在非授权频段下实现LTE-U与Wi-Fi网络的公平共存

方双凤,高雅玙,黑晓军

(华中科技大学 电子信息与通信学院,武汉 430074)

1 引 言

随着各种高质量的多媒体应用出现,移动数据流量呈爆炸式增长.基于长期演进技术(Long Term Evolution,LTE)的移动通信系统带来高数据速率以及低延迟,近年来得到了极大的重视,但由于它所依赖的授权频谱资源稀缺,无法应对移动数据增长带来的挑战.另一方面,非授权频谱资源非常丰富.因此,这促使着移动运营商考虑利用非授权频谱作为LTE的补充下行载波来提高容量.

为了实现非授权频段下LTE,目前业界提出了两种技术规格:非授权LTE(LTE-Unlicensed,LTE-U)和LTE授权辅助接入(LTE Licensed Assisted Access,LTE-LAA).LTE-LAA 采用类似于载波侦听多路访问冲突避免(CSMA/CA)的先听后说机制(LBT)机制以实现全球频谱共享.LTE-U采用了基于载波侦听自适应传输机制(CSAT)来调整信道接入的ON/OFF时间比例,应用在不强制要求LBT的国家及地区.

目前针对LTE-U与Wi-Fi网络的共存问题,一系列相关研发工作已经开展.文献[1]分析了LTE-U技术带来的挑战以及共存现状.文献[2,3]分析了两个网络在非授权频段上共存的性能,与LTE-U相比,Wi-Fi网络吞吐量由于LTE-U的干扰而显著下降.文献[4,5]提出动态信道选择方法来避免两者的干扰,但当缺少空闲信道时,该方法并不适用.文献[6]基于循环占空比(Duty Cycle,以下简称DC)机制,基于蒙特卡洛仿真实验展示出当采取合适的DC周期和占空比时,LTE-U与Wi-Fi可以公平共存,但是没有给出数学模型,因而缺少理论支撑,难以设计有效的控制协议实现网络公平共存.

针对LTE-U与Wi-Fi共存异构网络,由于LTE-U独享信道可能导致Wi-Fi性能受损,因此目前分析重点主要是在公平共存方面,且现有工作中分别考虑了不同公平性定义.文献[7-9]基于比例公平,讨论了LTE-U与Wi-Fi网络的各自信道通信时间应当如何分配.文献[10]通过LTE-U与Wi-Fi协作管理信道接入实现公平共存,它在满足Wi-Fi网络吞吐量最低阈值的条件下,实现最大整体吞吐量.文献[11]所提出的LTE-U与Wi-Fi共存分析模型缺少冲突概率与吞吐量的显式表达式.值得注意的是,基于吞吐量的联合公平对应于传统无线局域网的比例公平.除了传统的比例公平之外,3GPP组织针对LTE-LAA与Wi-Fi公平共存问题也提出了一种关于公平的定义即3GPP公平[12],它认为LAA设计应以与现有的Wi-Fi网络共存为目标,在吞吐量和时延方面对该Wi-Fi网络的影响不会超过另一个Wi-Fi网络对该网络的影响.文献[13-15]则考虑了3GPP公平的定义并通过仿真证明了LTE能实现与Wi-Fi的公平共处.但目前业界尚未对LTE-U与Wi-Fi之间的公平性达成共识,且在DC机制下,如何最优地调整占空比以实现公平性要求仍然是尚未解决的研究问题.

本文研究如何在DC机制下,实现LTE-U与Wi-Fi的两种公平性要求,即联合公平与3GPP公平.本文提出了一个LTE-U与WiFi共存网络的理论模型,并推导出LTE-U和WiFi网络吞吐量关于占空比的显式表达式,进而获得了实现联合公平和3GPP公平所对应的最佳占空比.通过比较这两种公平定义下的网络性能表现,本文进一步分析了不同公平定义的差异和局限性.

本文结构如下:第二节说明本文对LTE-U与Wi-Fi共存网络所研究的网络场景;第三节考虑联合公平与3GPP公平,推导出LTE-U与Wi-Fi共存时满足相应公平定义的占空比;第四节提供了仿真结果及分析;第五节对两种公平定义下共存异构网络的性能进行了比较;第六节对本文分析结果进行了总结与展望.

2 网络场景

如图1(a)所示,本文考虑的LTE-U与Wi-Fi共存网络场景为一个LTE-U eNB和一个 802.11 Wi-Fi AP共同运行于非授权5GHz附近的同一信道上,连接到Wi-Fi AP与LTE-U eNB的用户数分别为nw、nl.

DC机制的工作原理是将时间轴切割成多个循环周期,每个周期以ON/OFF的方式分配用于LTE-U和Wi-Fi 的传输时间,在时域上将两者进行分离避免干扰.

基于图1所示共存场景,本文做出以下假设:1)考虑LTE-U与Wi-Fi 网络缓冲区始终有待发送的数据包,即饱和态;2)由于采用DC机制,在LTE-U ON段,中心节点集中调度资源,因此LTE-U终端不存在冲突;在OFF段,Wi-Fi用户基于CSMA/CA接入信道;3)假设时间周期足够长,LTE-U与Wi-Fi网络都可达到稳态,不考虑当Wi-Fi 传输时受到下一周期的LTE-U ON的影响.本文所使用的关键变量包括:β为DC中的占空比,它表征的是LTE工作的时间比例,Wi-Fi与LTE-U网络节点数nw、nl.

图1 LTE-U与Wi-Fi共存网络场景Fig.1 Graphic illustration of a LTE-U and Wi-Fi coexisting network

3 LTE-U与Wi-Fi公平共存建模

本节将研究在LTE-U与Wi-Fi共存网络中,如何通过调整占空比来实现公平共存.由于当前标准并没有给出关于公平共存的正式定义和测试场景,因而本节考虑两种当前较为流行且使用广泛的公平定义,即联合公平与3GPP公平,分别研究对应的最佳占空比.

3.1 联合公平

联合公平的概念是从普遍异构网络共存的角度出发的一种广义的公平性定义,即认为在LTE-U与Wi-Fi共存的场景下,两者获得的性能应该是相同的.对DC共存机制来说,LTE-U在整个周期里成功发送数据的时间占的比例应该与Wi-Fi成功发送数据包的时间占整个周期的比例要相等.

考虑图1(a)的网络场景,首先对Wi-Fi网络进行分析.目前大部分Wi-Fi网络是基于IEEE 802.11分布式信道竞争接入(DCF)协议实现的.Bianchi[16]将DCF协议中接入过程节点的传输、退避、等待状态转移过程刻画为二维Markov链的模型,成功模拟CSMA/CA接入网络的具体过程.但假设了网络节点相同、网络状态饱和,因此模型预测的网络性能存在一定局限性.

(1)

(2)

式(1)中τT与τF分别是Wi-Fi数据包发送成功与失败的时间长度,PA为Wi-Fi节点的成功传输概率.式(2)为饱和场景下PA的计算表达式.式中nw为Wi-Fi节点数量,W为初始退避窗口大小,K为最大退避次数.

(3)

其中β为DC中的占空比,它表征的是LTE工作的时间比例.Wi-Fi在DCF协议中有两种工作模式,本文考虑基础接入工作模式,即成功传输时间与失败时间τT、τF分别为:

(4)

(5)

式(4)中,H为Wi-Fi传输数据时介质访问控制层和物理层头部字节数之和,L为数据包有效长度,ACK为确认帧的字节长度,VP、VC分别表示数据帧和控制帧的发送速率,DIFS、SIFS为DCF协议中的帧间间隔和短帧间间隔,δ为传播时延.

由于LTE-U终端不通过竞争方式争取信道,因此当LTE-U与Wi-Fi以DC方式共存时,LTE-U网络的吞吐量表达式如下:

(6)

通过前面介绍的联合公平定义,当以吞吐量为指标时,根据式(3)和式(6)可以得到式(7),当把占空比β设置为式(7)时,即可实现LTE-U与Wi-Fi之间的联合公平定义.

(7)

3.2 3GPP公平

3GPP组织针对LTE-LAA与Wi-Fi共存也提出了一种关于公平的定义[12],即LAA设计应以与现有的Wi-Fi网络共存为目标,在吞吐量和时延方面对该Wi-Fi网络的影响不会超过另一个Wi-Fi网络对该网络的影响.因此,本文针对这一公平性定义进行理论分析.如图1所示,图1(b)本来由Wi-Fi AP 1与Wi-Fi AP 2两个网络构成,当将同等大小的LTE-U网络替换Wi-Fi AP 2网络后得到图1(a),如果两个场景中Wi-Fi AP 1网络的性能不会更坏,就可以说实现LTE-U与Wi-Fi的公平共存.

(8)

(9)

式(8)中nw、nl分别为图1(b)中Wi-Fi AP 1与Wi`Fi AP 2的用户数,式(9)为图1(b)中两Wi-Fi网络竞争信道成功概率.

根据式(3)和式(8),为了满足3GPP公平的定义可以推导出此时占空比的表达式如下:

(10)

4 仿真结果及分析

通过上一节的理论分析,我们获得了LTE-U与Wi-Fi共存网络场景下,实现联合公平和3GPP公平所对应的占空比表达式.为了验证理论分析,研究占空比的取值怎样影响共存网络性能,本节将继续考虑这两种公平标准,通过基于事件的仿真器,按照图1共存场景,提供仿真结果证明分析模型的准确性.在本文中,我们采用IEEE 802.11a协议标准中的系统参数,并由表1列出.另外,以时隙长度为单位,根据式(4)和式(5)分别得到τT=52,τF=22.W和K的标准值分别设置为16和6[18 ].

4.1 联合公平

在联合公平中,占空比值需要合理选择以使得LTE-U与Wi-Fi网络实现相同的吞吐量.按照表1的参数设置,图2说明了Wi-Fi与LTE-U共存网络各自吞吐量随占空比β关系,其中理论值为分别通过式(3)和式(6)求得的吞吐量值,仿真值是通过基于事件仿真器得到的吞吐量值.

表1 系统仿真参数设置[16]
Table 1 System parameter settings[16]

数据包有效字节长L8184 bits头部字节数H424 bitsACK248 bits数据帧速率VP54 Mbps控制帧速率VC1 MbpsDIFS34μsSIFS16μs传播时延δ1μs时隙长度timeslot9μs

从图2可以看出,当把占空比β设置得越大,LTE-U吞吐量不断上升,而Wi-Fi网络吞吐量呈下降趋势.这是因为在固定时间周期中,当β越大,意味着分配更多时间给LTE-U,因此Wi-Fi网络可得到的通信时间以及对应的吞吐量更小.这意味着,如果不对占空比进行适当地调整,共存网络难以实现联合公平.

将式(7)求得的βjoi-opt作为DC机制中占空比的值共存.图3展示了共存系统中各网络的吞吐量理论值与仿真值.其中理论值为将式(7)作为占空比后,分别代入式(3)和式(6)计算的吞吐量值,仿真值则是通过基于事件仿真器得到的吞吐量值.

图2 Wi-Fi与LTE-U吞吐量与占空比β的关系,nw=nl=50Fig.2 Throughput of Wi-Fi and LTE-U versus the duty cycle β,nw=nl=50

我们观察到图3中仿真值与理论模型结果非常吻合,且Wi-Fi与LTE-U网络吞吐量曲线基本重合.可以看出,该最佳占空比表达式βjoi-opt可以使得共存网络满足联合公平定义.而且网络吞吐量随Wi-Fi节点数nw增大而减小,这是因为nw增加会影响LTE-U OFF时期的Wi-Fi数据包成功发送概率进而影响吞吐量.

4.2 3GPP公平

根据3GPP公平定义,假设两个Wi-Fi共存网络用户数N为100.按照表1的参数设置,针对同一个Wi-Fi网络,可以得到只有Wi-Fi网络以及与LTE-U网络共存两种场景下的Wi-Fi网络吞吐量随占空比关系.

图3 联合公平下的Wi-Fi与LTE-U吞吐量与Wi-Fi网络节点数nw的关系,β=βjoi-opt ,nw+nl=100Fig.3 Throughput of Wi-Fi and LTE-U under joint fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw,β=βjoi-opt,nw+nl=100

如图4所示,当仅有Wi-Fi网络存在时,由于采用CSMA/CA来实现共存,Wi-Fi网络吞吐量不受占空比的影响.而在Wi-Fi与LTE-U共存网络中,由于采用DC机制共存,因此当占空比值设置得越大即LTE-U OFF时间越短时,Wi-Fi网络进行通信的时间比例相对减少,因此共存系统中的Wi-Fi网络吞吐量会随占空比增加而下降.

图4 Wi-Fi吞吐量与占空比β的关系,nw=nl=50Fig.4 Wi-Fi throughput versus the duty cycle β,nw=nl=50

通过对式(10)分析可以知道当nw增加时,β3GPP-opt的值不断减小.这是因为在图1(b)网络场景下,假设2个Wi-Fi网络的节点数一定,当Wi-Fi AP 1网络节点数越多,虽然碰撞的概率会增加,但它在整个Wi-Fi网络占据的比例更高,因此本身的吞吐量会增加.如果此时用一个LTE-U网络替代图1(b)中的Wi-Fi AP 2网络时,即如图1(a)所示网络场景下,随着该Wi-Fi AP 1网络节点数增加,由于在LTE-U OFF时间段内只有该Wi-Fi网络存在竞争,碰撞概率更大导致Wi-Fi吞吐量下降,因此需要增加LTE-U OFF时间比例即减小占空比,来达到该Wi-Fi AP 1网络与另一个Wi-Fi AP 2网络共存时相同的性能,即实现LTE-U与Wi-Fi之间的3GPP公平.

图5 3GPP公平下Wi-Fi吞吐量与Wi-Fi网络节点数nw的关系,β=β3GPP-opt,nw+nl=100Fig.5 Wi-Fi throughput under 3GPP fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw,β=β3GPP-opt,nw+nl=100

图5展示了将占空比设置为β3GPP-opt后,在Wi-Fi/Wi-Fi以及Wi-Fi/LTE-U两种场景中同一个Wi-Fi网络吞吐量随节点数nw之间的变化关系.从图中可观察到仿真结果与理论模型结果一致,可知满足3GPP公平定义.且随着nw的增加,Wi-Fi网络吞吐量不断上升,这是因为在仅有Wi-Fi网络的场景下,在总节点数一定的时候,图1(b)中 Wi-Fi AP网络的吞吐量会随着其在整个网络中所占的用户比例增加而上升,从而使其与LTE-U共存时为了达到相同吞吐量也通过设置合适的占空比来增加吞吐量.

5 公平定义性能比较

为了进一步理解联合公平与3GPP公平,本文在满足两种公平定义前提下,进一步对实现的Wi-Fi吞吐量以及共存系统吞吐量分别进行比较.

5.1 Wi-Fi吞吐量

将占空比β设置为对应的最佳占空比式后,图6表示的是Wi-Fi共存网络在联合公平与3GPP公平状态下,对应的Wi-Fi吞吐量随WiFi节点数之间的关系.

从图6可以看出,不同公平标准下的Wi-Fi网络吞吐量曲线存在交点,其对应的横坐标即Wi-Fi网络节点数nw/w,可根据式(3)、式(7)以及式(8)得到式(11)来求得,其中nl/w是此时LTE-U网络或者Wi-Fi AP 2网络的节点数:

(11)

从图6可以看出,当nw小于nw/w时,联合公平下的Wi-Fi网络吞吐量比3GPP公平更高,LTE-U网络吞吐量却较低;当大于nw/w时,3GPP公平状态下的Wi-Fi网络吞吐量更高,LTE-U网络吞吐量较低.

在LTE-U与Wi-Fi共存网络中,联合公平下的Wi-Fi吞吐量不受其他网络影响,而3GPP公平下的Wi-Fi吞吐量与拥有固定用户数的两个Wi-Fi共存网络中的同一规模的Wi-Fi网络吞吐量相等.因此在图6中,随着nw增大,联合公平下的Wi-Fi网络吞吐量由于碰撞概率增加而下降,而3GPP公平下的Wi-Fi网络吞吐量却由于该Wi-Fi网络的用户比例增大而上升.

图6 联合公平与3GPP公平状态下的Wi-Fi吞吐量与Wi-Fi网络节点数nw的关系，nw+nl=100Fig.6 Wi-Fi throughput under joint fairness and 3GPP fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw，nw+nl=100

5.2 共存系统总吞吐量

这一节以LTE-U与Wi-Fi共存系统吞吐量为性能评价指标对联合公平与3GPP公平进行比较.

图7 联合公平与3GPP公平状态下的网络总吞吐量与Wi-Fi网络节点数nw的关系，nw+nl=100Fig.7 Total network throughput under joint fairness and 3GPP fairness versus the number of Wi-Fi nodes nw，nw+nl=100

图7是LTE-U与Wi-Fi网络以两种公平定义共存时网络总吞吐量随Wi-Fi节点数的关系.从图中可看出两条曲线也存在交点,其对应的横坐标nw/t可由式(3)、(6)、(7)、(8)以及式(10)得到式(12)来求得,其中nl/t是此时LTE-U网络或者Wi-Fi AP 2网络的节点数:

(12)

我们可以观察到nw/t表达式(12)与之前求得的nw/w表达式(11)相同.随着nw的增加,当小于nw/t时,3GPP公平下实现的系统总吞吐量比联合公平下更高,当大于nw/t时,则反之.

同样一段时间,LTE-U传输处于成功状态,而Wi-Fi传输可能还包括空闲与冲突状态.因此,当两者用户数不变时,分配给LTE-U的时间越长,共存系统吞吐量越高.根据之前的分析,当nw小于nw/w时,联合公平下的OFF时期所占比例相对更高,因此Wi-Fi与LTE-U共存网络总吞吐量比3GPP公平下要低;当nw大于nw/w时,结果相反.分析结果与图7吻合,因此nw/w与nw/t是一致的.

比较实验结果,我们发现不论是Wi-Fi网络吞吐量还是共存系统吞吐量,都不是以某种公平状态为最好,而是随Wi-Fi节点数变化.且在同一场景下,如果3GPP公平实现的Wi-Fi吞吐量相较联合公平更高时,对应得到的系统吞吐量会较低.而当3GPP公平得到的Wi-Fi吞吐量较低时,与联合公平相比,对应的系统吞吐量会更高.可见,这两种公平定义在实现网络性能方面都存在一定局限性.

6 总结与展望

本文主要研究了LTE-U与Wi-Fi在同一非授权频谱信道上公平共存的问题.基于一个统一性能建模框架,本文考虑LTE-U与Wi-Fi网络之间共存的联合公平与3GPP公平,推导出LTE-U与Wi-Fi之间以DC机制实现相应公平的占空比显式表达式.研究表明,当Wi-Fi网络用户数增加时,可减小占空比即以牺牲LTE-U吞吐量为代价来实现两者的公平共存.此外,本文对LTE-U与Wi-Fi之间以联合公平与3GPP公平状态共存时的性能进行拓展比较,发现在同一场景下,如果联合公平状态下的Wi-Fi网络吞吐量比3GPP公平状态更高时,对应的系统吞吐量却更低,反之亦然.可见,这两种公平定义对LTE-U与Wi-Fi共存网络的性能方面都存在一定局限性.本文研究结果可为基于DC机制实现LTE-U与Wi-Fi的公平共存提供协议设计指导建议.