CN109981197A - LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存方法及共存系统 - Google Patents
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Abstract
LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存方法及共存系统，本发明提供了一种基于功率的LAA与WiFi共存方法及共存系统，用于克服LAA与WiFi共存网络容量无法满足通信需求的问题。所述LAA与WiFi共存方法，首先对信道状态进行判断，在无空闲信道时，LAA向中心控制器发送SR信令，中心控制器在LAA与WiFi AC之间进行信道信息的收集、汇总、处理、控制权重新分配及转移实现负载均衡，在信道均衡时LAA BS“开启”以功率复用方式进行数据传输。本发明针对LAA“开启”时间段，在同一时间同一信道上通过不同的功率传输不同用户的信息，将不同功率分配给不同用户，从而实现异构网络的共存，以较小的复杂度提升网络性能，提高LAA系统吞吐量和传输效率，提高了频谱利用率。
Description
技术领域
本发明属于网络传输与无线通信领域，具体涉及一种基于功率的LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存方法及共存系统。
背景技术
长期演进(Long Term Evolution，LTE)系统是目前全球蜂窝移动通信应用最广泛的网络，得到了主流通信运营商和设备商的关注，未来5G移动通信将提供更为丰富的业务。而随着移动通信数据量及终端数量的急速增长，授权频段的频谱资源愈发不足，因此业内人士提出将LTE系统借助于载波聚合(Carrier Aggregation,CA)技术扩展到5GHz非授权频段来获得更多的频谱以拥有更好地用户体验，即辅助授权接入(Licensed-AssistedAccess,LAA)技术。
要实现LAA技术，需要使LTE与非授权频段中存在的网络友好共存。目前LTE部署在授权频段，采用媒体接入控制(Media Access Control,MAC)层集中调度的方式分配频域以及时域资源，具有连续性的传输机制，频谱效率高保密性好，具有较强的抗干扰性能以及较好的灵活性。无线保真(Wireless Fidelity,WiFi)系统是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，部署在非授权频段，覆盖范围较小，通过CSMA/CA(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance)竞争性地侦听信道，如果信道空闲则立即占据信道并传输数据，否则持续侦听信道并等待至信道空闲再传输。将LTE引入到非授权频段需要考虑与WiFi等异构网络友好共存，避免LAA破坏原有非授权频段多系统共存的环境。同时，非授权频段资源有限并且珍贵，合理有效选择信道，减少无效碰撞，对于提升整体网络效率至关重要。
现有技术中，实现异构网络融合的方法主要有流量卸载和资源共享两种。
对于资源共享的方法，由于WiFi系统通信选择信道具有一定的随机性，LTE与WiFi共存过程中，会出现同一信道共存的问题；而原有LTE由于工作在授权频段，其在发送数据前并不会检测信道，如果直接部署LTE在非授权频段会对已有的WiFi网络造成严重的干扰。现有技术中通过载波侦听自适应传输(Carrier Sensing Adaptive Transmission,CSAT)与碰撞退避的先听后说(Listen Before Talk,LBT)相结合的方式解决信道竞争问题。图1所示为现有技术中所述CSAT与LBT相结合的原理示意图。但是，对于CSAT机制，当LAA与WiFi都有较重的负载量时，LAA只能分到一半的时间资源，WiFi使用另一半时间资源进行低效率的数据传输；对于LBT接入，LAA将以类似WiFi的方式竞争信道，将失去原有集中调度的优势，信道负载重时，大量时间浪费在信道退避上，频谱效率不能满足今后日益增长的用户需求。LAA与WiFi共享机制通信容量过低，无法应对日益紧张的通信需求。
对于卸载流量的方法，当LAA负载过大时，卸载部分LAA数据到WiFi网络；反之，卸载部分WiFi数据到LAA网络以均衡负载达到优化网络吞吐量目的。但单一的卸载数据到另一系统上并不能有效解决系统负载过重问题，低的频谱效率也不适合于未来数据量庞大的通信系统。
发明内容
为了提高异构网络的共存质量，克服现有的LAA与WiFi共存网络容量无法满足日益增长的通信需求的问题，本发明提供了一种基于功率的LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存方法及共存系统，针对LAA“开启”时间段，在同一时间同一信道上通过不同的功率传输不同用户的信息，根据信道质量的判定，将不同功率分配给不同用户，从而实现异构网络的共存，提高LAA系统吞吐量和传输效率，提高频谱利用率。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种基于功率的LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，LAA基站BS进行信道扫描，判断信道是否空闲，若有空闲信道，则LAA直接占用信道传输数据；若没有空闲信道，则进入步骤S2；
步骤S2，LAA向中心控制器发送接入请求SR信令，同时发送LAA用户负载量信息、要求共享的WiFi信道给中心控制器；
步骤S3，WiFi无线接入点AC完成本小区的接入点用户APs认证，所述APs通过竞争信道的方式传输数据，并向WiFi AC上报所述APs负载量和个数信息；
步骤S4，中心控制器接收LAA BS的SR信令，查询LAA BS接收指示，获取LAA用户位置信息及负载信息；根据所述接收指示，通过WiFi AC获取与所述接收指示相对应的APs位置及负载信息；
步骤S5，中心控制器汇总LAA用户和APs的负载量信息，计算LAA与WiFi共存时需要从WiFi处卸载的数据量以及补偿给LAA的时隙并将计算结果作为资源分配RA信息反馈给LAA BS和WiFi AC；
步骤S6，WiFi AC接收到中心控制器的RA信息，根据所述RA信息计算并发送用户转移指令到相应的WiFi AP；相应的WiFi AP通过宽带接入网和服务器向所述中心控制器上报AC需要转移用户的位置、负载量和优先级，同时释放该部分用户的控制权给AC；
步骤S7，LAA BS向所述中心控制器上报LAA用户位置信息、MCS信息及优先级信息；WiFi AC将所接收到的WiFi AP控制权移交至中心控制器；
步骤S8，所述中心控制器根据所接收到LAA用户位置信息、MCS信息及优先级信息，将所接收到的WiFi AP控制权进行重新分配并转移给LAA BS，实现负载均衡；
步骤S9，中心控制器根据所述补偿给LAA的时隙，计算LAA“开启”时间段内所需功率，并向LAA BS发送功率分配信息；
步骤S10，LAA BS根据所述功率分配信息以及LAA时隙信息进行数据传输；同时，WiFi AP执行退避等待信道空闲；
步骤S11，数据传输结束后，LAA BS发送该周期数据传输完毕的信息给中心控制器；关闭LAA BS，释放信道，等待下一数据周期；
步骤S12，中心控制器接收到所述该周期数据传输完毕的信息后，释放对AC的控制权；WiFi AC释放原WiFi用户的控制权及信道；APs恢复竞争信道的方式进行数据传输。
上述方案中，所述步骤S1中判断信道是否空闲，包括如下步骤：
步骤S001，LAA BS测量某一信道的接收信号强度指示RSSI，信干噪比SINR，保存并标记该信道；
步骤S002，LAA BS广播发送一个包含自身MAC地址的广播探测请求帧PRF；
步骤S003，LAA BS启动探测计时器；
步骤S004，LAA BS在最大信道等待时间MCT内等待探测响应帧，同时记录探测时间内接收到的所有响应；
步骤S005，LAA BS探测定时器判断是否超时；若已超时，进入步骤S006；若未超时，转入步骤S004；
步骤S006，判断是否扫描完所有信道；若没有扫描完所有信道，则进入步骤S007；若已扫描完所有信道，则结束；
步骤S007，记录保存该信道并切换到下一信道，返回步骤S001。
上述方案中，当信道处于空闲状态时，所述LAA直接占用信道传输数据，进一步为，启用LBT侦听并占据所述空闲信道开始数据传输，同时设置网络分配矢量NAV标识，以广播的方式通知周围用户该信道有数据正在传输，传输的最长时间不超过TXOP传输机会限制。
上述方案中，所述步骤S5中所述计算结果包括：数据分配卸载信息，LAA系统开启、关闭时隙信息。
上述方案中，所述步骤S9中计算LAA“开启”时间段内的所需功率，进一步为，引入功率域复用LAA“开启”时间段的信道，采用功率复用方式进行传输时的所需功率。
上述方案中，所述功率复用方式，进一步为，通过信道调制编码机制MCS、接收信号强度指示RSSI和信干噪比SINR判断当前信道的质量，对于信道条件较好的用户按预定规则减少功率因子分配比例。
上述方案中，所述功率复用方式，还包括：开启匹配算法，进行叠加用户选择。
上述方案中，所述叠加用户选择过程为：
设定STA 1和STA 2为卸载到LAA网络上的用户，与LAA基站间距离为d11,d12,…,LAA原有小区用户与基站之间距离为d01,d02,…；通过测量得到信道条件|hN|2>|hN-1|2>…>|h1|2，N为包括卸载后的WiFi用户在内的总用户个数；
当N为偶数时，用户1与用户匹配，用户2与用户匹配，用户与用户N匹配；当N为奇数时，用户1与用户匹配，用户与用户N匹配，用户使用原有正交多址的方式。
上述方案中，所述步骤10中数据传输，进一步包括：
数据发送，根据原有LTE通信方式按照分配好的功率和信道进行数据传输；
数据接收，先解调出功率较大用户信号，正确解码后采用和发送端相同的编码和调制对该信号重构，然后从总的叠加信号中减去该信号，再进行下一个用户信号的解码，从而得到对应的用户信号；多用户信号处理时，先解调出功率强的用户，再将该信号去除，直到所有的干扰用户分离，获得期望的用户信号。
本发明还提供了一种基于功率的LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存系统，所述系统包括：至少一个中心控制器，至少两个LAA小区基站LAA BS，至少一个WiFi无线控制器AC，若干WiFi无线接入点AP；其中，
所述中心控制器同时与所述LAA BS和WiFi AC相连，与所述LAA BS和WiFi AC进行通信；用于接受LAA的上行调度请求SR信令，汇总LAA用户和WiFi用户的负载量信息，计算LAA与WiFi共存时需要从WiFi处卸载的数据量以及补偿给LAA的时隙并将计算结果作为资源分配RA信息反馈给LAA BS和WiFi AC；还用于分配并转移WiFi用户的控制权给LAA BS，实现负载均衡；还用于从LAA BS处收集到LAA网络中的用户信息及接管从WiFi网络中转移的用户信息后，根据所述补偿给LAA的时隙，计算LAA“开启”时间段内以功率复用方式传输时所需功率，同时开启匹配算法，选择叠加用户，并将计算结果反馈给LAA BS和WiFi AC；还用于LAA进入周期“关闭”阶段后，暂时释放对WiFi AC的控制，恢复被转移的用户至原WiFi AP下；
所述LAA BS用于向中心控制器发送SR信令，同时发送LAA用户负载量信息、要求共享的WiFi信道给中心控制器；还用于根据中心控制器所反馈的计算结果以及分配到的功率进行数据传输，待数据传输结束后发送数据传输完结信息给中心控制器；
所述WiFi AC用于将来自不同WiFi AP的数据汇总并接入到网络中，同时完成AP设备的配置管理和无线用户认证、管理和控制；还用于将所接收到的控制权移交至中心控制器；
所述WiFi AP在WiFi AC的管理下，用于接收相应WiFi AC的指令，上报AC需要转移用户的位置、负载量和优先级，同时释放该部分用户的控制权给AC；还用于被转移的用户恢复至原WiFi AP下后，相应的WiFi AP采用原有分布式接入方式竞争信道。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的基于功率的LAA与WiFi共存方法及共存系统，具有如下有益效果：
针对办公区、商业区等WiFi设备密集部署场景，将部分WiFi数据卸载到LAA基站上传输，可以缓解WiFi AP的压力，降低WiFi网络竞争者的数量，从而降低碰撞概率提升WiFi成功传输的概率；另外，LAA的集中调度使得被卸载的WiFi用户可以更高效地利用频谱资源；
LAA网络协助部分WiFi数据传输的同时可以获得时隙补偿，使得LAA有更多的数据传输时间，从而提升LAA的系统吞吐量和传输机会；
信道使用更加充分，利用功率域特点复用信道，提升整体系统的频谱效率；
设备协作，采用集中式与分布式结合的方式，异系统间通过中心控制器集中分配信道的占用时间以及传输功率。LAA系统“关闭”时间段内WiFi依然根据分布式协议竞争信道；
根据WiFi AP位置、信道状态，优先利用空闲的信道以避免干扰，对于没有空闲信道的情况采用共享信道的方式共存；
对于同一时刻同一信道上的不同用户，尽可能加大功率的差异可以更好程度地解调区分用户，接收端先解调信号功率强的用户，重构信号后将已经解调出的信号从总信号中去掉即功率弱的用户信号，当同一时间同一信道上传输用户个数为2个时，可以以较小的复杂度增加提升很高的网络性能；
卸载的WiFi用户与LAA用户在同一信道上传输，只通过不同功率区分。确保了共存的公平性，避免了由于信道原因而出现的传输不公平；
在完成信道接入之后，LAA及WiFi系统都按照现有协进行议通信，无需更改；在信道接入过程中，只需要增加异系统中心控制器辅助异系统的接入，整个通信过程的实施难度在可接受范围内。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中CSAT与LBT相结合的原理示意图；
图2为本发明实施例LAA与WiFi的共存方法流程示意图；
图3为本发明实施例判断信道是否空闲的流程示意图；
图4为本发明实施例引入功率域的原理示意图；
图5为本发明实施例加入了WiFi卸载用户后的用户选择示意图；
图6为本发明实施例的用户接收数据过程示意图；
图7为本发明实施例LAA与WiFi共存系统的结构示意图；
图8为本发明实施例终端用户的接收发送模块结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明针对现有技术中的LAA技术，对LTE系统在非授权频段与WiFi系统的融合问题，提出了一种基于功率的非授权频段LTE与WiFi共存方法及共存系统。以下将非授权频段的LTE系统简称为LAA系统。
采用LAA技术的异构网络共存，需要考虑信道选择、信道接入、频谱效率等问题。
对于信道选择问题，5GHz非授权频段在不同国家和地区的使用情况各不相同。与2.4GHz频段相比，5GHz频段相对空闲，但是其传播路径损耗更高，并且在非授权频段有功率的限制，因此通信距离较短。因此在部分业务密集区域，可以使用2.4GHz频段解决覆盖需求，使用5.8GHz频段解决容量需求。802.11协议中将5GHz的无许可证国家信息基础设施(Unlicensed National Information Infrastructure，UNII)频段，分成低、中、高三个子频段，每个子频段包含4个互不重叠的信道。各国对于允许的传输功率以及UNII子频段是否可用有着各自的法规，在中国，5.15-5.35GHz频段只对室内应用开放，而5.725-5.85GHz频段对室内和室外均开放。对于5.8GHz频段，被划分为5个信道，每个信道占据20MHz带宽，信道中心频率为：5000+5*nch(MHz)，其中nch＝149，153，157，161，165(nch为信道号)。但WiFi每个AP在选择信道时具有一定的随机性，因此LAA与WiFi共存不可避免会出现信道复用问题。若同一信道上基于竞争的用户(WiFi及ZigBee等)过多，导致竞争周期过长，信道频谱效率过低。
对于信道接入问题，现有技术中常采用的载波侦听自适应传输(Carrier SensingAdaptive Transmission,CSAT)与碰撞退避的LBT(Listen Before Talk)技术，有以下特点：LAA以CSAT的方式周期性“开启”“闭合”：“开启”时间段内LAA发送数据，“闭合”时间段内留给WiFi传输数据；LAA“闭合”周期来临，WiFi以带有冲突避免的载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)竞争方式传输数据；当LAA“开启”周期来临，但侦听到信道还没传输完WiFi信号时，不可立即开启LAA系统，会严重干扰到正在传输的WiFi信号数据，应以LBT的方式先侦听信道，进行空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA)检测以避免碰撞，直到WiFi发送完该部分数据，信道空闲后再抢占信道“开启”LAA周期传输数据；如果设备通过载波侦听(侦听时长至少20μs)感知信道空闲，则立即占据信道，开启LAA传输周期进行蜂窝数据传输；通过载波侦听非授权频段信道的利用情况自适应调节LAA与WiFi的开关周期占空比，以适应不同系统的负载状况；更容易与现有的LTE标准兼容，而LBT方式由于使用与WiFi近似的MAC协议，更容易保证与WiFi共存时的公平性。但是，LTE与WiFi属于两个不同的通信协议，通信方式不同，在没有采取共存机制的情况下很难相互协作。
而频谱效率问题是衡量一个网络系统的重要标准，与连接数据密度、用户体验速率、流量密度、峰值速率等密切相关。
基于此，本发明提出了一种基于功率的LAA与WiFi共存方法及共存系统，提高系统容量且保证LAA与WiFi的公平共存，所述方法针对LAA“开启”时间段，在同一时间同一信道上通过不同的功率传输不同用户的信息，根据信道质量的判定，分配不同的功率给不同的用户，接收时通过不同的功率区分不同的用户；并通过中心控制器卸载部分WiFi用户数据(假设WiFi用户可以同时连接WiFi网络和蜂窝网络)到LAA网络，同时补偿LAA网络更多的时隙；在CSAT“开启”时间段内，卸载的WiFi数据与LAA数据占用相同信道，以不同功率区分不同用户从而共存。在一个CSAT周期内WiFi系统与LAA系统以时分的方式共存。
下面通过具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。
第一实施例
本实施例提供了一种基于功率的LAA与WiFi共存方法。本实施例的所述LAA与WiFi共存方法，是基于第二实施例的LAA与WiFi共存系统得以实现的。图2所示为本实施例所述LAA与WiFi的共存方法流程示意图，其中，方法实现的系统组成部分为：中心控制器，通过CPU实现，所述CPU上同时运行相应的处理软件，以实现其相应的中心控制功能；LAA基站(Base Station,BS)；WiFi无线控制器(Access Point Controller,AC)；WiFi无线接入点(Access Point,AP)即终端用户。
如图2所示，所述LAA与WiFi的共存方法包括如下步骤：
步骤S1，LAA BS进行信道扫描，判断信道是否空闲，若有空闲信道，则LAA直接占用信道传输数据；若没有空闲信道，则进入步骤S2，通过CSAT的方式和WiFi共享信道。
步骤S1中，所述判断信道是否空闲通过LAA基站(Base Station,BS)来完成。图3所示为本实施例所述判断信道是否空闲的流程示意图。如图3所示，所述判断信道是否空闲包括如下步骤：
步骤S001，LAA BS测量某一信道的接收信号强度指示RSSI，信干噪比SINR，保存并标记该信道；
步骤S002，LAA BS广播发送一个包含自身MAC地址的广播探测请求帧(ProbeRequest Frame)；
步骤S003，LAA BS启动探测计时器；
步骤S004，LAA BS在最大信道等待时间(Max Channel Time)内等待探测响应帧，同时记录探测时间内接收到的所有响应；
步骤S005，LAA BS探测定时器判断是否超时；若已超时，进入步骤S006；若未超时，转入步骤S004；
步骤S006，判断是否扫描完所有信道；若没有扫描完所有信道，则进入步骤S007；若已扫描完所有信道，则结束；
步骤S007，记录保存该信道并切换到下一信道，返回步骤S001。
如图2所示，当信道处于空闲状态时，直接启用LBT侦听并占据所述空闲信道开始数据传输，同时设置网络分配矢量(Network Allocation Vector,NAV)标识，即以广播的方式通知周围用户该信道有数据正在传输。传输的最长时间不可超过TXOP传输机会(Transmission Opportunity)限制，若有数据需要继续传输，则重新检测信道。当信道处于非空闲状态时，则向中心控制器发送上行调度请求(Scheduling Request,SR)信令、信道扫描结果以及传输数据包大小，进入LAA与WiFi共存过程。
步骤S2，LAA向中心控制器发送接入请求SR信令，同时发送LAA用户负载量信息、要求共享的WiFi信道。
本步骤中，所述LAA用户负载量信息包含在传输数据包大小信息中，所述要求共享的WiFi信道信息包含在所述信道扫描结果中。
步骤S3，WiFi AC完成本小区的AP用户APs认证，所述APs通过竞争信道的方式传输数据，并向WiFi AC上报所述APs负载量和个数信息。
步骤S4，中心控制器接收LAA BS的SR信令，查询LAA BS接收指示，获取LAA用户位置信息及负载信息；根据所述接收指示，通过WiFi AC获取与所述接收指示相对应的APs位置及负载信息。
进一步地，所述Aps位置及负载信息，通过与所述中心控制器相连的WiFi AC获得。在非共存阶段，扫描、竞争信道及传输数据，如步骤S3所述。使用原有DCF机制传输数据，并且将每一次信道侦听情况以及预计发送的数据包信息都上报给AC进行汇总。AC作为集中式接入控制设备，收集其管理下的APs的位置信息、MCS信息、预计传输负载量以及通信时长等；当所述中心控制器接收到所述LAA的SR请求信令后，向与中心控制器相连的WiFi AC调用相应的WiFi用户的负载量信息。
步骤S5，中心控制器汇总LAA用户和APs的负载量信息，计算LAA与WiFi共存时需要从WiFi处卸载的数据量以及补偿给LAA的时隙并将计算结果作为资源分配(ResourceAllocation，RA)信息反馈给LAA BS和WiFi AC。
进一步地，所述计算结果包括：数据分配卸载信息，LAA系统开启、关闭时隙信息。
优选地，所述反馈，通过S1接口进行。
步骤S6，WiFi AC接收到中心控制器的RA信息，根据所述RA信息计算并发送用户转移指令到相应的WiFi AP；相应的WiFi AP通过宽带接入网和服务器向所述中心控制器上报AC需要转移用户的位置、负载量和优先级，同时释放该部分用户的控制权给AC。
步骤S7，LAA BS向所述中心控制器上报LAA用户位置信息、MCS信息及优先级信息；WiFi AC将所接收到的WiFi AP控制权移交至中心控制器；
步骤S8，所述中心控制器根据所接收到LAA用户位置信息、MCS信息及优先级信息，将所接收到的WiFi AP控制权进行重新分配并转移给LAA BS，实现负载均衡。
步骤S9，中心控制器根据所述补偿给LAA的时隙，计算LAA“开启”时间段内所需功率，并向LAA BS发送功率分配信息。
优选地，本步骤中，计算LAA“开启”时间段内的所需功率，为采用功率复用方式进行传输时的所述功率。
所述以功率复用方式传输，进一步为，引入功率域复用LAA“开启”时间段的信道，提升系统吞吐量。图4所示为引入功率域的原理示意图。为了重点突出LAA“开启”时间段内功率复用含义的表达，图4省略了基于LBT的竞争过程以使示意图更简洁。如图4所示，由于LAA频谱效率高，调度灵活性好，且抗干扰能力强于WiFi网络，因此在LAA“开启”阶段，卸载部分WiFi用户由LAA基站控制并发送/接收数据，同时适当延长“开启”时间以补偿LAA对WiFi网络负担的减轻做出的贡献。如图4所示，通过中心控制器将WiFi数据卸载到LAA网络上传输，占用一部分LAA的数据流量；同时，将WiFi中的一部分时间补偿给LAA；在LAA“开启”时间段内，LAA数据与WiFi数据通过功率域复用方式传输。
LAA“开启”时间内，接收端收到的是多用户信号的叠加，共享相同资源块的用户之间通过功率的大小来区分，因此选择合适的叠加用户以及用户之间的功率分配至关重要，将直接影响到传输的性能和接收端用户分离的难易程度。叠加用户应该具有较大的信道差异，以便于接收端充分利用功率差异进行干扰消除。
进一步地，本步骤还可以包括：同时开启匹配算法，寻找叠加用户的“最佳匹配对”。所述开启匹配算法，寻找叠加用户的“最佳匹配对”，即在加入了卸载后的WiFi用户后，LAA进行用户选择的过程，这里的用户选择即为叠加用户选择。通过信道调制编码机制(Modulation and Coding Scheme,MCS)、接收信号强度指示(Received Signal StrengthIndicator,RSSI)和信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)判断当前信道的质量，对于信道条件较好的用户按预定规则减少功率因子分配比例，以减小发送功率，即根据信道增益|hk|对用户排序。例如：|hK|2>|hK-1|2>…>|h1|2，即对信道按照信道增益|hk|进行降序排列，每个用户分配一个功率叠加因子αk，则对于k用户的发送功率Pk＝αkPk+1。再通过各用户功率迭代相加以及总功率限制来确定各用户的功率比例。其中，被卸载的WiFi用户数据通过LAA基站传输，与其他LAA用户一起通过LAA基站调度传输。
图5所示为加入了WiFi卸载用户后的用户选择示意图。由于不同的用户和功率因子分配将产生不同的用户间干扰，较为理想的叠加用户选择是将有较大信道条件差异的用户放在同一信道时间段内叠加，便于通过功率域的复用提升系统容量。如图5所示，STA 1和STA 2为卸载到LAA网络上的用户，与LAA基站间距离为d11,d12,…,LAA原有小区用户与基站之间距离为d01,d02,…。通过测量得到信道条件|hN|2>|hN-1|2>…>|h1|2，N为包括卸载后的WiFi用户在内的总用户个数。当N为偶数时，用户1与用户匹配，用户2与用户匹配，用户与用户N匹配；当N为奇数时，用户1与用户匹配，用户与用户N匹配，用户使用原有正交多址的方式。
步骤S10，LAA BS根据所述功率分配信息以及LAA时隙信息进行数据传输；同时，WiFi AP执行退避等待信道空闲。
进一步地，本步骤中所述数据传输包括数据发送和数据接收两个方面。其中：
进行数据发送时，根据原有LTE通信方式按照分配好的功率和信道进行数据传输。由于新卸载过来的WiFi用户控制权已经完全转移到LTE基站，且可以接收发送蜂窝网数据，因此这些WiFi用户可被加入到LAA网络中作为新的蜂窝用户对待。
在数据发送过程中，输入模块首先通过广播信道获取信道状况并发送给处理模块；LAA“开启”周期到来前，处理模块根据获取到的信道状况以及与接收机间的距离计算发送功率，计算结果及发送接收机信息通过存储模块存储；其中，根据接收到的信号强度指示RSSI以及调制编码策略MCS等识别信道状况，发送端由于功率控制机制，信道条件好的信号发送功率较低，信道条件差的用户发送功率较高(非授权频段功率要求范围内)。所述存储模块与所述处理模块连接，处理模块可调用所述存储模块中的数据。LAA“开启”后，待信号同步，数据通过输出模块发送。
进行数据接收时，接收到的信号通过处理模块解调，信号的解调结果及重要参数保留在存储模块中。进行数据接收时，WiFi用户同时连接WiFi和LAA网络。
图6所示为本实施例用户接收数据过程示意图。如图6所示，以接收到的信号为X1+X2+…+Xn的复合信号为例，所述数据接收过程如下：
同一信道上有多个用户信号，分别用X1，X2，…,Xn表示，则对于接收端收到的是n个信号的叠加，即复合信号。由于复用同一信道的用户使用不同的发送功率，因此，要将不同信号剥离解调出来。任何信道信噪比差的用户可以正确接收的信号同样可以被信道信噪比好的用户正确接收。首先需要对所有接收到的信号进行排序，已知信道条件|h1|2<|h2|2<…<|hn|2，第一步解调出最强用户信号(即功率最大的用户信号X1)，通过译码或者硬判决的方式判断并解出所述用户信号X1，在正确解码后采用和发送端相同的编码和调制对X1进行重构，然后从接收的复合信号中减去信号X1，再进行下一个用户信号X2的解码，重复该步骤直到所有的用户信号都被成功解码。多用户信号处理的顺序一般是先解调出功率强的用户，再将该信号去除，直到所有的用户分离，即可获得期望的用户信号。获取信号后解调信息头部Preamble前导码识别信息地址，如地址对应则可解调出相应信息。
步骤S11，数据传输结束后，LAA BS发送该周期数据传输完毕的信息给中心控制器；关闭LAA BS，释放信道，等待下一数据周期。
步骤S12，中心控制器接收到所述该周期数据传输完毕的信息后，释放对AC的控制权；WiFi AC释放原WiFi用户的控制权及信道；APs恢复竞争信道的方式进行数据传输。
由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的基于功率的LAA与WiFi共存方法，具有如下有益效果：
针对办公区、商业区等WiFi设备密集部署场景，将部分WiFi数据卸载到LAA基站上传输，可以缓解WiFi AP的压力，降低WiFi网络竞争者的数量，从而降低碰撞概率提升WiFi成功传输的概率；另外，LAA的集中调度使得被卸载的WiFi用户可以更高效地利用频谱资源；
LAA网络协助部分WiFi数据传输的同时可以获得时隙补偿，使得LAA有更多的数据传输时间，从而提升LAA的系统吞吐量和传输机会；
信道使用更加充分，利用功率域特点复用信道，提升整体系统的频谱效率；
设备协作，采用集中式与分布式结合的方式，异系统间通过中心控制器集中分配信道的占用时间以及传输功率。LAA系统“关闭”时间段内WiFi依然根据分布式协议竞争信道；
根据WiFi AP位置、信道状态，优先利用空闲的信道以避免干扰，对于没有空闲信道的情况采用共享信道的方式共存；
对于同一时刻同一信道上的不同用户，尽可能加大功率的差异可以更好程度地解调区分用户，接收端先解调信号功率强的用户，重构信号后将已经解调出的信号从总信号中去掉，即功率弱的用户信号，当同一时间同一信道上传输用户个数为2个时，可以以较小的复杂度增加提升很高的网络性能；
卸载的WiFi用户与LAA用户在同一信道上传输，只通过不同功率区分。确保了共存的公平性，避免了由于信道原因而出现的传输不公平；
在完成信道接入之后，LAA及WiFi系统都按照现有协进行议通信，无需更改；在信道接入过程中，只需要增加异系统中心控制器辅助异系统的接入，整个通信过程的实施难度在可接受范围内。
第二实施例
本实施例提供了一种基于功率的LAA与WiFi共存系统，图7所示为所述LAA与WiFi共存系统的结构示意图。如图7所示，所述系统包括：至少一个中心控制器，至少两个LAA小区基站(LAA BS)，至少一个WiFi无线控制器(Access Point Controller,AC)，若干WiFi无线接入点(Access Point,AP)。其中，
所述中心控制器同时与所述LAA BS和WiFi AC相连，与所述LAA BS和WiFi AC进行通信。由于LAA采用的是具有中心调度机制的MAC层协议，无需碰撞监测且具有连续型传输机制。而WiFi采用的是基于CSMA/CA的分布式协调功能(Distributed CoordinationFunction,DCF)协议，该竞争式协议具有机会性的传输机制，需要传输之前先检测信道是否空闲。因此，两系统在同一信道上传输时，若不加以限制，WiFi只能在LAA没有数据传输时占据信道。LAA有数据发送时，会直接“打断”没有传输完毕的WiFi数据，造成WiFi系统极大的性能损失。因此需要有一个中心控制器来制约两系统，控制其相互影响和干扰。优选的，所述中心控制器通过CPU实现，所述CPU上同时运行相应的处理软件，以实现其相应的中心控制功能。
所述中心控制器用于接受LAA的接入请求SR信令，查询LAA BS接收指示，获取LAA用户位置信息及负载信息；根据所述接收指示，通过WiFi AC获取与所述接收指示相对应的APs位置及负载信息；还用于汇总LAA用户和WiFi用户的负载量信息，计算LAA与WiFi共存时需要从WiFi处卸载的数据量以及补偿给LAA的时隙并将计算结果作为资源分配(ResourceAllocation，RA)信息反馈给LAA BS和WiFi AC；还用于分配并转移WiFi用户的控制权给LAABS，实现负载均衡；还用于从LAA BS处收集到LAA网络中的用户信息及接管从WiFi网络中转移的用户信息后，根据所述补偿给LAA的时隙，计算LAA“开启”时间段内以功率复用方式传输时所需功率，同时开启匹配算法，寻找叠加用户的“最佳匹配对”，并将计算结果反馈给LAA BS和WiFi AC；还用于LAA进入周期“关闭”阶段后，暂时释放对WiFi AC的控制，恢复被转移的用户至原WiFi AC下。
所述LAA BS用于向中心控制器发送SR信令，同时发送LAA用户负载量信息、要求共享的WiFi信道给中心控制器；还用于根据中心控制器所反馈的计算结果以及分配到的功率进行数据传输，待数据传输结束后发送数据传输完结信息给中心控制器。
LAA基站覆盖范围内存在多个蜂窝用户，有的用户只工作在LTE原有的授权频段，另一部分蜂窝用户通过载波聚合机制可以同时工作在授权频段和非授权频段。每个WiFiAP在其覆盖范围内都有多个用户，这些用户连接WiFi网络时依然遵循IEEE 802.11标准采用竞争式DCF方式工作，既可以连接在WiFi网络中通信，也可以连接蜂窝网，接受LAA基站的数据传送。
所述WiFi AC用于将来自不同WiFi AP的数据汇总并接入到网络中，同时完成AP设备的配置管理和无线用户认证、管理和控制；还用于将所接收到的控制权移交至中心控制器。AC作为集中式接入控制设备，收集其管理下的APs的位置信息、MCS信息、预计传输负载量以及通信时长等；当所述中心控制器接收到所述LAA的SR请求信令后，向与中心控制器相连的WiFi AC调用相应的WiFi用户的负载量信息。
所述WiFi AP在WiFi AC的管理下，可以在同一个WiFi AC的管理下，也可以在不同的WiFi AC的管理下，用于接收相应WiFi AC的指令，上报AC需要转移用户的位置、负载量和优先级，同时释放该部分用户的控制权给AC；还用于被转移的用户恢复至原WiFi AP下后，相应的WiFi AP采用原有分布式接入方式竞争信道。
进一步地，所述中心控制器，借助软件定义网络(Software Defined Network,SDN)周期性控制在CSAT机制下LAA的“开启”及“闭合”时间分配，同时协助完成将部分WiFi用户转移到LAA网络的工作，借由蜂窝基站高效调度管理该部分用户并传输这部分WiFi数据，周期“闭合”之后再将控制权归还到WiFi网络。
图8所示为本实施例终端用户的接收发送模块结构示意图。如图8所示，所述接收发送模块包括：存储模块、处理模块、输出模块和输入模块。其中，所述存储模块与所述处理模块相连，所述处理模块同时与所述输出模块和输入模块相连。在数据发送过程中，输入模块首先通过广播信道获取信道状况等，LAA“开启”周期到来前，处理模块根据获取到的信道状况以及与接收机间的距离计算发送功率等参数，计算结果及发送接收机信息通过存储模块存储并与处理模块连接以方便调用，“开启”周期来临后，待信号同步，数据通过输出模块发送；对于数据接收过程，接收到的信号通过处理模块解调，信号的解调结果及重要参数保留在存储模块中。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于功率的LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，LAA基站BS进行信道扫描，判断信道是否空闲，若有空闲信道，则LAA直接占用信道传输数据；若没有空闲信道，则进入步骤S2；
步骤S2，LAA向中心控制器发送接入请求SR信令，同时发送LAA用户负载量信息、要求共享的WiFi信道给中心控制器；
步骤S3，WiFi无线接入点AC完成本小区的接入点用户APs认证，所述APs通过竞争信道的方式传输数据，并向WiFi AC上报所述APs负载量和个数信息；
步骤S4，中心控制器接收LAA BS的SR信令，查询LAA BS接收指示，获取LAA用户位置信息及负载信息；根据所述接收指示，通过WiFi AC获取与所述接收指示相对应的APs位置及负载信息；
步骤S5，中心控制器汇总LAA用户和APs的负载量信息，计算LAA与WiFi共存时需要从WiFi处卸载的数据量以及补偿给LAA的时隙并将计算结果作为资源分配RA信息反馈给LAABS和WiFi AC；
步骤S6，WiFi AC接收到中心控制器的RA信息，根据所述RA信息计算并发送用户转移指令到相应的WiFi AP；相应的WiFi AP通过宽带接入网和服务器向所述中心控制器上报AC需要转移用户的位置、负载量和优先级，同时释放该部分用户的控制权给AC；
步骤S7，LAA BS向所述中心控制器上报LAA用户位置信息、MCS信息及优先级信息；WiFiAC将所接收到的WiFi AP控制权移交至中心控制器；
步骤S8，所述中心控制器根据所接收到LAA用户位置信息、MCS信息及优先级信息，将所接收到的WiFi AP控制权进行重新分配并转移给LAA BS，实现负载均衡；
步骤S9，中心控制器根据所述补偿给LAA的时隙，计算LAA“开启”时间段内所需功率，并向LAA BS发送功率分配信息；
步骤S10，LAA BS根据所述功率分配信息以及LAA时隙信息进行数据传输；同时，WiFiAP执行退避等待信道空闲；
步骤S11，数据传输结束后，LAA BS发送该周期数据传输完毕的信息给中心控制器；关闭LAA BS，释放信道，等待下一数据周期；
步骤S12，中心控制器接收到所述该周期数据传输完毕的信息后，释放对AC的控制权；WiFi AC释放原WiFi用户的控制权及信道；APs恢复竞争信道的方式进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述步骤S1中判断信道是否空闲，包括如下步骤：
步骤S001，LAA BS测量某一信道的接收信号强度指示RSSI，信干噪比SINR，保存并标记该信道；
步骤S002，LAA BS广播发送一个包含自身MAC地址的广播探测请求帧PRF；
步骤S003，LAA BS启动探测计时器；
步骤S004，LAA BS在最大信道等待时间MCT内等待探测响应帧，同时记录探测时间内接收到的所有响应；
步骤S005，LAA BS探测定时器判断是否超时；若已超时，进入步骤S006；若未超时，转入步骤S004；
步骤S006，判断是否扫描完所有信道；若没有扫描完所有信道，则进入步骤S007；若已扫描完所有信道，则结束；
步骤S007，记录保存该信道并切换到下一信道，返回步骤S001。
3.根据权利要求1或2所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，当信道处于空闲状态时，所述LAA直接占用信道传输数据，进一步为，启用LBT侦听并占据所述空闲信道开始数据传输，同时设置网络分配矢量NAV标识，以广播的方式通知周围用户该信道有数据正在传输，传输的最长时间不超过TXOP传输机会限制。
4.根据权利要求1所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述步骤S5中所述计算结果包括：数据分配卸载信息，LAA系统开启、关闭时隙信息。
5.根据权利要求1所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述步骤S9中计算LAA“开启”时间段内的所需功率，进一步为，引入功率域复用LAA“开启”时间段的信道，采用功率复用方式进行传输时的所需功率。
6.根据权利要求5所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述功率复用方式，进一步为，通过信道调制编码机制MCS、接收信号强度指示RSSI和信干噪比SINR判断当前信道的质量，对于信道条件较好的用户按预定规则减少功率因子分配比例。
7.根据权利要求6所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述功率复用方式，还包括：开启匹配算法，进行叠加用户选择。
8.根据权利要求7所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述叠加用户选择过程为：
设定STA 1和STA 2为卸载到LAA网络上的用户，与LAA基站间距离为d11,d12,…,LAA原有小区用户与基站之间距离为d01,d02,…；通过测量得到信道条件|hN|2>|hN-1|2>…>|h1|2，N为包括卸载后的WiFi用户在内的总用户个数；
当N为偶数时，用户1与用户匹配，用户2与用户匹配，用户与用户N匹配；当N为奇数时，用户1与用户匹配，用户与用户N匹配，用户使用原有正交多址的方式。
9.根据权利要求1所述的LAA与WiFi共存方法，其特征在于，所述步骤10中数据传输，进一步包括：
数据发送，根据原有LTE通信方式按照分配好的功率和信道进行数据传输；
数据接收，先解调出功率较大用户信号，正确解码后采用和发送端相同的编码和调制对该信号重构，然后从总的叠加信号中减去该信号，再进行下一个用户信号的解码，从而得到对应的用户信号；多用户信号处理时，先解调出功率强的用户，再将该信号去除，直到所有的干扰用户分离，获得期望的用户信号。
10.一种基于功率的LTE非授权频段网络LAA与WiFi共存系统，其特征在于，所述系统包括：至少一个中心控制器，至少两个LAA小区基站LAA BS，至少一个WiFi无线控制器AC，若干WiFi无线接入点AP；其中，
所述中心控制器同时与所述LAA BS和WiFi AC相连，与所述LAA BS和WiFi AC进行通信；用于接受LAA的上行调度请求SR信令，汇总LAA用户和WiFi用户的负载量信息，计算LAA与WiFi共存时需要从WiFi处卸载的数据量以及补偿给LAA的时隙并将计算结果作为资源分配RA信息反馈给LAA BS和WiFi AC；还用于分配并转移WiFi用户的控制权给LAA BS，实现负载均衡；还用于从LAA BS处收集到LAA网络中的用户信息及接管从WiFi网络中转移的用户信息后，根据所述补偿给LAA的时隙，计算LAA“开启”时间段内以功率复用方式传输时所需功率，同时开启匹配算法，选择叠加用户，并将计算结果反馈给LAA BS和WiFi AC；还用于LAA进入周期“关闭”阶段后，暂时释放对WiFi AC的控制，恢复被转移的用户至原WiFi AP下；
所述LAA BS用于向中心控制器发送SR信令，同时发送LAA用户负载量信息、要求共享的WiFi信道给中心控制器；还用于根据中心控制器所反馈的计算结果以及分配到的功率进行数据传输，待数据传输结束后发送数据传输完结信息给中心控制器；
所述WiFi AC用于将来自不同WiFi AP的数据汇总并接入到网络中，同时完成AP设备的配置管理和无线用户认证、管理和控制；还用于将所接收到的控制权移交至中心控制器；
所述WiFi AP在WiFi AC的管理下，用于接收相应WiFi AC的指令，上报AC需要转移用户的位置、负载量和优先级，同时释放该部分用户的控制权给AC；还用于被转移的用户恢复至原WiFi AP下后，相应的WiFi AP采用原有分布式接入方式竞争信道。
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