CN108093412B - 用于多运营商场景下基于LAT的LTE-U与WiFi共存方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于多运营商场景下基于LAT的LTE‑U与WiFi共存方法，属于无线通信技术领域。该方法在保证WiFi网络传输性能的前提下，优化网络资源分配，提高LTE‑U的网络吞吐量。为在保护WiFi性能的同时最大化LTE‑U网络吞吐量，提出一种基于LAT不完美感知的功率调整方案。本发明中LTE‑U通过LAT对WiFi用户进行感知并在检测到WiFi传输后合理调节其传输功率。从而在不影响WiFi传输性能前提下，最大化LTE‑U的吞吐量。

Description

用于多运营商场景下基于LAT的LTE-U与WiFi共存方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及用于多运营商场景下基于LAT的LTE-U与WiFi共存方法。
背景技术
近年来，随着频段资源的日益紧缺以及无线数据前所未有的增长，无线运营商急切地需要更多的频段以提供更高的系统容量和更好的服务质量，非授权频段逐渐走入了人们的视野。2015年，3GPP在LTE Release 13中提出关于LTE在非授权频段(LTE-unlicensed，LTE-U)的标准化技术，该技术在非授权频段部署LTE系统以提供授权频段的协助接入(licensed assisted access，LAA)。载波聚合(carrier aggregation，CA)技术的普及使得LTE同时接入授权与非授权频段成为可能。LTE-U能提供更好的覆盖、更大的容量、更高的频谱效率以及允许在授权和非授权频段之间无缝的数据传输。面对LTE-U带来的更高频段利用率以及更加优越的用户体验，越来越多的运营商开始着手考虑在非授权频段上部署LTE-U网络。但是，部署LTE-U技术到非授权频段，面临两大问题：
(1)非授权频段已经被现有无线网络占用，如WiFi网络(2.4GHz、5GHz)。所以，把LTE-U系统扩展到非授权频段需要考虑到LTE-U用户与非授权频段现有用户的和谐共存，即实现LTE-U在非授权频段的高容量增益，同时避免对非授权频段现有用户造成极大的性能损害。
(2)当多个LTE-U基站部署在同一区域，其在非授权频段上的干扰是不可预测的，这会严重影响LTE-U用户的性能。
所以，有效地管理LTE-U与现存用户的干扰以及LTE-U之间的干扰是极其重要的。
目前，非授权频段主要有三段，即用于工业、科学和医用(ISM)2.4GHz频段、非授权国际信息设施(UNII)5GHz频段，以及最新提出的28GHz-60GHz毫米波频段。考虑到目前2.4GHz频段过于拥挤，非授权共存研究倾向于在5GHz频段上展开。5GHz非授权频段的数据传输应满足三点要求：i)传输能量限制。ii)雷达信号保护。对于服务机场和进行天气预测的雷达设备，应采用动态频率选择机制去避开其占用的非授权频段；iii)信道接入机制。LTE基于现有的资源调度机制能实现很高的抗干扰能力，而非授权频段的WiFi系统采用MAC层竞争接入机制，如果不对LTE-U和WiFi的接入方式进行管理，那么LTE-U在非授权频段传输会对WiFi系统产生持续的干扰，这样会造成WiFi系统性能严重下降。为保护WiFi系统性能，LTE-U接入信道前会采用先听后发(listen before talk，LBT)机制对信道进行空闲信道评估(clear channel assessment，CCA)，即对信道进行能量检测。检测能量值小于预设阈值，即可判定信道空闲，便接入信道传输。
另外，LTE-U和WiFi的共存问题可以参考认知无线电技术中的次用户与主用户的共存方式，以重叠(underlay)、交织(interweave)和覆盖(overlay)的方式实现共存。重叠模式中，如果次用户对主用户的干扰低于干扰门限，则允许次用户与主用户同时传输信息。覆盖模式中，使用不同的信号处理和编码技术来区分主用户和次用户信号，当主用户占用信道时，次用户能接入信道而不产生干扰。故LTE系统可以采用重叠和覆盖模式进行传输，和WiFi系统同时使用非授权频段。
多运营商共存场景中，不同运营商之间须着重解决其各自基站协调接入非授权频段的问题。基于半双工模式的LBT机制，其存在两个主要缺陷：i)牺牲一部分频谱时隙用来检测信道状态，造成间断性的数据传输；ii)用户在传输过程中不能监听信道状态，多运营商之间很可能出现同时接入非授权频段而碰撞的情况，对潜在的用户间冲突问题无法处理。随着自干扰技术和硬件设计的提升，全双工(full duplex，FD)技术能够支持用户同时进行数据的传输和信道状态的检测。此外，目前有部分地区对LTE-U是否必须使用LBT接入非授权频段并未做明确要求。这使得运营商之间的资源分配以及LTE-U与WiFi之间的共存问题更加复杂。因此针对一些无法使用LBT来避免干扰且多运营商共存的地区，运营商之间的资源分配以及减少LTE-U对WiFi网络的干扰是实现多运营商LTE-U与WiFi共存亟需解决的问题。
综上所述，本发明为解决多运营商场景下LTE-U与WiFi网络共存问题，提出一种基于LAT的LTE-U动态接入非授权频段机制；多运营商场景中运营商之间彼此竞争信道与WiFi共存。为了避免频段资源浪费且保护WiFi传输性能，本发明提出一种多运营商基于全双工LAT不完美感知的动态功率调整方法。该方法根据WiFi网络的接入概率，能够得出LTE-U的最优回退窗口和最优传输功率，在保证WiFi传输性能的同时最大化LTE-U网络的有效吞吐量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多运营商场景下基于全双工LAT的LTE-U动态接入非授权频段方法；本发明的目的之二是提出一种基于全双工LAT不完美感知的功率调整方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于多运营商场景下基于LAT(Listen And Talk，全双工技术的边听边发)的LTE-U与WiFi共存方法，包括以下步骤：
S1：LTE-U根据边听边发LAT信道检测机制判断有无LTE-U接入非授权频段；
S2：根据LAT信道检测结果，判定非授权频段上无LTE-U用户，则无回退窗口数的LTE-U随机选择一个回退窗口进行回退，以及已有回退窗口数的LTE-U继续原有的回退窗口进行回退，同时保持对非授权频段持续监听；
S3：若判定非授权频段上有LTE-U用户，则LTE-U暂停窗口的回退并保持对非授权频段持续监听；
S4：回退窗口最先归0的LTE-U用户接入非授权频段进行传输，同时保持对非授权频段持续监听；
S5：LTE-U根据边听边发LAT信道检测机制判断有无WiFi接入非授权频段；
S6：根据LAT信道检测结果，判定非授权频段上有WiFi用户，则LTE-U在传输时调整其发射功率以保护WiFi网络的传输性能；判定非授权频段上无WiFi用户，则LTE-U在传输时以较大发射功率进行传输。
进一步，所述LTE-U与WiFi为两个不同的系统，其在非授权频段接入和传输模式不同，需保证WiFi网络传输性能：
WiFi占用非授权频段时，LTE-U以较小发射功率接入非授权频段进行传输；
WiFi未占用非授权频段时，LTE-U以较大发射功率接入非授权频段进行传输；
其中LTE-U根据边听边发LAT信道检测机制判断有无LTE-U接入非授权频段，利用的是信道能量检测方式，包括：判定存在LTE-U接入非授权频段和判定不存在LTE-U接入非授权频段，判定存在WiFi接入非授权频段和判定不存在WiFi接入非授权频段；
采用基于全双工技术的边听边发LAT机制，用户能够同时进行信道的检测和数据的发送，包括：
LTE-U基站和LTE-U用户均配备有两个全双工天线Ant1和Ant2；
天线Ant1持续监测信道状态，当检测信道空闲时，天线Ant2发送数据，并且无论天线Ant2是否发送数据，天线Ant1均持续检测信道状态；
在每一个检测时隙slot的最后，LTE-U将根据检测结果判断下一时隙slot是否发送数据；
LAT机制基于不完美的信道检测，更能体现真实信道中复杂的信道状态；
残余自干扰RSI会影响LTE-U用户的信道检测精度，造成不完美检测；
LTE-U用户检测信道会发生虚警，虚警概率为Pf；LTE-U用户检测信道会发生漏检，漏检概率为Pm；
若多于两个用户发生冲突，其在天线Ant1端的接收信号必然远大于自干扰，则漏检仅发生于两个用户发生冲突的情况；
LAT机制基于全双工技术的优越性实现数据传输与信道检测同时进行，如果LTE-U用户和WiFi用户间发生冲突，LTE-U能够及时检测并立即降低其传输功率，进而保障WiFi网络的传输性能。
进一步，所述LTE-U用户的信道检测和业务流量传输以时隙slot为基本单位：
LTE-U用户通过综合整个slot时隙内的信道能量检测结果，在一个slot时隙的最后做出信道状态判定；
LTE-U根据前一slot时隙的检测结果，进行下一slot时隙的数据传输。
进一步，所述LTE-U的竞争窗口长度以时隙slot为基本单位：
LTE-U竞争窗口数随机的从{1,2,…,W-1}中选取；
每判定一个slot时隙空闲，LTE-U竞争窗口数回退减1；
LTE-U竞争窗口数回退归0后，将重新随机的从{1,2,…,W-1}中选取；
保证每个LTE-U用户都能从所选取的窗口数退回至0并接入信道，从而保障系统内用户间的接入公平性。
进一步，在所述非授权频段上，传输时间划分为多个长度为A+T的传输周期：
周期A和周期T均由若干时隙组成；
A为WiFi网络检测接入时间，T为WiFi和LTE-U用户传输时间；
WiFi在每个接入周期A进行监听，并根据接入概率Pwifi接入信道进行传输；
LTE-U在传输周期T内根据LAT机制竞争接入非授权频段。
进一步，在保证所述WiFi网络性能的前提下，最大化LTE-U的有效吞吐量
Figure BDA0001551831690000041
Figure BDA0001551831690000042
为LTE-U的频段利用率，
Figure BDA0001551831690000043
为LTE-U在不发生漏检和虚警情况下的吞吐量。
进一步，所述LTE-U的频段利用率
Figure BDA0001551831690000044
Ttr为LTE-U在传输周期T内的传输时间，Twa为LTE-U在传输周期T内由于等待和碰撞所导致的浪费时间；对于Ttr而言，LTE-U在下一时隙能够成功传输必须满足：LTE-U回退窗口最小，LTE-U在WiFi接入时不发生漏检，且在WiFi静默时不发生虚警这三个条件。
进一步，所述LTE-U在不发生漏检和虚警情况下的吞吐量为：
Figure BDA0001551831690000051
其中Jn表示第n个LTE-U运营商的用户数，
Figure BDA0001551831690000052
表示WiFi接入非授权频段时，LTE-U在发射功率为
Figure BDA0001551831690000053
时的吞吐量，
Figure BDA0001551831690000054
表示WiFi静默时，LTE-U在发射功率为
Figure BDA0001551831690000055
时的吞吐量。
进一步，当所述WiFi使用非授权频段时，LTE-U为保证WiFi传输性能将以较小发射功率ps进行传输；根据3GPP规定，WiFi网络和LTE-U共存时，LTE-U用户对WiFi网络的影响不大于WiFi网络增加同等数量的WiFi用户后对WiFi网络造成的影响，这一约束条件为：
Figure BDA0001551831690000056
进一步，所述最大化LTE-U的吞吐量，包括以下步骤：
通过优化回退窗口数W得到LTE-U的频段利用率
Figure BDA0001551831690000057
通过优化功率分配得到LTE-U在不发生漏检和虚警情况下的吞吐量
Figure BDA0001551831690000058
最终得到优化的LTE-U有效吞吐量
Figure BDA0001551831690000059
本发明的有益效果在于：
针对多运营商场景提出一种基于全双工LAT的LTE-U动态接入非授权频段方法，能够有效解决多运营商场景下，各运营商协调其LTE-U用户接入并共享非授权频段资源的问题；
针对LTE-U与WiFi网络的和谐共存提出一种基于全双工LAT不完美感知的功率调整方法，通过实时的监听信道，检测WiFi用户是否占用信道，能够及时的避免对WiFi用户产生持续的干扰，进而保证了WiFi网络的传输性能；
针对LTE-U在非授权频段上的回退窗口进行优化，得到LTE-U网络在非授权频段上的最优频段利用率；其次根据WiFi接入非授权频段的概率对LTE-U在非授权频段上的传输功率进行优化，从而在保证WiFi网络传输性能的前提下，实现LTE-U网络吞吐量的最大化。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明基于LAT的多运营商LTE-U与WiFi共存方法的流程示意图；
图2为本发明多运营商LTE-U与WiFi共存场景示意图；
图3为本发明基于全双工LAT的LTE-U非授权频段接入方案示意图；
图4为本发明中实施例的流程示意图；
图5为本发明性能对比示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的基于LAT的多运营商LTE-U与WiFi共存方法，包括以下步骤：
步骤100，LTE-U用户利用LAT检测机制判断有无其他LTE-U用户接入信道，其信道检测判定是基于信道的能量检测技术。
步骤101，根据LAT信道检测机制的判定结果，如果信道上没有其他LTE-U用户，那么无回退窗口的LTE-U用户将从一系列竞争窗口数中随机选择一个窗口数进行回退，以及已有回退窗口的LTE-U继续原有的回退窗口进行回退，同时保持对非授权信道进行LAT信道监听，回退窗口最先归0的LTE-U用户接入非授权信道进行数据传输；如果判定已经有LTE-U用户占用了非授权信道，则LTE-U用户将暂停窗口数的回退并保持对非授权信道监听。
步骤102，LTE-U用户利用LAT检测机制判断有无WiFi用户接入信道。
步骤103，根据LAT信道检测机制的判定结果，如果非授权信道上存在WiFi用户，那么LTE-U调整其功率以较小的发射功率ps进行传输；如果非授权信道上不存在WiFi用户，那么LTE-U在传输时以较大的发射功率pb进行传输。
根据上述步骤，如图2所示，本发明中多运营商网络下行传输场景包含N个LTE-U运营商，J个用户以及M个WiFi接入点WAP。场景中，运营商代表LTE-U运营商，用户代表LTE-U用户。LTE-U采用基于全双工的LAT非授权频段接入方案，当多运营商采用相同的回退窗口时，借助LAT技术，运营商可在传输时立即发现信道中还有其他运营商传输，从而及时终止自身的传输，避免了LBT模式下的长时间碰撞。此时，各运营商将重新选择各自回退窗口进行下一轮的回退过程。基于全双工的LAT方案可以保证仅有一个LTE-U运营商接入非授权频段，且LAT可同时检测WiFi用户是否传输。若检测到WiFi用户传输，则LTE-U调整其传输功率，从而在保证WiFi网络传输性能的同时实现二者的公平共存；若WiFi用户保持静默，则LTE-U保持其原有传输功率传输。
本发明中WiFi用户对非授权频段的占用，是基于其数据传输需求的，是随机的，以及LAT机制感知的不完美性，LTE-U用户在检测信道时将出现虚警和漏检的情况。因此，根据多运营商场景下的LTE-U动态接入非授权频段方法，会出现如下七种非授权频段的占用情况：
情况一，WiFi和LTE-U共用非授权频段，LTE-U正确检测(即E1≤E＜E2)，LTE-U发射功率为ps；
情况二，WiFi和LTE-U共用非授权频段，LTE-U错误检测(即E＜E1)，LTE-U发射功率为pb；
情况三，WiFi未占用非授权频段，LTE-U正确检测(即E＜E1)，LTE-U发射功率为pb；
情况四，WiFi未占用非授权频段，LTE-U错误检测(即E1≤E＜E2)，LTE-U发射功率为ps；
情况五，WiFi未占用非授权频段，但是已有其他LTE-U占用了非授权频段，LTE-U错误检测(即E1≤E＜E2)，LTE-U发射功率为ps；
情况六，WiFi未占用非授权频段，但是已有其他LTE-U占用非授权频段，LTE-U正确检测(即E≥E2)，此LTE-U未接入非授权频段，其他LTE-U正常传输；
情况七，WiFi未占用非授权频段，同时也无其他LTE-U占用非授权频段，LTE-U错误检测(即E≥E2)，LTE-U未接入非授权频段，此时造成非授权频段频谱浪费；
以上七种情况中，情况一、情况三和情况六是由于LTE-U正确检测，没有冲突发生；情况二、情况四和情况五是由于LTE-U错误检测，冲突发生；情况七造成频谱资源浪费。
据此，LTE-U在不发生漏检和虚警情况下的吞吐量，其表达式可写为：
Figure BDA0001551831690000071
其中Jn表示第n个LTE-U运营商的用户数，
Figure BDA0001551831690000072
表示WiFi接入非授权频段时，LTE-U在发射功率为
Figure BDA0001551831690000073
时的吞吐量，
Figure BDA0001551831690000074
表示WiFi静默时，LTE-U在发射功率为
Figure BDA0001551831690000075
时的吞吐量。
Figure BDA0001551831690000076
与
Figure BDA0001551831690000077
的表达式如下：
Figure BDA0001551831690000078
考虑到LTE-U采用LAT方式竞争接入非授权频段时会发生碰撞和监听等行为，LTE-U的有效吞吐量为
Figure BDA0001551831690000079
Figure BDA00015518316900000710
为LTE-U的频段利用率，定义
Figure BDA00015518316900000711
为：
Figure BDA00015518316900000712
其中Ttr为LTE-U在传输周期T内的传输时间，Twa为LTE-U在传输周期T内由于等待和碰撞所导致的浪费时间。对于Ttr而言，LTE-U在下一时隙能够成功传输必须满足：LTE-U回退窗口最小，LTE-U在WiFi接入时不发生漏检，且在WiFi静默时不发生虚警这三个条件。下面依次对Ttr和Twa求解。
LTE-U回退窗口最小的概率为：
Figure BDA0001551831690000081
其中W-1为最长回退窗口长度。LTE-U不发生漏检和虚警的概率为：
Pde＝(1-Pwifi)(1-Pf)+Pwifi(1-Pm) (5)
根据式(4)和式(5)，可得LTE-U的平均传输时间Ttr为：
Figure BDA0001551831690000082
其中i为传输时隙序号。至此LTE-U平均传输时间Ttr分析结束。
对于Twa而言，浪费时长为LTE-U网络用于回退和冲突以及LTE-U对WiFi网络漏检和虚警导致的浪费。由于LTE-U对WiFi网络漏检和虚警导致的浪费会在计算中合并，最终Twa即为LTE-U网络平均浪费时长
Figure BDA0001551831690000083
的表达式为：
Figure BDA0001551831690000084
其中Tw_s为LTE-U成功传输之前的平均等待时长；Tw_c为两个或两个以上LTE-U选择同等回退窗口情况下的平均等待和冲突时长Tcol。LTE-U成功传输之前的平均等待时长Tw_s为：
Figure BDA0001551831690000085
两个或两个以上LTE-U选择同等大小回退窗口k的概率
Figure BDA0001551831690000086
为：
Figure BDA0001551831690000087
根据式(9)，Tw_c为：
Figure BDA0001551831690000088
根据式(6)、式(8)以及式(10)，可得
Figure BDA0001551831690000089
表达式。LTE-U有效吞吐量
Figure BDA00015518316900000810
为：
Figure BDA00015518316900000811
为在保证WiFi传输性能的同时最大化LTE-U的有效吞吐量，LTE-U的传输功率必须得到有效控制。考虑到非授权频段的开放性，当LTE-U以较大的传输功率
Figure BDA00015518316900000812
传输时，为对其他非授权频段用户进行保护，如雷达等公共设施。
Figure BDA00015518316900000813
应满足：
Figure BDA0001551831690000091
其中Plim为最大发射功率。
此外，当WiFi使用非授权频段时，LTE-U为保证WiFi传输性能将以传输功率ps进行传输。根据3GPP规定，WiFi网络和LTE-U共存时，LTE-U用户对WiFi网络的影响不大于WiFi网络增加同等数量的WiFi用户后对WiFi网络造成的影响，这一约束条件可写为：
Figure BDA0001551831690000092
其中
Figure BDA0001551831690000093
为LTE-U不发生漏检时WiFi网络的有效吞吐量，Pwifi,n+1为WiFi网络中有n+1个WiFi用户时的接入概率。考虑到WiFi网络接入信道后将受到LTE-U的干扰，其吞吐量与LTE-U的发射功率
Figure BDA0001551831690000094
有关，故WiFi网络吞吐量的表达式为：
Figure BDA0001551831690000095
其中p为WiFi网络的发射功率，hw为WiFi节点到用户之间的路径增益，
Figure BDA0001551831690000096
为LTE-U基站n与WiFi节点之间的路径增益。此外，n+1个WiFi用户的吞吐量Cwifi,n+1(p)的表达式为：
Figure BDA0001551831690000097
同时，发射功率
Figure BDA0001551831690000098
和
Figure BDA0001551831690000099
还需满足约束条件：
Figure BDA00015518316900000910
其中Pmax为LTE-U基站的最大发射功率。LTE-U的频段利用率
Figure BDA00015518316900000911
应满足：
Figure BDA00015518316900000912
本发明规定优化目标为在多运营商LTE-U与WiFi共存场景下，通过合理调节LTE-U的传输功率和回退窗口大小，从而在保证WiFi网络传输性能的同时最大化LTE-U的有效吞吐量。该优化问题可表示为优化问题P1：
Figure BDA0001551831690000101
其中(a1)-(a3)为LTE-U发射功率约束；(b1)表示LTE-U频段利用率约束。
为最大化LTE-U的有效吞吐量，需对LTE-U的频段利用率以及LTE-U在不同WiFi接入场景下的传输功率进行求解。由于频段利用率与吞吐量优化是相互独立的，故可将原优化问题P1分解为优化回退窗口W以及优化功率分配子问题进行求解。首先在给定的传输功率下，对LTE-U在非授权频段上的回退窗口进行优化并计算出LTE-U在非授权频段上最优频段利用率
Figure BDA0001551831690000102
其次，结合LTE-U在非授权频段上频段利用率的优化结果，对LTE-U在非授权频段上的传输功率进行优化，从而得到优化问题P1的最优解。
本实施例具体技术方案如下：
步骤400，初始化窗口数W＝0，最优窗口数W*＝0，以及最大窗口数Wmax，拉格朗日乘子β，γ，迭代长度Δβ，Δγ。
步骤401，由上述式子(3)(6)(8)(10)得到对应窗口数W下的频段利用率
Figure BDA0001551831690000103
和
Figure BDA0001551831690000104
步骤402，对比判断频段利用率
Figure BDA0001551831690000105
和
Figure BDA0001551831690000106
值的大小，若
Figure BDA0001551831690000107
则W＝W+1，否则W*＝W,W＝W+1；进一步，若W＞Wmax，则进入步骤403，否则回到步骤401。步骤402具体计算如下：
对LTE-U在非授权频段上的频段利用率进行优化。优化目标为LTE-U的频段利用率，优化变量为LTE-U的回退窗口大小W，约束条件为的LTE-U频段利用率约束，故LTE-U在非授权频段上的频段利用率子优化问题P2为：
Figure BDA0001551831690000108
由于回退窗口大小W为整数且取值范围有限，可采用穷举法求解最优回退窗口。先任意选取回退窗口W并根据式(3)计算结果，在回退窗口的取值区间[0,Wmax-1]内逐步减少或增加W直到式(3)的结果最大。此时对应的W为LTE-U的最优回退窗口W*。
步骤403，根据步骤402得到的最优窗口数W*，代入如下式子中得到对应的
Figure BDA0001551831690000111
为LTE-U最优频段利用率
Figure BDA0001551831690000112
至此，LTE-U在非权频段上的频段利用率优化完毕。步骤403中，LTE-U在非授权频段上的频段利用率计算如下：
Figure BDA0001551831690000113
步骤404，根据LAT信道检测机制判断WiFi用户是否占用非授权频段。
步骤405，根据上述步骤，原优化问题P1仅与LTE-U在非授权频段上的传输功率有关。本步骤对LTE-U在非授权频段上的传输功率进行优化，由自然对数函数特点可知，优化问题P1的目标函数随
Figure BDA0001551831690000114
与
Figure BDA0001551831690000115
增大而增大。因此在约束条件(a3)中当
Figure BDA0001551831690000116
时，优化问题P1能取得最优解。故
Figure BDA0001551831690000117
和
Figure BDA0001551831690000118
满足关系：
Figure BDA0001551831690000119
根据式(21)，LTE-U在非授权频段的功率分配子优化问题P3可表示为：
Figure BDA00015518316900001110
此时，子优化问题P3仅与参数
Figure BDA00015518316900001111
有关。对子优化问题P3中的优化目标函数关于
Figure BDA00015518316900001112
求导，并令其导数等于零，可得：
1.当
Figure BDA00015518316900001113
时
此时，LTE-U网络的有效吞吐量随
Figure BDA00015518316900001114
增大而增大，故
Figure BDA00015518316900001115
取约束范围内的的最大值Z，根据约束条件(a2)可得Z为：
Figure BDA0001551831690000121
对应可求出
Figure BDA0001551831690000122
2.当
Figure BDA0001551831690000123
时
此时，LTE-U网络的有效吞吐量随
Figure BDA0001551831690000124
增大而减小，
Figure BDA0001551831690000125
取其约束范围内的最小值，根据约束条件(a1)，可得出
Figure BDA0001551831690000126
为：
Figure BDA0001551831690000127
对应可求出
Figure BDA0001551831690000128
结合约束条件(a3)中用户功率大于0的约束，根据KKT条件，可得出每个用户的
Figure BDA0001551831690000129
和
Figure BDA00015518316900001210
为：
Figure BDA00015518316900001211
其中β和γ为非负拉格朗日乘子。式(25)的结果可通过次梯度法得出。首先对β和γ进行初始化，并根据式(26)计算h(β)和h(γ)的结果。
Figure BDA00015518316900001212
进而根据式(26)计算h(β)和h(γ)。若式(26)中h(β)和h(γ)值大于0，则继续增加β和γ，否则减少β和γ直到式(26)的结果为0，此时对应的β和γ即为式(25)的解，从而得到最优发射功率
Figure BDA00015518316900001213
和
Figure BDA00015518316900001214
步骤406，根据步骤403得到的最优频段利用率
Figure BDA00015518316900001215
以及步骤405得到的最优发射功率
Figure BDA00015518316900001216
和
Figure BDA00015518316900001217
由LTE-U的有效吞吐量公式(11)最终得到LTE-U网络最优吞吐量。
上述实施步骤表明，LTE-U可选择最优回退窗口W*提高其在非授权频段的利用率，并根据WiFi接入概率确定用户的
Figure BDA00015518316900001218
和
Figure BDA00015518316900001219
的传输功率，从而在保证WiFi网络传输性能的同时最大化LTE-U吞吐量。
图3为本发明基于全双工LAT的LTE-U非授权频段接入方案示意图；图4为本发明中实施例的流程示意图；图5图示了根据本发明方法提出的动态功率调整算法，其在LTE-U与WiFi网络吞吐量方面与其他方法进行性能对比的一个实施例。其中动态功率调整算法、占空比算法以及随机算法均采用各自最优的LTE-U频段利用率。具体实施对比包括：
不同方法下LTE-U网络吞吐量从高到低依次为：动态功率调整算法、占空比算法和随机算法。这是因为动态功率调整算法通过对功率进行合理的分配，使得LTE-U网络吞吐量最大。占空比算法中LTE-U在WiFi传输时停止传输，故LTE-U吞吐量低于动态功率调整算法下的LTE-U的吞吐量。随机算法由于不考虑LTE-U吞吐量优化问题，故LTE-U吞吐量最低。
在WiFi吞吐量方面，占空比算法下WiFi吞吐量最高，其次为随机算法和动态功率调整算法。这是因为在占空比算法下WiFi传输时不受到LTE-U干扰，故WiFi吞吐量最高。随机算法下LTE-U对WiFi的干扰小于动态功率调整算法下的情况，故随机算法下WiFi的吞吐量高于动态功率调整算法下的吞吐量。
在平均吞吐量方面，动态功率调整算法表现最优，其次为占空比算法和随机算法。这是因为LTE-U吞吐量变化幅度高于WiFi吞吐量变化幅度。故LTE-U吞吐量高低决定了平均吞吐量的情况。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种用于多运营商场景下基于全双工技术的边听边发LAT的LTE-U与WiFi共存方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：LTE-U根据边听边发LAT信道检测机制判断有无LTE-U接入非授权频段；
S2：根据LAT信道检测结果，判定非授权频段上无LTE-U用户，则无回退窗口数的LTE-U随机选择一个回退窗口进行回退，以及已有回退窗口数的LTE-U继续原有的回退窗口进行回退，同时保持对非授权频段持续监听；
S3：若判定非授权频段上有LTE-U用户，则LTE-U暂停窗口的回退并保持对非授权频段持续监听；
S4：回退窗口最先归0的LTE-U用户接入非授权频段进行传输，同时保持对非授权频段持续监听；
S5：LTE-U根据边听边发LAT信道检测机制判断有无WiFi接入非授权频段；
S6：根据LAT信道检测结果，判定非授权频段上有WiFi用户，则LTE-U在传输时调整其发射功率以保护WiFi网络的传输性能；判定非授权频段上无WiFi用户，则LTE-U在传输时以较大发射功率进行传输；
所述LTE-U与WiFi为两个不同的系统，其在非授权频段接入和传输模式不同，需保证WiFi网络传输性能：
WiFi占用非授权频段时，LTE-U以较小发射功率接入非授权频段进行传输；
WiFi未占用非授权频段时，LTE-U以较大发射功率接入非授权频段进行传输；
其中LTE-U根据边听边发LAT信道检测机制判断有无LTE-U接入非授权频段，利用的是信道能量检测方式，包括：判定存在LTE-U接入非授权频段和判定不存在LTE-U接入非授权频段，判定存在WiFi接入非授权频段和判定不存在WiFi接入非授权频段；
采用基于全双工技术的边听边发LAT机制，用户能够同时进行信道的检测和数据的发送，包括：
LTE-U基站和LTE-U用户均配备有两个全双工天线Ant1和Ant2；
天线Ant1持续监测信道状态，当检测信道空闲时，天线Ant2发送数据，并且无论天线Ant2是否发送数据，天线Ant1均持续检测信道状态；
在每一个检测时隙slot的最后，LTE-U将根据检测结果判断下一时隙slot是否发送数据；
LAT机制基于不完美的信道检测，更能体现真实信道中复杂的信道状态；
残余自干扰RSI会影响LTE-U用户的信道检测精度，造成不完美检测；
LTE-U用户检测信道会发生虚警，虚警概率为Pf；LTE-U用户检测信道会发生漏检，漏检概率为Pm；
若多于两个用户发生冲突，其在天线Ant1端的接收信号必然远大于自干扰，则漏检仅发生于两个用户发生冲突的情况；
LAT机制基于全双工技术的优越性实现数据传输与信道检测同时进行，如果LTE-U用户和WiFi用户间发生冲突，LTE-U能够及时检测并立即降低其传输功率，进而保障WiFi网络的传输性能；
所述LTE-U用户的信道检测和业务流量传输以时隙slot为基本单位：
LTE-U用户通过综合整个slot时隙内的信道能量检测结果，在一个slot时隙的最后做出信道状态判定；
LTE-U根据前一slot时隙的检测结果，进行下一slot时隙的数据传输；
所述LTE-U的竞争窗口长度以时隙slot为基本单位：
LTE-U竞争窗口数随机的从{1,2,…,W-1}中选取；
每判定一个slot时隙空闲，LTE-U竞争窗口数回退减1；
LTE-U竞争窗口数回退归0后，将重新随机的从{1,2,…,W-1}中选取；
保证每个LTE-U用户都能从所选取的窗口数退回至0并接入信道，从而保障系统内用户间的接入公平性；
在所述非授权频段上，传输时间划分为多个长度为A+T的传输周期：
周期A和周期T均由若干时隙组成；
A为WiFi网络检测接入时间，T为WiFi和LTE-U用户传输时间；
WiFi在每个接入周期A进行监听，并根据接入概率Pwifi接入信道进行传输；
LTE-U在传输周期T内根据LAT机制竞争接入非授权频段；
在保证所述WiFi网络性能的前提下，最大化LTE-U的有效吞吐量
Figure FDA0003374319930000021
Figure FDA0003374319930000022
为LTE-U的频段利用率，
Figure FDA0003374319930000023
为LTE-U在不发生漏检和虚警情况下的吞吐量；
所述LTE-U的频段利用率
Figure FDA0003374319930000024
Ttr为LTE-U在传输周期T内的传输时间，Twa为LTE-U在传输周期T内由于等待和碰撞所导致的浪费时间；对于Ttr而言，LTE-U在下一时隙能够成功传输必须满足：LTE-U回退窗口最小，LTE-U在WiFi接入时不发生漏检，且在WiFi静默时不发生虚警这三个条件；
所述LTE-U在不发生漏检和虚警情况下的吞吐量为：
Figure FDA0003374319930000031
其中Jn表示第n个LTE-U运营商的用户数，
Figure FDA0003374319930000032
表示WiFi接入非授权频段时，LTE-U在发射功率为
Figure FDA0003374319930000033
时的吞吐量，
Figure FDA0003374319930000034
表示WiFi静默时，LTE-U在发射功率为
Figure FDA0003374319930000035
时的吞吐量；
Figure FDA0003374319930000036
为LTE-U在WiFi接入非授权频段时的发射功率；
Figure FDA0003374319930000037
为LTE-U在WiFi静默时的发射功率；
当所述WiFi使用非授权频段时，LTE-U为保证WiFi传输性能将以发射功率ps进行传输；WiFi网络和LTE-U共存时，LTE-U用户对WiFi网络的影响不大于WiFi网络增加同等数量的WiFi用户后对WiFi网络造成的影响，这一约束条件为：
Figure FDA0003374319930000038
Pwifi为WiFi接入非授权频段的概率；
Pm为LTE-U发生漏检的概率；
Cwifi为WiFi用户的吞吐量；
Pwifi,n+1为WiFi网络中有n+1个WiFi用户时的接入概率；
Cwifi,n+1为n+1个WiFi用户的吞吐量；
所述最大化LTE-U的吞吐量，包括以下步骤：
通过优化回退窗口数W得到LTE-U的频段利用率
Figure FDA0003374319930000039
通过优化功率分配得到LTE-U在不发生漏检和虚警情况下的吞吐量
Figure FDA00033743199300000310
最终得到优化的LTE-U有效吞吐量
Figure FDA00033743199300000311
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