考虑上行通信的LAA与WiFi共存信道分配

考虑上行通信的WiFi与LTE在非授权频段共存的信道分配

摘要

近年来，已对LAA（使用LTE的授权辅助接入）进行了研究，这是一种使用非授权频段的LTE系统。由于LAA的频率利用效率高于WiFi，因此LAA能够实现更高的吞吐量。然而，由于LAA与WiFi使用相同的频段，可能会对WiFi造成严重干扰。
现有研究通过动态调整LTE‐U网络接入信道的概率，提出了一种比例分配方法以实现LTE‐U与WiFi之间的公平共存。但该研究仅考虑了下行链路流量。当通过公共AP同时进行下行链路和上行通信时，由于载波侦听多路访问/冲突避免机制，下行链路吞吐量会下降。本文在考虑上行通信的情况下，提出一种LAA信道分配方法，在保证最小吞吐量的同时提升平均吞吐量。

引言

近年来，由于智能手机的普及，授权频段的重要性日益增加。随之而来的是大量流量被分流到这些频段。然而，由于干扰[1]，吞吐量有所下降。
另一方面，最近研究了使用非授权频段的LTE系统，例如LAA、LTE‐U（LTE‐非授权）和MulteFire[2]。LTE基于基站（BS）的集中式接入控制，因此相比使用基于竞争的CSMA/CA的WiFi，能够实现更高的频率利用效率。
然而，由于LAA与WiFi使用相同的频段，可能会对WiFi造成显著干扰。目前仍有许多设备不具备LTE接口，因此用LAA完全取代WiFi是不合适的。
现有研究通过一种动态调整LTE‐U网络接入信道概率的方法，推导出实现LTE‐U与WiFi公平共存的比例分配方法[3]。因此，由于随机接入导致的WiFi效率低下不会影响LTE‐U网络性能。在现有研究中，仅考虑了下行链路通信，但在实际通信环境中，上行通信也存在。此外，当一个AP中混合上行/下行链路通信时，会出现下行吞吐量下降的问题。
本文旨在考虑上行通信的同时，在保持或提高最小吞吐量的情况下改善平均吞吐量。用户方差越小，吞吐量越高，公平性越高。因此，所提出的方法通过提高最小吞吐量来降低方差。

II. 所提出的方法

A. 假设模型

本文假设LAA基站布置在Wi‐Fi接入点密集布置的环境中。基站覆盖范围不重叠。用户可以在任何区域使用WiFi和LAA。LAA用户使用授权频段进行上行流传输，因为LAA仅用于下行链路。Wi‐Fi信道数量为四个。每个接入点使用单信道，且彼此之间不产生干扰。

图1显示了假设模型。六边形和圆形分别表示LAA基站和WiFi接入点的覆盖区域。

假设存在两种用户：仅能使用WiFi的用户和能够同时使用WiFi与LAA的用户。所有LTE基站和Wi‐Fi接入点均由代理以集中方式进行控制。

B. 信道分配

我们将通信服务分为以下四种类型：（1）使用LAA的上行通信，（2）使用LAA的下行链路通信，（3）使用WiFi的上行通信，（4）使用WiFi的下行链路通信。每种服务的最小用户吞吐量为 $ S_i (i = 1, 2, 3, 4) $。在本文中，我们试图在不降低所有用户的平均吞吐量 $\bar{S}$ 的前提下提升 $ S_i $。

LAA的初始带宽为20兆赫兹。首先，代理执行LAA信道分配。接下来，如有必要，代理指定一个接入点作为下行链路通信的专用接入点。此外，代理在两种方法前后更改用户连接的接入点/基站。

1) LAA带宽分配

代理根据 $ \min S_i $ 增加或减少LAA的带宽。如果变化后的最小吞吐量 $ \min S’_i $ 高于 $ \min S_i $，代理将确定带宽分配。

a) 对于 $ i = 1 $，代理在排除 $ S_1 $ 的情况下检查 $ \min S_j (j = 2, 3, 4) $。
i) 对于 $ j = 2 $，代理将LAA的带宽增加20兆赫兹。
ii) 对于 $ j = 3, 4 $，代理将LAA的带宽减少20兆赫兹。

b) 对于 $ i = 2 $，代理将LAA的带宽增加20兆赫兹。

c) 对于 $ i = 3, 4 $，代理将LAA的带宽减少20兆赫兹。

2) 用于下行链路通信的接入点

当通过接入点同时进行上行通信和下行链路通信时，由于载波侦听多路访问/冲突避免机制，下行链路吞吐量将下降。因此，代理考虑将提供 $ S_4 $ 的接入点专用于下行链路通信。上行WiFi用户将连接到连接数最少的可用接入点。如果 $ \min S_i \leq \min S’_i (i = 1, 2, 3, 4) $，代理决定创建这样一个专用接入点。

3) 更改连接的接入点/基站

首先，吞吐量最小的用户 $ S_i $ 更改其连接的接入点/基站。

a) 对于 $ i = 1 $，代理将一个上行链路LAA用户连接到用户数量最少的接入点，作为上行链路WiFi用户。

b) 对于 $ i = 2 $，代理将一个下行链路LAA用户连接到用户数量最少的接入点，作为下行链路WiFi用户。

c) 对于 $ i = 3 $，代理将所连用户数最多的接入点的上行链路WiFi用户连接到LTE基站。

d) 对于 $ i = 4 $，代理将连接数最多的接入点的下行链路WiFi用户连接到LAA基站。

代理决定在更改连接的接入点/基站后，如果最小吞吐量 $ \min S’_i $ 高于 $ \min S_i $，则进行更改。

III. 性能评估

我们使用网络模拟器Sce‐nargie[4]通过仿真实验评估了所提出的方法的性能。仿真时间为300秒。基站/接入点的数量为一个和四个。Wi‐Fi信道数量为两个。我们假设采用 IEEE802.11g和二进制相移键控。用户通信为尽力而为通信。

图2显示了仿真的初始模型。红色六边形和紫色圆形分别表示LAA基站和WiFi接入点。
分别用黄色、绿色、粉色和蓝色方框表示LAA、LTE、WiFi下行链路、Wi‐Fi上行链路用户。

表I 显示了在执行所提出的方法之前/之后每个基站/接入点的吞吐量。

	初始状态 [Mbps]	应用该方法 [Mbps]
LAA	0.790	0.563
LTE	0.554	0.546
下行AP1	0.396	0.465
下行AP2	0.360	0.585
下行AP3	0.363	0.410
下行AP4	0.160	0.380
上行AP2	1.080	None
上行AP3	0.560	0.627
上行AP4	0.450	0.458
平均	0.483	0.504

AP2通过所提出的方法专用于下行链路通信。应用该方法后，下行链路AP4的最小 $ S_i $ 从初始状态的 0.160 Mbps增加到0.380 Mbps。此外，平均吞吐量也有所提高。因此，我们确认所提出的方法是有效的。

IV. 结论

本文提出了一种考虑上行链路通信的LAA信道分配、用于下行链路通信的接入点创建以及连接目的地选择的方法，以实现LAA/WiFi共存。通过该方法，确认了最小吞吐量得到提升。
作为未来工作，我们通过大规模仿真实验在多种场景中评估了所提出的方法。