CN106851663B - 异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法 - Google Patents

异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种异构网络下LTE‑U与Wi‑Fi在非授权频段公平共存的方法，属于无线通信领域。本发明提出一种时域小区间干扰协调技术中‑‑基于自适应ABS的动态配置方案，来确保LTE‑U和Wi‑Fi之间的公平共存。由于不同小区的负载不同，且同一小区的负载也是实时变化的，基于自适应ABS配置的动态方案是通过判断LTE‑U负载和Wi‑Fi负载，来确定不确定性子帧是ABS还是non‑ABS，通过为每个小区配置最合理的ABS比例来分别满足LTE‑U用户和Wi‑Fi用户的业务需求，并因此而提升了不同技术之间的公平性。本发明以较小的系统吞吐量损失为代价，换取了边缘用户性能的大幅改善。

Description

异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种异构网络下LTE-U(Long TermEvolution in Unlicensed Bands)与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法。
背景技术
随着无线通信技术不断发展，无线频谱资源匮乏的问题日益显现。随着LTE在非授权频段的部署变为可能，如LTE-U。考察LTE-U系统以及Wi-Fi系统的频率使用模式，在LTE-U的发展中，最大的问题是与Wi-Fi在5GHz频段上，这两种通信系统可能存在干扰处理问题，研究如何应对这种干扰问题变得非常重要。仿真图1所示，我们可观察到共存模式下LTE-U系统受到Wi-Fi传输的影响较小，其中在4个AP(Access Point,接入点)和10个STA(Ststion，工作站)的情况下，LTE-U用户吞吐量减少得最高，约为4％。然而，这种共存对于Wi-Fi系统的性能造成了明显的下降，在影响最小的情况下(4个AP和25个STA)，Wi-Fi系统的用户吞吐量就已经降低了70％左右，在10个AP和25个STA的分布情况下，Wi-Fi系统的用户吞吐量甚至降低了98％。在二者共存时，如果不加限制，就会造成Wi-Fi节点受到了LTE-U在一段时间内的几乎恒定的强烈的干扰，使得Wi-Fi节点感知到信道忙而长期处于监听状态，显著影响了用户的吞吐量。这是因为Wi-Fi采用的是“先听后说”的LBT(listen-before-talk)的机制，Wi-Fi节点(AP(Access Point)或者设备)在某个信道进行传输前先“监听”，只有当一个信道被认为是“空着”(也就是探测到干扰水平低于某一门限值)的时候，节点才会被允许进行信号传输；如果信道被监测到“被占用”状态，则节点将推迟一段时间(随机)再进行信号传输以免冲突。而LTE-U使用OFDM信道接入技术，一般不进行载波感知探测(因为该技术认为许可频段的独家使用权)，根据控制和管理信令安排最佳信道。并且，Wi-Fi和LTE-U异构，二者缺少沟通渠道。那么在这种情况下，如果不指定LTE和Wi-Fi的共存标准，只简单将LTE-U作为LTE的“新频段”而没有共存机制，很可能导致LTE-U挤走Wi-Fi，将存在“公地悲剧”的风险。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种以较小的系统吞吐量损失为代价，换取了边缘用户性能的大幅改善、提升了不同技术之间的公平性的异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法。本发明的技术方案如下：
一种异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法，其包括以下步骤：
首先通过将异构网络的公平性指数(Jain公平性指标作为评价指标之一，已被广泛应用于无线通信的公平性评价中。本专利引入Jain公平性指标来评估LTE-U用户和Wi-Fi用户之间的公平性)与预设的阈值进行比较，从而判断是否需要对ABS(几乎空白子帧)比例进行调整；其次，当需要调整时，通过将LTE-U用户吞吐量和Wi-Fi用户吞吐量的加权和与预设的阈值进行比较，建立自适应ABS配置模型，所述自适应ABS配置模型使得空白子帧和普通子帧是自适应的；再次，在自适应ABS配置模型基础上提出了基于自适应ABS的动态配置算法，通过不同小区内的负载情况，判断不同小区的LTE-U用户和Wi-Fi用户的服务质量的优先级，为各个小区提供合适的ABS比例。
进一步的，所述自适应ABS配置模型中，将ABS子帧分为显性ABS数、显性non-ABS数和不确定性子帧数，所述不确定性子帧数一开始是没有属性的，需要通过一定的判断准则来判定其究竟是空白子帧还是普通子帧。
进一步的，当假设显性ABS数和显性non-ABS数相同时，不确定性子帧数应该为偶数。
进一步的，所述不确定性子帧数为4。
进一步的，如果当前子帧为显性non-ABS或是不确定性子帧被判定为non-ABS，那么，LTE-U基站调度所有LTE-U用户，自适应ABS配置首先满足LTE-U用户的业务需求；如果当前子帧为显性ABS，或是不确定性子帧被判定为ABS，那么，LTE-U基站不调度任何LTE-U用户，此时LTE-U基站处于静默状态，Wi-Fi工作站调度所有Wi-Fi用户，自适应ABS配置首先满足Wi-Fi用户的业务需求。
进一步的，所述不确定性子帧配置的包括以下步骤：
步骤1：统计当前TTI、当前小区的LTE-U用户数n_LTE和Wi-Fi的用户数n_WiFi，并计算n_LTE/n_WiFi；
步骤2：通过判断n_LTE/n_WiFi＞ε是否成立，来决定LTE-U用户服务质量和Wi-Fi用户服务质量的优先级，若该不等式成立，LTE-U基站的负载较大，那么先确保LTE-U用户的服务质量，转到步骤3；否则，先确保Wi-Fi用户的服务质量，转到步骤4，其中，因子ε是用来调节LTE-U用户和Wi-Fi用户之间的负载均衡情况的；
步骤3：通过判断n_LTE/n_Total＞u_non-ABS/u_Total是否成立，来决定当前不确定性子帧是ABS还是non-ABS，其中，n_Total为该小区的所有用户，u_non-ABS为在当前传输周期内、当前子帧之前的non-ABS数，u_Total为当前传输周期内的所有子帧数，若该不等式成立，则当前不确定性子帧被判定为non-ABS；否则，被判定为ABS；
步骤4：通过判断n_WiFi/n_Total＞u_ABS/u_Total是否成立，来决定当前不确定性子帧是ABS还是non-ABS，其中，u_ABS为在当前传输周期内、当前子帧之前的ABS数。若该不等式成立，则当前不确定性子帧被判定为ABS，否则，被判定为non-ABS；
步骤5：将小区号加1，并判断小区循环是否结束，若己遍历所有小区，则转到步骤6，否则，转到步骤1，进行新一轮的配置。
步骤6：将TTI号加1，并判断TTI循环是否结束，若己是最后一个TTI，则结束；否则，转到步骤1，进行新一轮的配置。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明中，重点考虑自适应ABS配置的问题。首先建立了自适应ABS的配置模型，并在此基础上提出了基于自适应ABS的动态配置算法。该算法通过不同小区内的负载情况，判断不同小区的LTE-U用户和Wi-Fi用户的服务质量的优先级，提高LTE-U用户和Wi-Fi用户之间的公平性，为各个小区提供合适的ABS比例。本发明以较小的系统吞吐量损失为代价，换取了边缘用户性能的大幅改善。
由于不同小区的负载不同，且同一小区的负载也是实时变化的，那么可以针对每个TTI循环中不同小区的LTE-U基站负载和Wi-Fi负载，为其配置合适的ABS比例。在本发明中，小区服务的用户数即为该小区的负载，那么LTE-U基站负载即指LTE-U用户数，Wi-Fi负载即指Wi-Fi用户数。当LTE-U用户较多时，LTE-U基站负载较大，则配置较多的non-ABS比较适合当前的网络；而当Wi-Fi的用户较多时，Wi-Fi的负载较大，则需配置较多ABS的来减轻Wi-Fi用户所受到的干扰。综上所述，自适应ABS配置方案通过为每个小区配置最合理的ABS比例来分别满足LTE-U用户和Wi-Fi用户的业务需求，并因此而提升了网络的公平性。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例不同场景分布情况下用户吞吐量；
图2ABS比例为4/8时的子帧结构图；
图3自适应ABS配置的子帧结构图；
图4不确定性子帧配置的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明的目的在于设计一种异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方案，以解决当LTE-U和Wi-Fi网络共存时，Wi-Fi面临无法接入信道的局面，而异构网络无渠道传递消息的问题。因此，为了解决这个问题并兼顾不同技术之间资源共享的公平共存，在本发明提出一种时域小区间干扰协调技术中--基于自适ABS的动态配置方案，来确保LTE-U和Wi-Fi之间的公平共存。
为了减少异构网络间干扰，LTE使用了eICIC(enhanced Inter-CellInterference Coordination，增强小区间干扰协调)技术。小区间干扰协调是目前应用较为广泛的一种技术，通过利用这一技术中的几乎空白子帧ABS的这一特性，可在时域上实现LTE-U和Wi-Fi的资源共享。具体来说，在传输LTE-U的数据时，是以帧结构的方式进行的，因此如果利用小区间的干扰技术，把一部分的数据子帧变为几乎不发送信息的＂几乎空白子帧＂，Wi-Fi就可使用这一部分的几乎空白子帧，即ABS子帧。尽管通过ABS子帧可在一定程度上保证Wi-Fi网络的吞吐量，但LTE-U的性能也会因此有所下降。所以，几乎空白子帧ABS的数量设置，是协调共存网络下Wi-Fi和LTE-U系统的关键。
在空白子帧时，LTE-U只发送公共参考信号和一些必要的信号。ABS比例是指空白子帧数目占一个传输周期内所有子帧数目的比重。常见的配置主要分为固定ABS配置和自适应ABS配置。常见的配置以8个传输时间间隔(Transmission Time Interval，TTI)为一个周期，ABS是靠前的、连续的若干子帧，而剩下的子帧则为普通子帧。ABS比例的取值一般为1/8，2/8，3/8和4/8。图2给出了在一个传输周期内比例为4/8时的子帧结构图。固定配置是指所有小区采用相同的ABS比例，且该比例值不随偏置值的改变而改变。实际上，对于不同小区来说，LTE-U负载和Wi-Fi负载均不同，这就导致不同小区的业务需求量也不同；对于同一个小区来说，偏置值不同，导致同一个小区的LTE-U基站负载和Wi-Fi接入点负载也不同。显然，传统的固定配置方案不够灵活，不适用于实时变化的通信环境。当ABS比例较大时，Wi-Fi用户的性能较好，系统的功耗较小，LTE-U用户的性能较差；当ABS比例较小时，Wi-Fi用户的性能较差，系统的功耗较大，LTE-U用户的性能较好。为了提高LTE-U用户和Wi-Fi用户之间的公平性，需要在两种用户的性能之间取一个折中。首先通过将网络的公平性指数与相关门限值进行比较，从而判断是否需要对ABS比例进行调整；其次，通过将LTE-U用户吞吐量和Wi-Fi用户吞吐量的加权和与相关门限值进行比较，从而判断如何对ABS比例进行调整：是增加10％还是减少10％。
本发明中，重点考虑自适应ABS的动态配置的问题。首先建立了自适应ABS的配置模型，并在此基础上提出了基于自适应ABS的动态配置算法。该算法通过不同小区内的负载情况，判断不同小区的LTE-U用户和Wi-Fi用户的服务质量的优先级，提高LTE-U用户和Wi-Fi用户之间的公平性，为各个小区提供合适的ABS比例。本发明以较小的系统吞吐量损失为代价，换取了边缘用户性能的大幅改善。
在传统的ABS配置中，ABS子帧分为两种类型：显性ABS和显性non-ABS。要想做到“自适应”，可以考虑重新设计ABS的配置模型，在原有的两种子帧之外增加一种新类型的子帧--不确定性子帧。不确定性子帧一开始是没有属性的，需要通过一定的判断准则来判定其究竟是空白子帧还是普通子帧。很显然，这样做可以提供一种动态性，通过设置不同的显性ABS数、显性non-ABS数和不确定性子帧数，以及不同的判断准则可以达到不同的效果。考虑到LTE-U用户和Wi-Fi用户的公平性，可以假设显性ABS数和显性non-ABS数是相同的。那么，不确定性子帧数应该为偶数。如果不确定性子帧数为6，则不确定性过大，可能会产生较为偏激的后果--过于照顾LTE-U小区边缘用户的感受，或是过于照顾Wi-Fi用户的感受。如果不确定性子帧数为2，则不确定性过小，动态性不够充分。故在本发明中，假设不确定性子帧数为4。
自适应配置的子帧结构图如图3所示。如果当前子帧为显性non-ABS或是不确定性子帧被判定为non-ABS，那么，LTE-U基站调度所有LTE-U用户，自适应ABS的动态配置首先满足LTE-U用户的业务需求；如果当前子帧为显性ABS或是不确定性子帧被判定为ABS，那么，LTE-U基站不调度任何LTE-U用户(此时LTE-U基站处于静默状态)，Wi-Fi工作站调度所有Wi-Fi用户，自适应ABS的动态配置首先满足Wi-Fi用户的业务需求。
由于不同小区的负载不同，且同一小区的负载也是实时变化的，那么可以针对每个TTI循环中不同小区的LTE-U基站负载和Wi-Fi负载，为其配置合适的ABS比例。在本发明中，小区服务的用户数即为该小区的负载，那么LTE-U基站负载即指LTE-U用户数，Wi-Fi负载即指Wi-Fi用户数。当LTE-U用户较多时，LTE-U基站负载较大，则配置较多的non-ABS比较适合当前的网络；而当Wi-Fi的用户较多时，Wi-Fi的负载较大，则需配置较多ABS的来减轻Wi-Fi用户所受到的干扰。综上所述，自适应ABS配置方案通过为每个小区配置最合理的ABS比例来分别满足LTE-U用户和Wi-Fi用户的业务需求，并因此而提升了网络的公平性。
不确定性子帧配置的流程图参见图4，包括以下步骤：
步骤1：统计当前TTI、当前小区的LTE-U用户数n_LTE和Wi-Fi的用户数n_WiFi，并计算n_LTE/n_WiFi。
步骤2：通过判断n_LTE/n_WiFi＞ε是否成立，来决定LTE-U用户服务质量和Wi-Fi用户服务质量的优先级。若该不等式成立，LTE-U基站的负载较大，那么先确保LTE-U用户的服务质量，转到步骤3；否则，先确保Wi-Fi用户的服务质量，转到步骤4。其中，因子ε是用来调节LTE-U用户和Wi-Fi用户之间的负载均衡情况的。
步骤3：通过判断n_LTE/n_Total＞u_non-ABS/u_Total是否成立，来决定当前不确定性子帧是ABS还是non-ABS。其中，n_Total为该小区的所有用户，u_non-ABS为在当前传输周期内、当前子帧之前的non-ABS数，u_Total为当前传输周期内的所有子帧数。若该不等式成立，则当前不确定性子帧被判定为non-ABS；否则，被判定为ABS。
步骤4：通过判断n_WiFi/n_Total＞u_ABS/u_Total是否成立，来决定当前不确定性子帧是ABS还是non-ABS。其中，u_ABS为在当前传输周期内、当前子帧之前的ABS数。若该不等式成立，则当前不确定性子帧被判定为ABS，否则，被判定为non-ABS。
步骤5：将小区号加1，并判断小区循环是否结束。若己遍历所有小区，则转到步骤6。否则，转到步骤1，进行新一轮的配置。
步骤6：将TTI号加1，并判断TTI循环是否结束。若己是最后一个TTI，则结束；否则，转到步骤1，进行新一轮的配置。
在上述算法中，LTE-U基站只需知道在当前TTI时、当前小区内的LTE-U用户数和Wi-Fi用户数，就可以自适应地进行ABS配置，为网络提供合适的ABS比例。这种信息交互可以通过LTE-U基站和Wi-Fi接入点之间通过X2接口来进行，如图4复杂性小，实现灵活。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先通过将异构网络的Jain公平性指数与预设的阈值进行比较，从而判断是否需要对ABS几乎空白子帧比例进行调整；其次，当需要调整时，通过将LTE-U用户吞吐量和Wi-Fi用户吞吐量的加权和与预设的阈值进行比较，建立自适应ABS配置模型，所述自适应ABS配置模型使得空白子帧和普通子帧是自适应的；再次，在自适应ABS配置模型基础上提出了基于自适应ABS的动态配置算法，通过不同小区内的负载情况，判断不同小区的LTE-U用户和Wi-Fi用户的服务质量的优先级，为各个小区提供合适的ABS比例；
所述自适应ABS配置模型中，将ABS子帧分为显性ABS数、显性non-ABS数和不确定性子帧数，所述不确定性子帧数一开始是没有属性的，需要通过一定的判断准则来判定其究竟是空白子帧还是普通子帧；
所述不确定性子帧的配置包括以下步骤：
步骤1：统计当前TTI、当前小区的LTE-U用户数n_LTE和Wi-Fi的用户数n_WiFi，并计算n_LTE/n_WiFi；
步骤2：通过判断n_LTE/n_WiFi＞ε是否成立，来决定LTE-U用户服务质量和Wi-Fi用户服务质量的优先级，若该不等式成立，LTE-U基站的负载较大，那么先确保LTE-U用户的服务质量，转到步骤3；否则，先确保Wi-Fi用户的服务质量，转到步骤4，其中，因子ε是用来调节LTE-U用户和Wi-Fi用户之间的负载均衡情况的；
步骤3：通过判断n_LTE/n_Total＞u_non-ABS/u_Total是否成立，来决定当前不确定性子帧是ABS还是non-ABS，其中，n_Total为该小区的所有用户，u_non-ABS为在当前传输周期内、当前子帧之前的non-ABS数，u_Total为当前传输周期内的所有子帧数，若该不等式成立，则当前不确定性子帧被判定为non-ABS；否则，被判定为ABS；
步骤4：通过判断n_WiFi/n_Total＞u_ABS/u_Total是否成立，来决定当前不确定性子帧是ABS还是non-ABS，其中，u_ABS为在当前传输周期内、当前子帧之前的ABS数，若该不等式成立，则当前不确定性子帧被判定为ABS，否则，被判定为non-ABS；
步骤5：将小区号加1，并判断小区循环是否结束，若己遍历所有小区，则转到步骤6，否则，转到步骤1，进行新一轮的配置；
步骤6：将TTI号加1，并判断TTI循环是否结束，若己是最后一个TTI，则结束；否则，转到步骤1，进行新一轮的配置。
2.根据权利要求1所述的异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法，其特征在于，当假设显性ABS数和显性non-ABS数相同时，不确定性子帧数应该为偶数。
3.根据权利要求2所述的异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法，其特征在于，所述不确定性子帧数为4。
4.根据权利要求2所述的异构网络下LTE-U与Wi-Fi在非授权频段公平共存的方法，其特征在于，如果当前子帧为显性non-ABS或是不确定性子帧被判定为non-ABS，那么，LTE-U基站调度所有LTE-U用户，自适应ABS配置首先满足LTE-U用户的业务需求；如果当前子帧为显性ABS，或是不确定性子帧被判定为ABS，那么，LTE-U基站不调度任何LTE-U用户，此时LTE-U基站处于静默状态，Wi-Fi工作站调度所有Wi-Fi用户，自适应ABS配置首先满足Wi-Fi用户的业务需求。
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