基于竞争接入技术的LTE 与Wi-Fi 在未授权频段的共存研究*

秦子超，李艾静，王 海

（陆军工程大学，江苏 南京 210007）

0 引言

在当今时代，数据正在以指数级方式爆炸性增长，同时移动数据的传输和无线通信技术的发展也在不断发展和进步[1]。提供无线通信服务的蜂窝网络运营商希望能够在移动数据迅速增长的时代依旧为用户提供较优质的服务质量，因此催生出许多提高频谱利用率的技术，如频分多址、载波聚合以及大规模多入多出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）等技术。然而，当前LTE 网络所使用的授权频谱资源是有限的。尽管已经尽可能提高了频谱利用率，但是频谱资源仍然无法满足用户当前对高数据率和低延迟的要求。因此，运营商希望能够扩展蜂窝网络的频谱资源来保证用户服务质量（Quality of Service，QoS）。

当前未授权频段的资源比较充足，主要是未授权频段的频谱利用率相对较低。根据文献[2]的研究，Wi-Fi 对于未授权频段的频谱资源利用率不超过5%，因此出现了LTE 使用未授权频谱资源的研究，并且希望LTE 能够使用当前Wi-Fi 正在使用的5 GHz 附近的未授权频段，势必会带来Wi-Fi 与LTE 共存的问题。由于LTE 的加入，在不进行任何改变的前提下，Wi-Fi 的性能会受到较严重的影响。因此，如何处理LTE 与Wi-Fi 的共存是当前研究的主要方向。在处理Wi-Fi 与LTE 在未授权频段共存存在的问题时出现了大量研究，以期通过改变LTE或者Wi-Fi 在未授权频段的传输机制来实现Wi-Fi与LTE 的和谐共存。这里的和谐是指Wi-Fi 的性能在LTE 的加入下所受到的影响不大于同条件下Wi-Fi AP 加入所带来的影响。目前，已经有多种共存方式被提出且被用来进行试验和验证[3]，其中采用基于占空比的方式时分复用来实现LTE 与Wi-Fi 的共存以及LTE 采用基于LBT 的LAA 机制来实现共存，是目前在公平性和性能方面表现比较突出的两种共存方式。这两种方式都是以授权频段为锚点来实现的，就是LTE 仅在下行链路使用未授权频段进行与用户之间的数据传输，而上行链路依然使用其原本的授权频段。还有一种共存方案是在未授权频段建立独立的蜂窝系统来管理和使用未授权频段的频谱资源，即实际应用的MulteFire。该系统是使用未授权频段的一个LTE 独立组网系统，优点是能够大幅提高未授权频段的利用率，同时能够在LTE 使用未授权频段时减小对Wi-Fi 性能的影响。但是，它的缺点也相当明显，即需要考虑独立组网的系统与现有系统的兼容性，且重新建立一套独立的系统必然离不开相应的硬件设备，成本较高，可实现性不高，通用性不强。

关于基于占空比的时分复用的共存方式目前有两种简单的形式：一是采用固定占空比的方式实现信道的时分复用，另一种是采用动态调整占空比的方式实现信道接入的时分复用。通过占空比的方式实现LTE 与Wi-Fi 共存的方法会导致Wi-Fi 的延迟受到较大影响。在LTE 占用信道时，即便Wi-Fi有突发的优先级高的数据传输请求，也必须在LTE传输结束后进行，因此导致Wi-Fi 用户的QoS 受到较大的影响。有研究提出了基于先听后发（Listen Before Talk，LBT）的LAA 共存机制。该机制是使LTE 在使用未授权频段时也采用先听后发的机制，类似于Wi-Fi 的CSMA/CA 协议，二者以竞争的方式接入信道。这种模式下，LTE 与Wi-Fi 通过相似的方式接入信道，此时影响或者调节整个共存系统性能和公平性的方式就是LTE 在竞争信道的过程中所需要的配置参数，如初始退避窗口大小、退避方式、最大重试次数以及感知时隙数等。

当前未授权频段较受LTE 网络的关注，因此考虑当前较为流行的共存技术LAA。它使用的LBT技术目前仍然存在许多需要优化的点，因此本文对LBT 机制进行了分析和接入技术优化。

此外，本文提出通过在频域和时域发送脉冲信号来形成一个二维控制信息的方式竞争接入信道的思路，可以减小通过先听后发的方式带来的利用率下降。提出这样的思路是因为LTE 与Wi-Fi 均使用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的调制方式。从时域上看，OFDM 是通过一个个符号进行传输，每个符号4 μs；在频域上看，OFDM 的调制方式需要通过多个并列的子载波进行传输。因此，通过频域和时域来发送二维的控制消息序列是有可能且可实现的。此思路为竞争接入信道的共存方式提供了另一种可能。

1 相关工作

目前很多研究针对LBT 的退避方案进行了仿真分析和优化，其中主要研究方向为两个方面：一是优化初始退避窗口大小，通过对比分析多种初始退避窗口的大小给共存系统性能带来的影响以及对LTE 与Wi-Fi 公平性的影响，找出特定场景下的最优配置；二是研究优化退避方式、重试次数等参数对共存系统的影响，以及如何配置关键参数来实现性能改善。文献[4]提出多组共存模型对比分析，并根据其所设定的场景找出最优的初始退避窗口大小。文献[5]提出CLAA 分簇概念，即将多个LAA小基站成簇，每一簇进行信道竞争，有效减少竞争节点数量，从而降低碰撞概率，以达到提升系统性能的效果。文献[6]分析了能量检测阈值对LAA 共存的影响，同时建立新框架用于估计Wi-Fi 与LAA的吞吐量。文献[7]提出了两种新的多载波LBT 机制来改善LAA 和Wi-Fi 的传输行为和共存性能。

当前学术界和工业界对LAA 共存机制的研究主要集中于如何优化LBT 技术的配置参数以实现共存系统更佳的性能。无论是退避参数的配置，还是对LTE 小基站进行分簇，都是为了改善竞争接入信道的机制，从而实现利用率的提升和碰撞概率的下降。在竞争机制不变的前提下，有些问题难以解决。比如，用户数量导致的竞争接入概率下降、碰撞概率提高、整个共存系统的性能下降问题、优化参数配置只能对性能有小幅度的优化而无法解决等。因此，如果能从竞争机制本身做出改进，改变目前在时域进行竞争的模式，将竞争所占用的时间缩短或许是共存的另一种思路。

2 系统模型及分析

2.1 LTE 与Wi-Fi 对比

2.1.1 Wi-Fi 传输特点

Wi-Fi 在传输过程中采用CSAM/CA 通过竞争的方式接入信道。具体如图1 所示，每次有传输请求前，Wi-Fi 会感知信道。当信道处于忙碌状态时，则等待一段时间后检测信道；若检测信道持续空闲时长达到一个分布式帧间间隙（Distributed Interframe Spacing，DIFS）时长，则认为此时信道空闲，开始传输数据。Wi-Fi 传输是不连续的，信道占用时长一般不超过10 ms。在频谱方面，Wi-Fi 所使用的是5 GHz 附近的未授权频段[8]。

图1 Wi-Fi 竞争接入信道的基本原理

2.1.2 LTE 传输特点

相对于Wi-Fi 的竞争接入信道方式，LTE 在授权频段访问信道是统一调度的，且传输过程是连续的，一旦接入信道会占用较长时间。由于统一调度，LTE 在传输前并不会持续侦听信道，即不执行先听后发机制。

对比Wi-Fi 与LTE 的传输特点可以发现，若不对LTE 做任何更改就使用未授权频段，会导致未授权频段的信道由于LTE 的连续传输而被长期占用，而Wi-Fi 由于竞争接入信道的特点会被严重影响，甚至无法传输。因此，必须对LTE 现有的机制进行改变，才能使Wi-Fi 与LTE 在未授权频段和谐共存，其中一种方式就是基于LBT 的LAA 共存机制。LAA 所采用的LBT 技术其原理和Wi-Fi 的接入信道的原理类似，但是仍然存在一些细节上的差异来满足LTE 所提供用户服务上的差异需求。

Wi-Fi的分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）是结合CSMA/CA 和ACK 技术的随机接入MAC 协议[9]，且包含了RTS 机制、CTS机制以及ACK 确认机制。另外，DCF 采用的是二进制指数回退算法。

2.2 LAA 与Wi-Fi 对比

LAA 是一种基于LBT 技术的共存机制。该机制与WiFi 的CSMA/CA 协议类似，通过先听后发的接入机制实现与WiFi 在未授权频段的共存。但是，二者在具体细节上还存在很多不同，具体如下。

（1）接入优先级。Wi-Fi 节点具有相同的退避参数，因此每个节点接入概率相同。而LAA 定义了4 种优先级类别，对于相同时隙的不同节点竞争信道时，优先级高者优先获得接入信道的机会。

（2）传输时长。Wi-Fi 每次传输单个数据包后，必须释放后重新竞争接入信道。而LAA 一旦接入信道，一般占用不超过最大信道占用时间（Maximum Channel Occupy Time，MCOT）。MCOT 通常为1 ms的整数倍，之后才会释放信道[10]。

（3）信道感知持续时长。Wi-Fi 在接入信道前需要持续侦听一个DIFS 时长（34 μs），包括1个16 μs 的SIFS 和2 个9 μs 的时隙时长。LAA 在一个16 μs 的延迟周期上通过能量检测执行空闲信道检测（Clear Channel Assessment，CCA），随后根据接入优先级等待几个9 μs 的时隙时长。具体的等待时隙数量可以视情况进行调整。

（4）退避参数。Wi-Fi 通常需要感知一个DIFS 时长，初始竞争窗口通常设置为[0，31]，退避采用二进制退避算法，即每次重试前最大竞争窗口将会变为原来的2 倍，重试次数为6 次[9]。LAA的参数则有多种配置方式，退避窗口和感知时长均需要根据具体的共存场景进行合理的调整。

基于LBT 技术的LAA 共存机制目前主要存在的问题是竞争接入信道都必须要考虑的问题，包括初始退避窗口大小、感知时隙数、最大退避次数、重试限制以及传输机会等参数的设置[7]，同时需解决Wi-Fi 与LTE 的公平性问题，涉及很多方面的公平，如比例公平[11]、数据公平等。如何在共存的场景下实现Wi-Fi 与LTE 网络的公平是不可忽视的一个评价指标。在保证共存网络中Wi-Fi 与LTE 的基本性能满足用户需求的前提下尽可能提高频谱资源利用率，是共存技术所要面对的挑战。

2.3 模型建立与分析

现有的LAA 共存机制，如图2 所示。

图2 LAA 共存竞争接入原理

LTE 与Wi-Fi 均是需侦听信道状态，当信道处于空闲时发送数据，当信道忙碌时则随即等待一段时间后再重复第一部分的过程。其中，Wi-Fi 使用的是带有冲突避免的载波侦听多路访问协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA），完全符合LBT 技术。因此，在共存系统中需要做出改变的是LTE。LTE 基于集中调度的方式进行信道分配和接入，当其使用LBT 技术与Wi-Fi共享未授权频谱资源时，LBT 技术的相关参数的设置是一个比较重要的部分，直接决定了对Wi-Fi 性能的影响。目前，LAA 有4 种的LBT 模式[4]。

（1）Cat1 LBT，在感知信道空闲16 μs 后直接传输。

（2）Cat2 LBT，不进行随机避退，其中CCA周期是确定的（如固定为25 μs）。

（3）Cat3 LBT，具有固定大小竞争窗口的随机避退的LBT，其中扩展的CCA 周期在固定竞争窗口内的随机抽取。

（4）Cat4 LBT，具有可变大小的竞争窗口的随机后退LBT，其中扩展的CCA 周期在竞争窗口内的随机抽取，竞争窗口的大小可以根据信道动态变化（如指数变化）。

以上4 种方式并没有单纯的优劣之分，需要针对具体的共存场景进行具体分析和仿真，才能找出最适合的LBT 方案。

当前的基于LBT 技术的LAA 共存机制通过竞争接入方式实现未授权频段的共享。通过竞争接入的方式虽然能够有效实现LTE与Wi-Fi的和谐共存，但是仍然存在一些不足，即参与竞争的用户数量增加，导致Wi-Fi 接入概率下降，这是必然会出现的问题。Wi-Fi 所使用的频谱资源是有限的，当加入一定数量的LTE 用户来参与竞争未授权频谱资源时，接入概率必然会下降。假设原本有m个Wi-Fi用户，其某一时刻的接入概率为：

当LTE 加入进来后，假设有n的LTE 用户，在某一时刻的接入概率发生了变化，其中Wi-Fi 的接入概率为：

其中PWi-Fi和PLAA分别为Wi-Fi 和LTE 成功接入信道的概率，pw和pl分别为在任意时刻Wi-Fi与LTE 发送数据的概率。由于pl和pw都大于零且小于1，因此可以看出，LTE 的加入导致某一时刻的接入概率受到较大影响。尤其是当LTE 的用户数量较多、数据流量压力较大时，Wi-Fi 的接入概率受到较大影响。因此，希望能够通过改进竞争接入机制的方式来改善目前的竞争接入所带来的性能下降。

3 基于OFDM 的时域-频域竞争机制

由于LTE 与Wi-Fi 在MAC 层都是使用OFDM调制方式，OFDM 信号在时域是由一个个OFDM 符号构成，每个符号持续4 μs，在频域可以分成多个子载波，因此OFDM 信号具有时频二维特性，可以看做是包含时域和频域二维信息的一个表。Wi-Fi 和LTE 小基站可以把脉冲信号在某个特定的符号以某个特定的子载波中心频率发送，对应为时域-频域二维坐标中的一个点。通过时域-频域的二维转换，虽然脉冲信号只能表达1 bit 的信息，即脉冲信号所在表中的位置信息，但是其时域和频域的特殊信息可以传递更多的信息。利用时域和频域二维编码和映射机制，可以通过脉冲信号的发送和识别来实现控制消息的传递，从而实现分布式无线网络中的信道竞争。

实际上，在发送脉冲的过程中会涉及到同步问题，因为如果使用这种思路进行控制信息的交换，必须要进行同步，否则根本无法实现竞争。Wi-Fi每次进行传输的前导码则是较好的进行同步的一个特殊序列，即每经过一次传输，LTE 和Wi-Fi 则可以根据其传输序列的前导码进行一次同步，在此前提下才可以考虑利用OFDM 的时频二维特性发送脉冲实现竞争信道的这种思路。

在解决同步问题的前提下，通过在时域和频域发送脉冲的方式实现一个控制信息交互的目的。具体过程如下：在一次Wi-Fi 传输数据过程中，LTE与Wi-Fi 均通过数据传输过程中的前导码进行同步，而后有数据传输需求的Wi-Fi 和LTE 在数据传输过程中分别在时域和频域选择一个时隙和子载波发送一个脉冲，这样的一个二维脉冲信号会被所有的LTE 和Wi-Fi 感知，并能根据相同的规则判断自己是否赢得信道接入的资格，若是判断竞争成功，则接入信道进行数据的传输，若失败则等待当前传输并进行重复的竞争动作。其中，竞争获胜节点的选取策略必须遵循以下两个原则：网络中不可以有节点始终无法获得信道接入的机会，即需要保证节点的公平性；每轮中只能有一个发送节点。数据的传输决定了信道只能同时被一个发送节点占用，否则会出现碰撞。由于节点参与竞争时随机选取OFDM 符号和子载波，因此所有节点以均等的机会接入信道，可以保证公平性。为了保证只有一个发送节点，竞争获胜节点的选取策略使用符号系数小的脉冲对应的发送节点优先原则。若同一个符号中含有多个脉冲信号，则选取其中子载波系数最小的脉冲信号对应的发送节点为竞争获胜节点。

此方案必然会带来一个不可避免的问题，即碰撞的可能性。即便规定了选取获胜节点的原则，在选择时域和频域发送脉冲的决定上，仍然有可能会发生两个或者多个LTE 基站和Wi-Fi AP 选择了相同的频域子载波和相同的时域上的时隙。此时，这些用户均认为自己获得了信道接入资格而发送数据，进而导致碰撞的产生。但是，根据OFDM 子载波的数量和Wi-Fi 一次传输所需要的最短时长，可以对这种决策所产生碰撞的概率进行一个估算。

如果多个节点选择同一OFDM 符号和子载波且均将自己视为竞争获胜节点时，就会发生数据冲突。下面从理论上分析碰撞的概率。假设竞争获胜节点在时域和频域的二维坐标中可以表示为(i,j)，发送脉冲信号并赢得信道接入机会的概率为pij。Nc和Ns分别为子载波和OFDM 符号的总个数。假设处于同一竞争域内的节点数量为S，则有：

根据公式，可以计算出传输过程中的冲碰撞概率。假设节点数为15，总的碰撞概率也不会超过1.5%，能够满足基本的共存网络传输需求，即使发生了碰撞，LTE 与Wi-Fi 本身的重传协议会保证共存系统中LTE 与Wi-Fi 的传输不受太大影响。理论分析证明，该思路可以一定程度上改善共存竞争接入存在的时间开销过大的问题，给实现未授权频段LTE 与Wi-Fi 共存提供了新思路。

4 结语

本文通过对LAA 技术的建模与分析找到了LAA 机制存在的根本性问题，即由于竞争接入机制导致的接入概率下降、多次重试接入问题。通过选择合理的初始退避窗口大小和设置合适的退避参数，可以一定程度上改善这个问题，但是竞争导致的回退次数增加无法从根本上避免。因此，本文提出根据OFDM 的特点从时域和频域发送脉冲实现竞争接入信道的思路以改变这一现状，具有一定的可行性。