基于隨機多子幀輔助調度的LTE非授權接入方案

張宏升,鄒 寧

(1.武漢大學 計算機學院,武漢 430204; 2.武漢晴川學院 計算機學院,武漢 430204;3.中煤科工集團武漢設計研究院有限公司 生態與環保工程院,武漢 430070)

0 概述

移動設備的快速普及導致移動通信量急劇增加,為滿足通信量需求,5G蜂窩系統請求數據速率需要在2005年的基礎上增加1 000倍。第三代合作伙伴計劃(3GPP)采用載波聚合(CA)、多天線、中繼等技術來提高LTE-A系統的數據速率[1-2]。蜂窩運營商將無牌頻譜和許可頻譜相結合以增加可用帶寬并提高數據速率,其目標是蜂窩/WiFi互通,允許用戶設備(UE)自適應地使用蜂窩系統或WiFi系統(如IEEE 802.11a/N/AC)。然而,網絡互通需要在2個不可互操作系統間進行協同管理。因此,文獻[3]針對蜂窩系統提出了統一技術框架,將其命名為授權輔助接入(LAA)。LAA是LTE-A系統在未經許可的頻譜上傳輸數據的一種操作模式,其在3GPP版本13中被標準化,僅用于下行鏈路(DL)操作,并且在版本14中繼續支持上行鏈路(UL)操作[4]。雖然將系統擴展到未授權頻譜可以得到更大的帶寬,但也會面臨一些問題。文獻[5]基于不同上下行子幀配置位置關系,解決動態TDD中子幀重配點混合傳輸時序沖突問題。文獻[6]提出一種在物聯網中基于中繼輔助的混合傳輸機制。在LTE動態TDD系統中,文獻[7]提出一種新型的混合傳輸反饋機制,旨在減小信令負載并提高頻譜利用率。但是,未經許可的頻譜上的通信可能是不可靠的,這將對控制信號交換產生嚴重影響。為解決該問題,文獻[8]利用無牌頻譜作為輔助工具,基于CA框架對授權頻譜進行擴充,其能夠利用無許可證頻譜來提高數據傳輸速率,同時提供QoS支持、無縫移動性和良好的覆蓋效果。文獻[9]將LBT指定為訪問無許可證頻譜的重要特征,設計用于DL傳輸的LBT過程,結果表明,LAA運營商和WiFi運營商的總吞吐量大于2個WiFi運營商的總吞吐量。為了與WiFi系統友好共存,UE需要在傳輸數據之前執行LBT。文獻[10]指出如果UE檢測到空閑信道,其可以在被授予的子幀中發送數據;否則,不能發送數據并且必須等待新的授權。換言之,實際的UL傳輸取決于當前是否允許UE傳輸數據,如果不能按計劃進行UL傳輸,這意味著非許可頻譜的資源利用率將降低。

本文研究隨機接入方案下的MSS算法性能,給出基于調度方案和隨機接入方案下的最大化資源利用率配置方案,以提高非授權頻譜的資源利用率。

1 問題描述

1.1 上行非授權LTE頻譜接入原則

不同于LAA的DL傳輸過程,eNB通過確定可用信道以避免與WiFi用戶發生傳輸沖突。在LAA的UL傳輸中,eNB確定的調度資源可能與在UE側觀察到的實際可用資源沖突,這種情況將導致資源利用效率下降,需要更多的時間來完成數據傳輸。

為了提高LAA中UL傳輸的資源利用率,需要了解LTE-A系統UL操作的設計原則。在訪問未經許可的頻譜時,應該遵循用于許可頻譜上數據傳輸的設計原則[11-12],具體為:

1)eNB將在UE傳輸之前發出UL授權,UL授權可分別通過跨載波調度、自調度由主載波(許可頻帶)或次載波(非許可頻帶)承載,需要注意,當采用自調度時,無論何時檢測到空閑信道,eNB只能發送UL許可。

2)UE需要足夠的處理時間來解碼UL授權并準備數據以進行傳輸。根據LTE-A系統的要求,UL授權和相應的UL傳輸之間的固定時間間隔在當前標準中設定為4 ms,即UL總是指示接收到授權之后的第4個子幀位置。

3)為了與WiFi系統友好共存,需要在任何傳輸之前執行LBT。由于UL授權與對應的UL傳輸之間存在時間間隔,因此如果LBT失敗,即信道被WiFi用戶占用,則UE可能無法在所授予的子幀中進行發送。目前,LBT程序何時開始不受限制。

本文假設LBT或清晰信道評估(CCA)是在為數據傳輸分配的子幀開始之前進行執行。執行CCA的時間段為25 μs,比子幀的長度(即1 ms)短得多。在CCA期間,不允許數據傳輸。對于每個CCA,如果UE檢測到空閑信道,則在后續授予的子幀中發送數據;否則,UE無法在授予的子幀中傳輸數據,并且必須等待新的授權。

1.2 多子幀調度問題

由于LBT的強制性特征,當UE即將傳輸數據時,如果信道被WiFi系統占用,則不能使用為UL傳輸分配的資源,因此對于非許可頻譜上的信道接入,UL授權與對應的數據傳輸之間的定時關系不再維持,這可能導致資源利用率下降。采用多子幀進行調度的主要目的是提高子幀調度的計算效率,從而實現更為高效的子幀調度效果。

3GPP版本中提出了一種MSS方案,以解決多子幀調度問題。目前,MSS方案分為2種[13-14],方案1使用UL授權來指示在L(L>1)子幀上的數據傳輸,其只需捕獲信道。圖1所示為L=3時的MSS方案1示意圖,為了方便起見,在該圖中編號為0的子幀處接收UL授權。

圖1 MSS方案1示意圖(L=3)

在圖1所示的例子中,UE被授權將數據從子幀4傳輸到子幀6,并且需要在子幀4開始之前執行CCA。如果UE找不到空閑信道,其將不能傳輸,必須等待來自eNB的新授權。方案1的主要優點是提高了未經許可的頻譜的UL吞吐量,吞吐量隨著允許發送數據的子幀數量增加而增加。

方案2允許UE在K(K>1)個連續子幀中的一個子幀上發送數據,即在接收到UL授權之后,UE可以執行CCA,且最多為K次。圖2所示為K=3時的方案2示意圖。在接收到UL授權之后,UE可以在子幀4、5和6之前執行CCA以嘗試訪問信道。如果UE捕獲到空閑信道,則其在0～3子幀中發送數據,并且忽略剩余信道的接入機會(如果有)。若UE不能在所有信道接入機會中找到空閑信道,則其不能傳輸數據并且必須等待新的授權。方案2的主要優點是減少了CCA失敗后請求UL資源的延遲,此外,其提供了UE多信道接入機會,如果選擇正確的K值,則可以提高資源利用率。

圖2 MSS方案2示意圖(K=3)

在方案1中,L的取值范圍為2～4。通過無線資源控制(RRC)信令設置MSS的特征激活和去激活以及L的值。使用當前LTE-A系統中用于L=1時的UL許可的格式,方案1向后兼容。然而,如果UE在數據傳輸之前找不到空閑信道,則方案1中授予的資源仍然為未固化,從而造成浪費。將方案1和方案2相結合,以提供給UEK信道接入機會,并且如果檢測到空閑信道,則允許其發送L個子幀數據。本文給出組合方案S(K,L),方案1和方案2分別是S(1,L)和S(K,1)。在S(K,L)中,如果CCA成功(即信道被感知為空閑)在第一個接入機會中首次發生,1≤i≤K,則UE隨后將數據從子幀4+i-1傳輸到子幀4+i-1+L-1。

2 系統模型

本文評估和比較組合MSS在調度和隨機信道接入方案下的性能。考慮由一個eNB和N個UE組成的LAA網絡。為了簡單起見,在授權頻帶上發送UL許可的跨載波調度。假設每個UE總是請求數據傳輸,并且eNB周期性地調度UL傳輸的UE。設周期為l子幀,對于S(K,L),l必須大于或等于L+K-1,因為L和K-1子幀分別保留用于數據傳輸和額外的CCA機會。為了方便描述,本文總保留子幀為LAA機會(LAA-OP)。l是一個決定LAA帶寬份額的參數,如果l>L+K-1,則在2個LAA-OPS之間有一個長度大于0的空閑周期,在此期間UE不傳輸數據。將調度周期定義為LAA-OP,接著是空閑周期,如果l=L+K-1,則其可以是長度為0的周期。圖3所示為N=1和l=6時S(2,3)的示意圖。在LAA-OP調度周期中,UE具有位于前K個子幀中的K個CCA機會。如果UE在第一個CCA周期中首次發現空閑信道,則其將數據從子幀4+i-1(modl)傳輸到子幀4+i-1+N-1(modl),其中,1≤i≤K。如果UE沒有為所有的K-CCA機會找到空閑信道,則其不能在該調度周期中傳輸數據。

圖3 S(2,3)算例示意圖

對于隨機接入方案,eNB分配所有N個UE來爭奪潛在的傳輸。所有UE同時在LAA-OP的重合并之前執行CCA。如果超過一個UE發現空閑信道并發送數據,將會發生沖突,因此,本文進行以下設計以降低沖突概率。對于檢測到空閑信道的每個UE,其以概率q發送數據;其余概率1-q不發送數據。如果UE檢測到信道忙碌,則延遲1 ms的數據傳輸,并且在延遲之后再次執行CCA。該過程重復直到所有的K個CCA機會完畢。假設1

在LAA網絡的資源利用方面評估系統性能。用ρ表示資源利用率,其被定義為成功用于數據傳輸的子幀的平均數量與作為LAA-OP的子幀總數量的比率。對于每個CCA,WiFi網絡對LAA網絡的干擾取決于WiFi網絡中產生的流量、LAA UE和WiFi用戶的位置以及信道條件。上述3個因素的隨機性可能導致CCA結果存在獨立同分布性。本文遵循這一論點,即假設UE感知信道繁忙的概率是P,獨立于其他UE和時間。

3 資源配置最優方案評價

UE在調度周期中發送數據的概率是(1-pK),即UE在調度周期中成功發送數據子幀的平均數量是L(1-pK),由此可得:

(1)

引理1給定K,ρ(K,L)是L的遞增函數[15]。

證明

(2)

證畢。

根據引理1,為了提高LAA網絡的資源利用率,應該選擇盡可能大的L值。某些國家在每個調度周期中對最大信道占用時間(MCOT)進行限制,在不違反規則的情況下,L最大值為ρ(K,L),L值應選擇為MCOT[16-17]。

引理2對于給定的L值,當且僅當1+p+…+pK<(L+K)pK時,ρ(K+1,L)>ρ(K,L)[18]。

證明因為ρ(K,L)=L(1-pK)/(L+K-1)成立,則可得:

ρ(K+1,N)>ρ(K,N)?

1+p+…+pK<(L+K)pK

(3)

因此,可證得引理2成立。

引理3對于給定的L值,如果ρ(K,L)≤ρ(K-1,L),則有ρ(K+1,L)≤ρ(K,L)[19]。

證明假定ρ(K,L)≤ρ(K-1,L),根據引理2,可得1+p+…+pK-1≥(L+K-1)pK-1成立。同時因為(L+K-1)pK-1≥(L+K-1)pK,可得:

1+p+…+pK=(1+p+…+pK-1)+pK≥

(L+K-1+d)pK+pK=(L+K)pK

(4)

根據引理2,可得ρ(K+1,L)≤ρ(K,L),證畢。

引理1～引理3本質上是給出了式(1)所示模型具有單調遞增特性,基于這種函數的單調遞增原則,可找到最大化ρ(K,L)的K和L的最佳取值定理。

定理1參數K和L的最佳值表示為K*和L*,最大化ρ(K,L)需滿足L*=MCOT,且有:

K*=min{K|ρ(K+1,L*)≤ρ(K,L*)}

(5)

4 最優隨機接入方案

4.1 方案S(1,1)的性能分析

ρ(1,1)=N(1-x)xN-1

(6)

令q*是利用率最大化時的取值。用ρ′(1,1)表示ρ(1,1)的導數,則有:

ρ′(1,1)=N(p-1)xN-2(N-1-Nx)

(7)

當q=q*時,可得ρ′(1,1)=0成立。給定p≠1,求解ρ′(1,1)=0,可得N-1-Nx=0。q*可求解為:

(8)

可對式(8)進行如下改寫:

(9)

其中,N(1-p)是檢測信道空閑的UE的平均數量,當N(1-p)≥1時,將發送數據的UE的平均數量設置為1,則q*=1/N(1-p)。

定理2由N個UE共享的隨機接入方案實現的最大資源利用率可計算為:

(10)

證明將式(9)代入式(6)可得式(10)成立。證畢。

當N(1-p)≥1時,ρ*僅由N決定,當N→∞時,有p*→e-1,這與時隙ALOHA方案的結果相同。然而,當p過大,檢測信道空閑的UE的平均數目小于1(即N(1-p)<1)時,資源利用率可以低于e-1,因為在執行CCA之后很可能沒有UE發送數據。由于存在多用戶分集,如果多個UE共享,則可以提高資源利用率;相反,隨機接入方案中的傳輸沖突可以降低資源利用率。

4.2 方案S(K,L)的性能分析

x=1-q+pq是UE在CCA之后不發送數據的概率。當一個UE發現信道空閑且決定傳輸數據時,其成功使用所分配的資源,該情況的概率是:

(11)

此外,S(K,L)中作為LAA-OP的子幀總數是L+K-1。因此,資源利用率可計算為:

(12)

假設L被設置為MCOT,當N個UE共享UL資源時,可實現ρ(K,L)最大化,用K*和q*分別表示此時K和q的值。K*和q*的取值可以通過比較ρ(K,L)的所有可能組合的K和q獲得,如果至少存在2個導致ρ(K,L)最大化的組合,則隨機選擇K*和q*的取值。

5 實驗分析

5.1 參數p和q對結果的影響

圖4所示為不同p值時ρ(K,10)隨K值的變化關系。一般而言,ρ(K,10)隨著q值的增大而減小,原因是大多數UE感測到信道空閑的時間很短,因此傳輸沖突的概率隨著q的增加而增加。但是也有例外,如圖4(a)所示,p=0,所有10個UE均感測到信道空閑,考慮K=1的情況,當q=0.10時,發送數據的UE的平均數等于1,并且資源利用率得到最大化。k=1時q=0.05的資源利用率小于q=0.10時的資源利用率。對于較大的K值,q=0.05時的資源利用率大于q=0.10時的資源利用率(如K≥3)?？紤]K=3的情況,數據成功傳輸的概率為10q(1-q)9[1+(1-q)10+(1-q)20]。結果表明,q=0.05得到的資源利用率比q=0.10更大。

圖4 參數p和q對隨機接入方案資源利用率的影響

對于較大的p值,當q增大時,ρ(K,10)可能增加,原因是當p較大時,檢測信道空閑的UE的數量趨向于減小。因此,較大的q值可增加傳輸嘗試,從而提高利用率的平均數。從圖4(c)中可以看出,K=1～4,p=0.6,在該區域中,q=0.10比q=0.05能夠產生更好的利用率。從圖4可以得出,對于非常大的K值,q應該取較小的值,原因是任何傳輸沖突都會破壞許多未使用的信道接入機會,為了避免傳輸沖突,應該使用一個較小的q值。

5.2 算法對比

本文選取基于調度的方案與本文隨機接入方案進行對比[19-20]。圖5所示為L=4 ms時2種方案的MSS最佳資源利用率情況。對于給定的p值,基于調度方案選擇最佳K值,隨機接入方案選擇K和q的最佳組合,從而獲得最大利用率。從圖5可以看出,對于較小的p值,調度方案比隨機接入方案具有更好的性能,這是因為在隨機接入方案下多個UE之間產生傳輸沖突。對于較大的p值,由于多用戶分集,多個UE資源共享能取得比調度更好的效果。

圖5 2種方案性能對比

從圖5還可以看出,采取隨機接入方案比調度方案將獲得更好的利用率優化結果。圖5給出K=1時的最佳性能。如圖所示,允許多個CCA機會可以提高系統利用率。考慮K=1的簡單系統,如果只有一個UE被允許訪問該資源,那么它不被WiFi用戶阻塞的概率為1-p。

為進一步驗證本文所提方案的有效性,選取文獻[8,12,15]方案作為對比進行性能分析。實驗評估選取最優利用率和計算時間2項指標。有關參數設置同原文獻,其中,p=0.1、K=1。實驗對比結果如表1所示。

表1 實驗對比結果

從表1可以看出,在選取的4種對比方案中,本文方案具有較高的資源利用率,即本文方案對于非授權情形的LTE數據傳輸具有更高的魯棒控制能力。文獻[8]方案的最優利用率是62.3%,優于另外2種方案,主要原因是文獻[8]方案考慮了非授權問題。在計算時間方面,本文方案的計算時間是2.31 s,這體現了其良好的計算性能,原因是該方案采用了多子幀的隨機接入方式,可實現接入過程的并行觸發。

6 結束語

在LAA中，由于WiFi用戶的利用率下降，導致資源空閑率過高。為解決該問題，本文提出一種基于隨機多子幀輔助調度的LTE非授權接入方案。允許用戶設備具有多個信道感測機會或連續地傳輸多個子幀的數據，以解決LTE與WiFi系統共存的問題并提高資源利用率。實驗結果表明，由于多用戶分流，在高WiFi流量負載條件下，該方案可顯著提高未授權頻譜的資源利用率。下一步將采用真實實驗環境對方案性能進行測試與驗證，同時研究方案的多核并行計算策略，從而提升其計算效率以及對大通信量數據的發掘利用能力。