE接入RBH开始传输之后，其检测性能会受到其自身残留自干扰(residual self interference，RSI)的影响，导致检测出错，则有Pf≠0，Pm≠0。基于错误的信道状态检测信息，将造成LTE-UE之间的冲突以及LTE-UE与WiFi用户之间的冲突，由此导致频谱资源的浪费。除此之外，其他因素也会影响频谱效率，例如竞争窗口长度，如果竞争窗口长度过小，则会造成LTE-UE之间冲突概率变大，从而降低频谱效率；如果竞争窗口长度过大，虽然LTE-UE之间的冲突概率变小了，但是平均浪费时长会随着竞争窗口长度的增加而增加，进而也会导致频谱资源的浪费。通常情况下，平均频谱浪费时长主要包含有以下4个部分。

T1：LTE-UE成功传输之前的平均等待时长。

T2：2个LTE-UE选择了同样竞争窗口长度的平均等待时长和冲突时长。

T3：当WiFi用户占用信道，而LTE-UE又发生漏检时(Pm>0)，导致的LTE-UE与WiFi用户的平均冲突时长。

T4：当多于2个LTE-UE选择了同样竞争窗口长度的平均等待时长。

如果LTE-UE所选的竞争窗口长度k1(k1=1, 2, 3,…,W-1)与其他LTE-UE相比是最小且唯一的，那么该LTE-UE将实现无冲突地传输。由上述分析可得LTE-UE选择最小且唯一的竞争窗口长度的概率为

(6)

进而，LTE-UE在成功传输之前的平均等待时长为

(7)

如果存在2个LTE-UE所选的竞争窗口长度k2相同且与其他LTE-UE相比是最小的，那么这2个LTE-UE将会同时接入信道进而产生冲突，这种情况的发生概率为

(8)

(9)

此外，当LTE-UE在传输时，由于WiFi用户突然占用信道会造成与LTE-UE的冲突，这种情况的发生概率为P3=p·Pm，则其平均冲突时长为

(10)

最后，由于多于2个LTE-UE选择了同样的竞争窗口长度，其导致的平均等待时长为

(11)

P4表示多于2个LTE-UE选择同一竞争窗口长度的概率，其表达式为

(12)

综合以上分析，可得非授权频谱的平均浪费时长的总和Twaste=T1+T2+T3+T4。

本文考虑竞争窗口长度很大，因此，利用(13)式去简化以上的规划方程

(13)

进而，我们将(4)—(12)式代入(1)式中可得LAT-CA机制下的频谱利用率。

3 仿真结果

本节评估本文提出的LBT-RA机制以及LAT-CA机制在不同参数下的性能。设定感知时隙Tsensing=1 ms，T=4 ms,M=10。图3表示了LBT-RA机制下的频谱利用率在WiFi用户不同的信道占用概率(p=0.6，p=0.7和p=0.8)情况下随LTE-UE数量N的变化趋势。

从图3中可以看出，频谱利用率是关于LTE-UE数量N的凸函数，在得到最优N*后也对应得到了最大频谱利用率ρ*。而且，随着WiFi用户信道占用概率的增加，最优LTE-UE数量N*也相应增加，例如，当p=0.6时，最优N*=9，p=0.7时最优N*=10，以及p=0.8时，最优N*=11。这是因为频谱利用率ρ和LTE-UE随机接入RBH的概率Pce有关，较大的WiFi用户到达概率p意味着LTE-UE接入RBH的概率越小。为了在较大的p情况下获得较高接入概率Pce，需要增加LTE-UE的数量。而且，较大的WiFi用户到达概率p会导致LTE-UE较低的频谱利用率，这是由于平均浪费的频谱时长Twaste会随着WiFi用户到达概率p的增加而增加，进而导致频谱利用率ρ降低。

图3 LBT-RA机制：频谱利用率vs. LTE-UE数量Fig.3 LBT-RA mechanism: spectrum utilization ratio vs. number of LTE-UEs

图4表示了LAT-CA机制下的频谱利用率在不同接入参数下随竞争窗口长度W的变化趋势。分别设定Pm=0.02，Pm=0.05，Pf=0.02，Pf=0.05，N=10，N=20以及WiFi用户信道占用概率p=0.2。

图4 LAT-CA机制：频谱利用率vs. 竞争窗口长度Fig.4 LAT-CA mechanism: spectrum utilization ratio vs. contention window length

如图4所示，在LTE-UE数量N和虚警概率Pf相同的情况下，漏检概率Pm越小，其频谱利用率越高。并且，在漏检概率Pm相同的情况下，虚警概率Pf较小，能达到较高的频谱利用率。例如，图4中频谱利用率曲线(Pm=0.02，Pf=0.02，N=10)比曲线(Pm=0.05，Pf=0.05，N=10)明显要高很多，这是由于较低的Pm和Pf表示设备有较好的检测性能，将降低WiFi与LTE-UE冲突概率。由仿真结果可得，检测的精确度会影响频谱利用率，优良的检测性能能够提升整个系统的传输质量。

进一步，在相同的检测精度下，LTE-UE用户越多，会导致对应的最优竞争窗口长度越大，从而造成较低的频谱利用率。例如图4中频谱利用率曲线(Pm=0.02，Pf=0.02，N=10)比曲线(Pm=0.02，Pf=0.02，N=20)要高，这是因为较大的竞争窗口长度潜在地导致回退等待的浪费时长增加，从而降低了频谱利用率。

基于图3和图4得到最佳LTE-UE数量N*和最佳竞争窗口长度W*。图5为4种接入机制在WiFi用户不同信道占用概率p下系统性能的对比(传统的Scheduling调度接入机制、E-FBE[15]机制、LBT-RA机制以及LAT-CA机制)。

图5 调度Scheduling，E-FBE，LBT-RA和LAT-CA机制：频谱利用率vs. WiFi用户占用概率Fig.5 Performance comparison: Spectrum utilization vs WiFi users access probability under different mechanisms.

从图5中可以看出，传统的Scheduling调度接入机制以及E-FBE机制的性能随WiFi用户占用信道概率p的增大而大幅降低，所提出的LBT-RA机制以及LAT-CA机制的性能随WiFi用户占用信道概率p的变化相对平缓。从仿真结果可得，文献[15]提出的基于增强型LBT的E-FBE机制的频谱利用率低于Scheduling调度接入机制，而且在WiFi用户信道占用概率p较大的情况下，本文提出的LBT-RA机制性能优于E-FBE机制。在多用户多资源块场景下，LBT-RA机制的性能相对稳定。值得一提的是传统的调度接入与LBT-RA机制有一个切换点，这表明，最优的LTE-UE接入机制可以在调度机制和LBT随机接入机制进行最优切换。需要注意的是，所提的LAT-CA机制由于采用全双工设备，能够同时检测信道和传输数据，因此，LAT-CA机制比现有机制更具优越性，能大幅提升系统性能。

4 总结

本文提出2种新型的接入机制，即LBT随机接入机制(LBT-RA)和LAT冲突避免接入机制(LAT-CA)，研究目标为降低总的冲突概率以及增加频谱利用率，同时考虑LTE-U与WiFi系统在非授权频谱的共存问题以确保WiFi系统的性能。本文将所提出的2种机制与现存传统的调度接入机制进行性能对比分析。仿真结果表明，所提出的LBT-RA和LAT-CA机制能有效地实现LTE-U与WiFi系统在非授权频段的和谐共存。

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(编辑：田海江)

CoexistencemechanismofLTE-UandWiFisystemsintheunlicensedspectrum

HUANG Xiaoge, LI Yangyang, LIU Sijia, CHEN Qianbin

(Chongqing Key Lab of Mobile Communications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

The deployment of the long-term evolution (LTE) systems in the unlicensed spectrum has been considered as an effective way to alleviate the current shortage problem of spectrum resources. However, the primary challenge is the coexistence between LTE systems and WiFi systems in the unlicensed spectrum. In this paper, we propose two access mechanisms: listening before talking (LBT) based random access mechanism (LBT-RA) and listening and talking (LAT) based collisions avoidance access mechanism (LAT-CA) to reduce the overall collision probabilities and increase the spectrum utilization ratio while ensureing the transmission performance of WiFi systems. LBT-RA is based on LBT detection method, which performs clear channel assessment (CCA) before transmission and could random access the available unlicensed band according to detection results. LAT-CA is based on the LAT detection method of full-duplex technology, which could achieve the simultaneous operations of sensing and transmission while reducing the collisions probability of users. Simulation results show that the proposed LBT-RA and LAT-CA mechanism can effectively improve the utilization of the unlicensed spectrum, and ensure the harmonious coexistence of LTE-unlicensed (LTE-U) and WiFi systems.

LTE-U(LTE-unlicensed); spectrum utilization ratio; coexistence mechanism

s：The National Natural Science Foundation of China (61401053)；The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in Universities (IRT1299)

TN92

1673-825X(2017)05-0590-08