CN110198542B - 一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络的e-LBT信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备冲突避免的非授权频段LTE‑U与WiFi共存网络的e‑LBT信道接入方法，包括如下步骤：(1)增强型LTE‑U节点结构设计；(2)交互信息内容及消息格式设计；(3)增强型先听后说(e‑LBT)机制。本发明有效解决了LTE‑U与WiFi非授权频段共存网络中的信道接入问题，避免了用户数据传输阶段的冲突，有效地提升了LTE及WiFi系统吞吐量和频谱利用率。

Description

一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络的e-LBT信道接入方法

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络e-LBT信道接入方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网的快速发展和诸如智能手机、平板电脑、可穿戴通信设备等智能终端的迅速普及，蜂窝网的无线数据传输需求呈指数级增长。而传统蜂窝网所使用的授权频段已无法满足用户迅速增长的需求。为解决频谱资源短缺问题，标准化组织开始研究在蜂窝网使用如2.4GHz、5GHz等非授权频段的可行性。这些非授权频段已经被广泛应用于诸如WiFi、ZigBee等其他无线系统中。3GPP(the 3^rd Generation PartnershipProject)标准化组织最近启动一项关于在非授权频段使用LTE标准(LTE-U)的辅助授权接入(LAA licensed-assisted access)研究项目(Study Item，SI)。

3GPP在LAA中引入了先听后说(Listen Before Talk，LBT)机制来协调在同一信道上的LTE和WiFi传输。LBT机制的核心在于让LTE-U节点在传输之前检测信道状况。如果信道空闲，节点会在事先确定的时间间隔之后传输数据，否则就需要保持静默，并在接下来的子帧中周期性地检测信道直至信道空闲。然而，由于节点检测的范围有限，在LBT机制下不可避免地就会存在隐藏节点问题。在IEEE 802.11标准中，如果一个节点在另一个节点的检测范围之外，则其被称为“隐藏节点”。当超过两个隐藏节点同时传输数据时，所传输的数据包便会发生碰撞，通常被称为“冲突”，进而接收端便不能成功解调。如何解决LTE-U与WiFi共存网络中的隐藏节点问题并避免冲突成为了具有挑战的技术问题。这一问题正受到越来越多的研究机构的关注，尽管目前已经取得了一些初步的研究成果，但是仍有许多问题有待进一步研究和解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络及其e-LBT信道接入方法，用以解决授权频段LTE-U与WiFi共存网络下的信道接入问题。

本发明公开了一种增强型LTE-U节点结构，用于非授权频段LTE-U与WiFi共存网络中，包括WiFi模块和LTE功能块。所述LTE功能块中包括e-RRC功能块，该e-RRC功能块为由原LTE功能块中的RRC功能块进行重新定义且能与所述WiFi模块进行信息交互的功能块。

进一步的，所述WiFi模块包括PHY_WiFi功能块和e-MAC_WiFi功能块，所述e-MAC_WiFi功能块与e-RRC功能块进行信息交互。

进一步的，所述e-RRC功能块与WiFi模块之间使用RTS/CTS握手机制进行信息交互。

进一步的，所述e-MAC_WiFi功能块与e-RRC功能块之间交互的信息格式从头至尾依次为：“包头”、“时长”、“源地址”、“目的地址”和“信道信息”；

所述“包头”，包括三个子域：“To/From”、“Type”和“保留”。“To/From”子域用于指示消息传递的方向，“Type”子域用于指示消息的类型，“保留”子域保留用于其他功能；

所述“时长”，用于指示数据传输的时长；当“To/From”＝0且“Type”＝01时，其用于指示当前数据传输的时长；当“To/From”＝1且“Type”＝10时，其用于指示其他数据传输的时长；

所述“信道信息”，用于指示相关信道信息；当“To/From”＝0且“Type”＝00时，其用于确定LTE-U节点用于数据传输需要检测的信道；当“To/From”＝0且“Type”＝01时，其用于指示分配给LTE模块用于数据传输的信道；当“To/From”＝1且“Type”＝00时，其用于报告WiFi模块检测到的信道状态信息；当“To/From”＝1且“Type”＝01时，其用于报告握手结果或所分配信道的可用性。

本发明还公开了一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络，包括由根据权利要求4所述的增强型LTE-U节点结构构成的LTE-U系统和WiFi系统，所述LTE-U系统包括一个eNodeB和若干均匀分布在eNodeB的覆盖范围内的用户终端，所述WiFi系统包括一个WiFi接入点和若干均匀分布在AP的覆盖范围内的站点；

所述LTE-U系统中的WiFi模块与WiFi系统进行信息交互；

所述LTE-U系统采用e-LBT机制用于信道接入，所述e-LBT机制为在LBT机制的基础上添加RTS/CTS握手过程。

进一步的，在所述e-LBT机制下，当源LTE-U节点有数据待传，其LTE模块首先向WiFi模块发送用于信道检测的指示；当WiFi模块接收到这一指示时，检测指示中给出的特定信道，并向LTE模块报告信道状态；当LTE模块接收到信道状态信息，它对其数据传输执行信道分配，并向WiFi模块发送用于信道确认的指示；当WiFi模块接收到这一指示，它产生RTS消息，并向在源节点范围内的相邻节点广播包含这些信息的RTS消息；若目的LTE-U节点成功接收到这一RTS消息，该目的LTE-U节点在一个短帧间间隔后，向源节点返回CTS消息；

若源节点的WiFi模块接收到来自目的节点的CTS消息，该源节点的WiFi模块向LTE模块发送握手成功消息，当LTE模块接收到握手成功消息后，该LTE模块在一个短帧间间隔后，开始传输数据；

若源节点的WiFi模块在预先确定的时间内没有接收到来自目的节点的CTS消息，它就会向LTE模块报告握手失败消息，源节点等待一个退避时间，重新开始RTS/CTS交互过程。

进一步的，当LTE-U节点的WiFi模块接收到来自其他LTE-U节点或WiFi节点用于其他数据传输的RTS或CTS消息，该LTE-U节点的WiFi模块向LTE模块报告关于这一数据传输的相关信息；在握手过程中，所有接收到RTS或CTS消息的相邻节点都会根据RTS和CTS消息中“时长”域的信息，更新其网络分配矢量。

本发明还公开了一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络的e-LBT信道接入方法，包括以下步骤：

步骤一：在LTE-U节点内添加或重定义WiFi模块，所述WiFi模块包括PHY_WiFi功能块和e-MAC_WiFi功能块；

步骤二：将LTE-U节点内的LTE功能块中的RRC功能块重定义使其与WiFi模块进行信息交互，得到e-RRC功能块；

步骤三：定义交互的信息格式；

步骤四：基于步骤一至三，得到LTE-U系统，设计所述LTE-U系统的信道接入机制，所述信道接入机制为在LBT机制的基础上添加RTS/CTS握手过程。

所述e-RRC功能块与e-MAC_WiFi功能块之间进行信息交互。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明有效解决了LTE-U与WiFi非授权频段共存网络中的信道接入问题，避免了用户数据传输阶段的冲突，有效地提升了LTE及WiFi系统吞吐量和频谱利用率。

附图说明

图1为本发明的LTE-U和WiFi共存网络模型示意图。

图2为本发明的增强型LTE-U节点结构功能块示意图。

图3为本发明的LTE模块与WiFi模块间交互的消息格式示意图。

图4为本发明的e-LBT机制数据传输的主要信令流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

本发明的一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络e-LBT方法，主要由三个部分组成：(1)增强型LTE-U节点结构设计；(2)LTE模块与WiFi模块交互相关信息；(3)增强型先听后说(e-LBT)机制。

如图1所示，本发明考虑由一个LTE-U系统和一个WiFi系统组成的LTE-U与WiFi共存网络。LTE-U系统由一个eNodeB和一些用户终端(User Equipment，UE)组成，用户终端UE均匀分布在eNodeB的覆盖范围内。WiFi网络由一个WiFi接入点(Access Point，AP)和一些站点(STA)组成，STA均匀分布在AP的覆盖范围内。LTE-U和WiFi系统利用相同的非授权频段用于下行传输。LTE-U系统采用LBT机制用于信道接入，WiFi系统采用CSMA/CA机制用于信道接入。由于两个系统采用相互独立的信道接入机制，LTE-U节点和WiFi节点之间不能交互控制信息。因此，如图1所示，由于隐藏节点问题的存在，当共存系统中的eNodeB和AP同时传输数据时，则会产生数据冲突。为了避免数据冲突，就需要能够在LTE-U系统和WiFi系统之间交互相关信息，从而RTS/CTS机制可以被嵌入到LBT机制中，以解决隐藏节点问题。

(1)增强型LTE-U节点结构设计

对于LTE系统，其协议栈由三层组成，即物理层(PHY或层1)、数据链路层(DataLink Layer，DLL或层2)和网络层(NL或层3)，其中L2主要由三个子层或者功能块组成：媒质接入控制(Medium Access Control，MAC)、无线链路控制(Radio Link Control，RLC)和分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol，PDCP)；L3主要由两个子层或功能块组成：无线资源控制(RRC)和非接入层(Non Access Stratum，NAS)。LTE空口是连接eNodeB和UE的接口，由控制面和数据面组成。控制面负责控制信令的传输和处理，数据面负责用户数据的传输和处理。数据面仅由L1和L2组成，而控制面则由L1、L2和L3组成。

对于WiFi系统，其采用IEEE 802.11协议，主要运行在开放式系统互联(OpenSystem Interconnection，OSI)模型的物理层(PHY_WiFi)和数据链路层(DL_WiFi)。

为了实现LTE-U节点和WiFi节点之间的控制信息交互，便需要增强LTE-U节点的功能，使其能够与WiFi节点相匹配。基于此，如图2所示，本发明引入了一种增强型LTE-U节点结构，在LTE-U节点中添加了WiFi模块，并重新定义了RRC功能块。WiFi模块由PHY_WiFi和e-MAC_WiFi块组成，集成了新功能以实现与e-RRC之间的相关信息交互。相应地，对RRC功能块进行了重定义，称为e-RRC，以实现与WiFi模块中的e-MAC_WiFi间的信息交互。

对于LTE-U UE，由于其已经具备了常规的PHY_WiFi和MAC_WiFi的WiFi模块，仅仅需要对WiFi模块中的MAC_WiFi和LTE模块中的RRC功能块进行重定义。随着新功能块的引入和对常规功能块的重定义，便构造了增强型的LTE-U节点，包括eNodeB和UE，其均由两个部分组成：LTE模块和WiFi模块。对于LTE模块，其主要执行常规LTE节点的功能。此外，它还负责通过e-RRC与WiFi模块交互相关信息。对于WiFi模块，其主要执行常规802.11节点的功能。此外，它还负责通过e-MAC_WiFi功能块与LTE模块交互相关信息。因此，接下来就需要确定WiFi模块中的e-MAC_WiFi功能块和LTE模块中的e-RRC功能块之间需要交互的相关信息，定义e-MAC_WiFi和e-RRC之间交互信息的格式，从而支持RTS/CTS握手机制。

(2)交互信息内容及消息格式设计

在(1)中提到，对于LTE-U节点，LTE模块和WiFi模块之间通过e-RRC和e-MAC_WiFi交互相关信息，从而实现RTS/CTS握手机制。当源LTE-U节点要传输数据时，LTE模块首先需要给WiFi模块发送用于信道监听的指示。一旦WiFi模块收到这一指示，它就会检测特定信道并向LTE模块报告信道状态。当LTE模块接收到信道状态消息后，LTE模块对数据传输进行信道分配，并向WiFi模块发送信道确认指示，其中包含相关信道和传输信息，包括用于传输的信道、源地址、目的地址和数据传输时长等。一旦WiFi模块接收到这一消息，它就会产生包含这些信息的RTS消息，并向周围节点广播这一RTS包。如果目的LTE-U节点成功接收到这一RTS消息，它就会给源LTE-U节点返回CTS消息。一旦源节点的WiFi模块接收到来自目的节点的CTS消息，它就会给LTE模块报告握手成功。如果源节点的WiFi模块没有在预先确定的时间内接收到来自目的节点的CTS消息，它就会给LTE模块报告握手失败。在另一方面，当LTE-U节点的WiFi模块接收到其他LTE-U节点或WiFi节点传输的RTS/CTS消息时，它就会向LTE模块报告相关信息，诸如占用的信道和传输占用的时间等。基于此，本发明对在e-RRC和e-MAC_WiFi之间交互的消息格式进行定义，如图3所示。

“包头”(1字节)：此域位于消息的头部，长度为一个字节。包含三个子域：“To/From”、“Type”和“保留”。“To/From”子域用于指示消息传递的方向，“Type”子域用于指示消息的类型，“保留”子域保留用于其他功能。每个子域的定义如表1所示：

表1

“时长”(2字节)：此域用于指示数据传输的时长。当“To/From”＝0且“Type”＝01时，其用于指示当前数据传输的时长。当“To/From”＝1且“Type”＝10时，其用于指示其他数据传输的时长。

“源地址”(4字节)：此域包含源节点的地址。

“目的地址”(4字节)：此域包含目的节点的地址。

“信道信息”(1字节)：此域用于指示相关信道信息。当“To/From”＝0且“Type”＝00时，其用于确定LTE-U节点用于数据传输需要检测的信道。当“To/From”＝0且“Type”＝01时，其用于指示分配给LTE模块用于数据传输的信道。当“To/From”＝1且“Type”＝00时，其用于报告WiFi模块检测到的信道状态信息。当“To/From”＝1且“Type”＝01时，其用于报告握手结果或所分配信道的可用性。

(3)增强型LBT(e-LBT)机制

e-LBT机制是用于处理LTE-U与WiFi共存系统下行传输中隐藏节点问题的信道接入机制。其基于(1)中提出的增强型LTE节点结构，在基础LBT机制的基础上添加了RTS/CTS握手过程。图4给出了当LTE-U eNodeB需要向LTE-U UE传输数据时，e-LBT机制主要的信令流程。

在e-LBT机制下，当源LTE-U节点(如eNodeB)有数据待传，其LTE模块首先向WiFi模块发送用于信道检测的指示(“To/From”＝0，“Type”＝00)。一旦WiFi模块接收到这一指示，它就会检测指示中给出的特定信道，并向LTE模块报告信道状态(“To/From”＝1，“Type”＝00)。当LTE模块接收到信道状态信息，它会对其数据传输执行信道分配，并向WiFi模块发送用于信道确认的指示(“To/From”＝0，“Type”＝01)，其中包含相关信道和传输信息，如数据传输信道、源地址、目的地址和数据传输时长等。一旦WiFi模块接收到这一指示，它就会产生RTS消息，并向在源节点范围内的相邻节点广播包含这些信息的RTS消息。如果目的LTE-U节点(如UE)成功接收到这一RTS消息，它就会在一个短帧间间隔(Short Inter-FrameSpacing，SIFS)间隔后，向源节点返回CTS消息。一旦源节点的WiFi模块接收到来自目的节点的CTS消息，它就会向LTE模块发送握手成功消息(“To/From”＝1，“Type”＝01)。当LTE模块接收到握手成功消息后，它就会在一个SIFS后，开始传输数据。如果WiFi节点在预先确定的时间内没有接收到来自目的节点的CTS消息，它就会向LTE模块报告握手失败消息(“To/From”＝1，“Type”＝01)。在这种情况下，源节点将会等待一个退避时间，再重新开始RTS/CTS交互过程。在另一方面，当LTE-U节点的WiFi模块接收到来自其他LTE-U节点或WiFi节点用于其他数据传输的RTS或CTS消息，它会向LTE模块报告关于这一数据传输的相关信息，如占用的信道和传输占用的时长等。在握手过程中，所有接收到RTS或CTS消息的相邻节点都会根据RTS和CTS消息中Duration域的信息，更新其网络分配矢量(Network AllocationVector，NAV)。相邻节点在NAV域为0之前，不会接入信道。

Claims (5)

1.增强型LTE-U节点，其特征在于：包括WiFi模块和LTE功能块，所述LTE功能块中包括e-RRC功能块，该e-RRC功能块为由原LTE功能块中的RRC功能块进行重新定义且能与所述WiFi模块进行信息交互的功能块；

所述WiFi模块包括PHY_WiFi功能块和e-MAC_WiFi功能块，所述e-MAC_WiFi功能块与e-RRC功能块进行信息交互；

所述e-RRC功能块与WiFi模块之间使用RTS/CTS握手机制进行信息交互；

所述e-MAC_WiFi功能块与e-RRC功能块之间交互的信息格式从头至尾依次为：包头、时长、源地址、目的地址和信道信息；

所述包头，包括三个子域：To/From、Type和保留；To/From子域用于指示消息传递的方向，Type子域用于指示消息的类型，保留子域保留用于其他功能；

所述时长，用于指示数据传输的时长；当To/From＝0且Type＝01时，其用于指示当前数据传输的时长；当To/From＝1且Type＝10时，其用于指示其他数据传输的时长；

所述信道信息，用于指示相关信道信息；当To/From＝0且Type＝00时，其用于确定LTE-U节点用于数据传输需要检测的信道；当To/From＝0且Type＝01时，其用于指示分配给LTE功能块用于数据传输的信道；当To/From＝1且Type＝00时，其用于报告WiFi模块检测到的信道状态信息；当To/From＝1且Type＝01时，其用于报告握手结果或所分配信道的可用性。

2.一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络的e-LBT信道接入系统，其特征在于：包括由根据权利要求1所述的增强型LTE-U节点构成的LTE-U系统和WiFi系统，所述LTE-U系统包括一个eNodeB和若干均匀分布在eNodeB的覆盖范围内的用户终端，所述WiFi系统包括一个WiFi接入点和若干均匀分布在AP的覆盖范围内的站点；

所述LTE-U系统中的WiFi模块与WiFi系统进行信息交互；

所述LTE-U系统采用e-LBT机制用于信道接入，所述e-LBT机制为在LBT机制的基础上添加RTS/CTS握手过程。

3.根据权利要求2所述的一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络的e-LBT信道接入系统，其特征在于：在所述e-LBT机制下，当源LTE-U节点有数据待传，其LTE功能块首先向WiFi模块发送用于信道检测的指示；当WiFi模块接收到这一指示时，检测指示中给出的信道，并向LTE功能块报告信道状态；当LTE功能块接收到信道状态信息，它对其数据传输执行信道分配，并向WiFi模块发送用于信道确认的指示；当WiFi模块接收到这一指示，它产生RTS消息，并向在源节点范围内的相邻节点广播RTS消息；若目的LTE-U节点成功接收到这一RTS消息，该目的LTE-U节点在一个短帧间隔后，向源节点返回CTS消息；

若源节点的WiFi模块接收到来自目的节点的CTS消息，该源节点的WiFi模块向LTE功能块发送握手成功消息；当LTE功能块接收到握手成功消息后，该LTE功能块在一个短帧间隔后，开始传输数据；

若源节点的WiFi模块在预先确定的时间内没有接收到来自目的节点的CTS消息，它就会向LTE功能块报告握手失败消息，源节点等待一个退避时间，重新开始RTS/CTS交互过程。

4.根据权利要求3所述的一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络的e-LBT信道接入系统，其特征在于：当LTE-U节点的WiFi模块接收到来自其他LTE-U节点或WiFi节点用于其他数据传输的RTS或CTS消息，该LTE-U节点的WiFi模块向LTE功能块报告关于这一数据传输的相关信息；在握手过程中，所有接收到RTS或CTS消息的相邻节点都会根据RTS和CTS消息中时长域的信息，更新其网络分配矢量。

5.一种具备冲突避免的非授权频段LTE-U与WiFi共存网络的e-LBT信道接入方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在LTE-U节点内添加或重定义WiFi模块，所述WiFi模块包括PHY_WiFi功能块和e-MAC_WiFi功能块；

步骤二：将LTE-U节点内的LTE功能块中的RRC功能块重定义使其与WiFi模块进行信息交互，得到e-RRC功能块；e-RRC功能块与WiFi模块之间使用RTS/CTS握手机制进行信息交互；

步骤三：定义e-MAC_WiFi功能块与e-RRC功能块之间交互的信息格式；所述e-MAC_WiFi功能块与e-RRC功能块之间交互的信息格式从头至尾依次为：包头、时长、源地址、目的地址和信道信息；

所述包头，包括三个子域：To/From、Type和保留；To/From子域用于指示消息传递的方向，Type子域用于指示消息的类型，保留子域保留用于其他功能；

所述时长，用于指示数据传输的时长；当To/From＝0且Type＝01时，其用于指示当前数据传输的时长；当To/From＝1且Type＝10时，其用于指示其他数据传输的时长；

所述信道信息，用于指示相关信道信息；当To/From＝0且Type＝00时，其用于确定LTE-U节点用于数据传输需要检测的信道；当To/From＝0且Type＝01时，其用于指示分配给LTE功能块用于数据传输的信道；当To/From＝1且Type＝00时，其用于报告WiFi模块检测到的信道状态信息；当To/From＝1且Type＝01时，其用于报告握手结果或所分配信道的可用性；

步骤四：基于步骤一至三，得到LTE-U系统，设计所述LTE-U系统的信道接入机制，所述信道接入机制为在LBT机制的基础上添加RTS/CTS握手过程。

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