3GPP LTE授權(quán)輔助接入性能分析

冉懋海，秦江偉，裴二榮

（1.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053；2.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信的業(yè)務(wù)種類和需求迅速增加。據(jù)業(yè)內(nèi)報(bào)道，從2010年到2020年全球的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將會(huì)增長(zhǎng)超過(guò)1 000倍［1］。因此，為了獲得更好的用戶體驗(yàn)，需要對(duì)通信速率、系統(tǒng)容量、傳輸時(shí)延以及通信安全等提出更高的要求。為了達(dá)到這個(gè)目的，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界為第5代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了許多新技術(shù)。這些技術(shù)主要分為2類解決方案。第一類是在授權(quán)頻譜上通過(guò)改進(jìn)物理層和MAC層關(guān)鍵技術(shù)盡可能提高頻譜利用效率［2-3］。然而，目前授權(quán)頻譜利用率已經(jīng)接近極限。因此，該方案仍然無(wú)法從根本上滿足人們對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的需求。第二類是將當(dāng)前的蜂窩技術(shù)即LTE/LTE-A技術(shù)拓展到免授權(quán)頻譜上，大量增加通信所需的頻譜資源以滿足當(dāng)前和未來(lái)對(duì)移動(dòng)流量的需求［4-5］。目前在免授權(quán)頻段上充斥著大量的無(wú)線設(shè)備，如WiFi、藍(lán)牙、Zigbee等，其中以低成本和高數(shù)據(jù)速率的WiFi為主。因此，當(dāng)前LTE工作在免授權(quán)頻譜上的核心問(wèn)題是設(shè)計(jì)一個(gè)共存機(jī)制使得LTE與WiFi網(wǎng)絡(luò)在免授權(quán)頻段上和諧共存，既要讓LTE獲得足夠的頻譜滿足通信需求，又要避免過(guò)度干擾到WiFi網(wǎng)絡(luò)及其用戶。

目前在免授權(quán)頻段上LTE和WiFi的共存方案主要有2種：占空比靜默模式（duty cycle muting，DCM）和授權(quán)輔助接入模式（licensed assisted access，LAA）。DCM 是LTE-U的第一個(gè)版本，最初由愛立信和高通公司在2013年提出［4］。這種方案通過(guò)LTE周期性靜默一段時(shí)間的方式與WiFi分享免授權(quán)頻譜，不需要“先聽后說(shuō)”（listen before talk，LBT），并且因?yàn)椴恍枰薷腖TE協(xié)議而很容易部署，目前只在中國(guó)、印度、韓國(guó)和美國(guó)使用［4-5］。在2014年6月法國(guó)的Sophia Antipolis會(huì)議中，首次提出LTE LAA方案。這種方案旨在尋求一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的全球解決方案，它的一個(gè)重要特征就是LTE接入免授權(quán)頻譜前需要對(duì)信道情況進(jìn)行評(píng)估，即LBT機(jī)制的空閑信道評(píng)估（clear channel assessment，CCA）過(guò)程。因而這種機(jī)制需要對(duì)LTE協(xié)議棧進(jìn)行修改以及設(shè)備商的支持［6］。目前3GPP、ESTI等電信組織也正在積極對(duì)LBT接入方案制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在本文中，我們更加關(guān)注LTE和WiFi共存的長(zhǎng)遠(yuǎn)解決方案，因而主要研究LTE與WiFi網(wǎng)絡(luò)之間基于LBT的接入方案即LAA方案。

當(dāng)前，LAA正在吸引越來(lái)越多研究人員的關(guān)注，已有大量文獻(xiàn)發(fā)表，如文獻(xiàn)［7-12］。因?yàn)榇嬖贚AA對(duì)現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)影響的擔(dān)心，一些研究人員正在研究和分析LTE LAA網(wǎng)絡(luò)性能。

Kwon H J等［13］詳細(xì)地介紹了3GPP推薦的LAA方案的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)。作為關(guān)鍵技術(shù)之一，基于二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)窗口適應(yīng)技術(shù)被詳細(xì)地介紹。

在文獻(xiàn)［7，14-15］中，作者利用隨機(jī)幾何理論對(duì)基于LBT的LAA方案進(jìn)行了建模，并且評(píng)估了它們的性能。然而，在這些文獻(xiàn)中，為了能夠利用隨機(jī)幾何理論對(duì)LAA進(jìn)行建模，LAA方案中的退避時(shí)間被假定為均勻地分布在［0，1］區(qū)間。這種假設(shè)忽視了競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的變化，這可能使提出的模型不能如實(shí)地反應(yīng)退避機(jī)制的實(shí)際行為，進(jìn)而導(dǎo)致性能分析與實(shí)際出現(xiàn)較大誤差。

Song Y等［8］將使用了LBT機(jī)制的小基站建模成了一個(gè)新馬爾科夫鏈，然后基于提出的模型找到了能夠最大化吞吐量的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)窗口大小。

Chen C等［11］將一個(gè)沒(méi)有退避機(jī)制的簡(jiǎn)單LAA方案建模成為一個(gè)二維的離散的馬爾科夫鏈，并且推導(dǎo)出了LAA和WiFi的下行吞吐量。然而，這篇文獻(xiàn)研究的對(duì)象是固定競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的LBT機(jī)制。而且，在這篇文獻(xiàn)中，作者假定包沖突不一定導(dǎo)致傳輸失敗，只是導(dǎo)致了不同的包傳輸速率。而且，作者也假定了包沖突的魯棒性，即包傳輸在低速率時(shí)也能傳輸。所有的這些假設(shè)和考慮都使得這篇文獻(xiàn)研究的LBT接入機(jī)制與3GPP LAA方案具有較大的不同。

Yi J等［12］考慮到LAA結(jié)構(gòu)開銷提出了一個(gè)新穎的馬爾科夫鏈分析模型，并且基于這個(gè)模型推導(dǎo)出了在不同幀開銷情況下LAA的吞吐量表達(dá)式。通過(guò)仿真結(jié)果和預(yù)期值的比較，證明了提出模型的有效性。然而，這篇文獻(xiàn)的作者沒(méi)有對(duì)LAA方案進(jìn)行建模，而是直接使用了IEEE 802.11 DCF的Bianchi模型。因此，忽視了LAA方案與IEEE 802.11 DCF的不同。

與上面提到的LAA方案不同，3GPP有2個(gè)特點(diǎn)［13］：①競(jìng)爭(zhēng)窗口大小是可變的，并且隨著重傳次數(shù)而翻倍，即執(zhí)行二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制。②自從LAA被激活，除了第一次傳輸，LAA傳輸數(shù)據(jù)前必須先進(jìn)入ECCA（Extended clear channel assessment）程序。

3GPP LAA方案也不同于WiFi系統(tǒng)中的802.11 DCF（Distributed coordination function）協(xié)議：①在3GPP LAA方案中，除了第一次傳輸，LAA傳輸前總是先進(jìn)入到ECCA程序。與之對(duì)比，DCF要求發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)前先探測(cè)信道，如果信道被占用，那么發(fā)送端執(zhí)行退避機(jī)制（類似于LAA中的ECCA）。因此，DCF中執(zhí)行退避機(jī)制的概率小于1。②3GPP LAA方案總是工作在LTE和WiFi網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景中，而DCF只工作在單獨(dú)的WiFi系統(tǒng)中。

從以上討論可以看出，3GPP LAA與前文討論的LAA方案以及IEEE DCF之間都有很大的不同。因此，現(xiàn)有文獻(xiàn)為L(zhǎng)AA方案和IEEE DCF進(jìn)行性能評(píng)估提出的模型無(wú)法應(yīng)用于3GPP LAA方案。

到目前為止，還沒(méi)有文獻(xiàn)考慮到前文所述的3GPP LAA特點(diǎn)并分析其性能。因此，首先對(duì)3GPP LAA方案進(jìn)行建模，然后基于所建模型推導(dǎo)信道占用率和沖突概率等性能指標(biāo)表達(dá)式，最后給出改進(jìn)建議。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文考慮了多個(gè)LAA小基站（SBSs）和多個(gè)WiFi接入點(diǎn)（APs）的共存場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。LAA SBSs可以使用授權(quán)頻譜和免授權(quán)頻譜來(lái)支持其覆蓋區(qū)域內(nèi)所有LAA用戶的下行傳輸，而WiFi APs只能使用免授權(quán)頻譜來(lái)服務(wù)較小的區(qū)域中用戶。眾所周知，可以自動(dòng)或手動(dòng)的將不同的免授權(quán)信道分配給不同的WiFi APs，并且也可以通過(guò)空間距離來(lái)隔離在相同信道上操作的WiFi APs。雖然LAA SBSs可能同時(shí)使用多個(gè)免授權(quán)信道（多個(gè)不同的WiFi APs可能工作在這些不同的免授權(quán)信道上），但主要關(guān)注LAA和WiFi在某一個(gè)免授權(quán)信道上的共存性能。因此，所考慮的場(chǎng)景可以簡(jiǎn)化為更簡(jiǎn)單的共存場(chǎng)景：多個(gè)LAA SBSs和某一個(gè)WiFi AP在某個(gè)免授權(quán)信道上共存。因此，假設(shè)在所考慮的共存場(chǎng)景中某個(gè)免授權(quán)信道上工作著nl個(gè)LAA SBSs和一個(gè)具有nw用戶的WiFi AP。

值得注意的是，在獨(dú)立LTE系統(tǒng)中，分組重傳主要基于混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）-ACK反饋。HARQ-ACK反饋可以從ACK、NACK和DTX獲取值，其中ACK指的是正確接收的情況，NACK指的是正確檢測(cè)到控制信息（即PDCCH）但在數(shù)據(jù)（即PDSCH）接收中存在錯(cuò)誤的情況，DTX指的是用戶忽略包含調(diào)度信息（即PDCCH）的控制消息而不是數(shù)據(jù)本身（即PDSCH）的情況［12］。然而，本文主要關(guān)注3GPP LAA方案的共存性能。因此，在考慮的場(chǎng)景中忽略了信道質(zhì)量（它是在獨(dú)立的LTE系統(tǒng)中包重傳的主要原因）。也就是說(shuō)，在本文中，SBSs之間以及SBSs與WiFi用戶之間的包沖突是LAA網(wǎng)絡(luò)中包重傳的唯一原因。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

1.2 IEEE 802.11接入機(jī)制

無(wú)線局域網(wǎng)（wireless local area network，WLAN）中主要有4種信道接入方法，分別是分布式協(xié)調(diào)功能（distributed coordination function，DCF）、點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（point coordination function，PCF）、混合協(xié)調(diào)功能（hybrid coordination function，HCF）以及增強(qiáng)型分布信道接入（enhanced distributed channel access，EDCA），其中DCF接入機(jī)制是當(dāng)前多數(shù)情況下WLAN默認(rèn)配置采用的接入方式。在基于載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞避免（carrier sense multiple access/collision avoidance，CSMA/CA）協(xié)議工作的DCF接入機(jī)制中，用戶在傳輸數(shù)據(jù)前都需要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式去占用信道，進(jìn)而發(fā)送分組。具體過(guò)程為：當(dāng)某個(gè)WiFi AP需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，先要進(jìn)行信道檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)信道空閑，則等待一個(gè)分布式幀間間隔（Distributed Inter-Frame Space，DIFS）后發(fā)送分組，若分組發(fā)送完成后終端成功接收，則經(jīng)過(guò)一個(gè)短幀間間隔（short Inter frame space，SIFS）后，向源端發(fā)送確認(rèn)幀ACK（acknowledged frame）。如果檢測(cè)到信道忙，則必須在信道由忙態(tài)轉(zhuǎn)到空閑態(tài)，經(jīng)過(guò)一個(gè)DIFS時(shí)間后，執(zhí)行退避算法。DCF中采用的是二進(jìn)制指數(shù)退避算法，競(jìng)爭(zhēng)窗口（contention window，CW）值CW=2iCWmin，其中i表示退避階段數(shù)且i∈［0，m1］。當(dāng)設(shè)備使用退避算法選擇了CW 中的某個(gè)值后，就根據(jù)該值設(shè)置一個(gè)退避計(jì)時(shí)器N。當(dāng)N=0時(shí)，就開始傳輸數(shù)據(jù)，而當(dāng)N≠0時(shí)且信道又轉(zhuǎn)為忙態(tài)時(shí)，則需要凍結(jié)退避計(jì)時(shí)器的值N，重新等待信道變?yōu)榭臻e，再經(jīng)過(guò)一個(gè)DIFS后，繼續(xù)啟動(dòng)退避計(jì)時(shí)器（從剩下的時(shí)間開始），如圖2所示。

圖2 DCF接入機(jī)制

正如文獻(xiàn)［10］所討論的，WiFi網(wǎng)絡(luò)DCF接入行為滿足二維離散馬爾可夫過(guò)程。假設(shè)pw、τw分別表示W(wǎng)iFi系統(tǒng)內(nèi)碰撞概率和用戶在任意時(shí)隙內(nèi)傳輸分組的概率，則

2 模型分析

2.1 二維離散M arkov模型

在3GPP提出的LAA方案中，在免授權(quán)頻段上的空閑信道評(píng)估過(guò)程包含2個(gè)部分［11］，分別是初始CCA（initial CCA，ICCA）和ECCA?；?GPP提出的LTE LAA方案的2個(gè)新特點(diǎn)，將其建造成一個(gè)新的二維離散Markov模型，如圖3所示。在圖3中，狀態(tài)X表示LAA新的傳輸狀態(tài)。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器或者空閑時(shí)隙數(shù)的值減小到零時(shí)即在狀態(tài)（i，0）時(shí)，LAA立即發(fā)送分組。然后LAA以1-pl的概率（即分組成功發(fā)送的概率）進(jìn)入到新傳輸狀態(tài)X。為了使得LAA不會(huì)一直占用信道，3GPP提出的LAA方案要求在成功發(fā)送分組后新的傳輸直接執(zhí)行隨機(jī)退避過(guò)程即進(jìn)入到ECCA過(guò)程，即狀態(tài)X以概率1進(jìn)入到退避狀態(tài)，退避值首先在最小競(jìng)爭(zhēng)窗口范圍內(nèi)產(chǎn)生。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器的值減小到0，如果分組發(fā)送成功，則再次進(jìn)入到狀態(tài)X。如果發(fā)送不成功則再次進(jìn)入到退避狀態(tài)，其競(jìng)爭(zhēng)窗口大小以2i×W增加。

圖3 3GPP LAA方案的馬爾可夫鏈模型示意圖

按照LAA方案，LTE接入免授權(quán)信道需要進(jìn)行ICCA和ECCA 2個(gè)檢測(cè)過(guò)程，其中L表示ICCA過(guò)程所需要的總時(shí)隙數(shù)。假設(shè)Hi和He分別表示ICCA和ECCA檢測(cè)過(guò)程，其狀態(tài)符號(hào)分別為0和1，2，…，m，那么LAA用戶狀態(tài)s（t）在任意時(shí)隙的取值為Hi或者He，其相應(yīng)狀態(tài)計(jì)數(shù)器取值為b（t）。假設(shè)pl為L(zhǎng)AA網(wǎng)絡(luò)中用戶的碰撞概率，即2個(gè)及2個(gè)以上LAA設(shè)備同時(shí)發(fā)送分組的概率。該模型中，分組在發(fā)送過(guò)程中無(wú)論遭遇多少次重傳，假設(shè)其碰撞概率pl都是恒定且獨(dú)立。

將二維離散馬爾可夫過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率簡(jiǎn)化表示為：

令m=m2，則上述Markov模型的一階非零狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可以表示為：

式（4a）表示ICCA過(guò)程中，信道空閑，則計(jì)數(shù)器就遞減。式（4b）表示ECCA過(guò)程中，信道空閑，則計(jì)數(shù)器就遞減，否則凍結(jié)退避計(jì)數(shù)器的值。式（4c）表示當(dāng)LAA重傳發(fā)生時(shí)退避到下一個(gè)階段。式（4d）表示在ECCA過(guò)程中如果分組在預(yù)定的碰撞次數(shù)之內(nèi)沒(méi)有成功發(fā)送數(shù)據(jù)，則丟棄數(shù)據(jù)且信道檢測(cè)過(guò)程從新的ICCA開始。式（4e）表示在ICCA過(guò)程中如果信道忙，則設(shè)備進(jìn)入ECCA檢測(cè)過(guò)程。式（4f）表示LAA分組成功發(fā)送后進(jìn)入新的傳輸時(shí)需進(jìn)入ECCA過(guò)程并自動(dòng)執(zhí)行隨機(jī)退避流程。

由式（5）可得：

根據(jù)圖3所建造的Markov模型，我們基于隨機(jī)過(guò)程理論可知

2.2 退避機(jī)制

按照3GPP推薦的LAA方案，LAA的競(jìng)爭(zhēng)窗口基于二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制進(jìn)行退避。LAA在發(fā)送數(shù)據(jù)后如果沒(méi)有收到反饋或者超過(guò)時(shí)間沒(méi)有收到反饋，數(shù)據(jù)需要重傳，其競(jìng)爭(zhēng)窗口以2i×W 增加。重傳次數(shù)越多，退避的時(shí)間就可能越長(zhǎng)，直到達(dá)到預(yù)定重傳次數(shù)后丟棄分組。在LAA中的二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制提供了一個(gè)處理超負(fù)荷問(wèn)題的方法，傳輸?shù)闹貜?fù)失敗導(dǎo)致更長(zhǎng)的退避時(shí)間，這將有助于負(fù)荷的平滑。為了通過(guò)比較來(lái)深入分析LAA方案性能，本文也提出了基于線性退避的LAA共存方案，即當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生NACK或者DTX的情況時(shí)，退避到下一個(gè)階段且競(jìng)爭(zhēng)窗口將按照線性方式增加。

1）二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制：假設(shè)W=CWmin，則最大退避窗口值為CWmax=2m2·W，第i次退避時(shí)退避窗口值表示為Wi=2i·W。因此，通過(guò)歸一化運(yùn)算，可得LAA用戶的傳送概率為

式中，

2）線性退避機(jī)制：假設(shè)W=CWmin，則最大退避窗口值為CWmax=2W·m2，第i次退避時(shí)退避窗口值表示為Wi=i·2W。因此，通過(guò)歸一化運(yùn)算，可得LAA用戶的傳送概率為

式中，

3）固定窗口退避機(jī)制：假設(shè)設(shè)備在每次執(zhí)行退避機(jī)制時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口都以一個(gè)固定值退避，即Wi=W，i表示退避次數(shù)且最大退避次數(shù)為m2。因此，通過(guò)歸一化運(yùn)算，可得LAA用戶的傳送概率為

3 LAA與W iFi用戶的碰撞概率和信道占用率

在共存系統(tǒng)中，已知傳送概率為τl（包含τl1和τl2）和τw，LAA網(wǎng)絡(luò)用戶的平穩(wěn)碰撞概率pl為［12］

同理對(duì)于WiFi用戶可知：

假設(shè)pt，l和pt，w分別表示共存系統(tǒng)中至少有一個(gè)LAA用戶和至少有一個(gè)WiFi用戶傳輸數(shù)據(jù)的概率，因此

在至少有一個(gè)LAA用戶（WiFi用戶）傳輸數(shù)據(jù)的條件下只有一個(gè)LAA用戶傳輸數(shù)據(jù)的概率ps，l（ps，w）可表示為［12］

值得注意的是，Markov鏈中每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間并不相同，也就是說(shuō)，它取決于各個(gè)狀態(tài)。本文提出的新型Markov鏈中有3種狀態(tài)，分別是成功傳輸狀態(tài)、碰撞狀態(tài)和退避狀態(tài)。其中，碰撞狀態(tài)包含3種類型的碰撞，它們是WiFi用戶之間的碰撞，LAA SBSs之間的碰撞以及LAA SBSs與WiFi用戶之間的交叉碰撞。與IEEE 802.11 DCF類似，文中所提出的模型沒(méi)有空閑狀態(tài)。這是因?yàn)檎缜懊嫠U述的LAA總是有數(shù)據(jù)包等待傳輸，并且以概率1進(jìn)入ECCA過(guò)程。還應(yīng)該指出，退避狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間實(shí)際上包含空閑時(shí)隙。這是為了平滑業(yè)務(wù)負(fù)載設(shè)計(jì)的，而不能被LAA SBSs和WiFi APs所利用，這也被看作是開銷。令σ為一個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度，則退避狀態(tài)的平均持續(xù)時(shí)間為

令Qw為WiFi數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，則WiFi Aps平均成功傳輸時(shí)間為

令Ql為L(zhǎng)AA幀長(zhǎng)，則LAA SBSs平均成功傳輸時(shí)間為

在WiFi用戶之間碰撞中，平均持續(xù)時(shí)間為

令為ECCA過(guò)程中的延遲時(shí)間，則LAA SBSs之間碰撞中，平均持續(xù)時(shí)間為

在LAA SBSs與WiFi用戶之間的交叉碰撞中，平均持續(xù)時(shí)間為

令Tc，w=Qw+TDIFS，Tc，l=Ql+Td，則WiFi用戶與LAA SBSs之間的交叉碰撞中，Tc，A的大小取決于Tc，l和Tc，w長(zhǎng)度，即，Tc，A=max｛Tc，l，Tc，w｝。

因此，每個(gè)狀態(tài)的平均消耗時(shí)間可以表示為

假設(shè)和Rs，w分別表示LAA和WiFi用戶信道占用率，Ts表示系統(tǒng)總時(shí)間，因此

4 仿真結(jié)果

通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)LAA和WiFi網(wǎng)絡(luò)基于LBT的共存機(jī)制進(jìn)行性能分析，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖4表示W(wǎng)=128，k=2 W 和不同WiFi用戶數(shù)的情況下WiFi用戶的碰撞概率與LAA用戶數(shù)的關(guān)系。圖5表示W(wǎng)=128，k=2 W 和不同LAA用戶數(shù)情況下WiFi用戶的碰撞概率與WiFi用戶數(shù)的關(guān)系。

圖4 WiFi用戶碰撞概率與LAA SBS的關(guān)系

圖5 WiFi碰撞概率與WiFi用戶數(shù)的關(guān)系

為了便于比較分析LBT共存方案，圖4、圖5中增加了3條基于相同數(shù)量的WiFi用戶下的碰撞概率曲線。從圖4可以看出，在WiFi用戶數(shù)一定時(shí)，WiFi的碰撞概率隨著LAA用戶數(shù)的增加而增加。這是因?yàn)長(zhǎng)AA用戶的增加意味著更多的用戶參與免授權(quán)信道的競(jìng)爭(zhēng)，增加了WiFi的碰撞概率。從圖5可以看出，在LAA用戶數(shù)一定時(shí)，WiFi的碰撞概率隨著WiFi用戶數(shù)的增加而增加。這是因?yàn)閃iFi用戶的增加意味著更多的用戶參與免授權(quán)信道的競(jìng)爭(zhēng)，增加了WiFi的碰撞概率。

從圖4、5可以看出，圖5曲線的斜率要大于圖4。這說(shuō)明增加WiFi用戶比增加LAA用戶使得碰撞概率增加的幅度更大。另外，與相同數(shù)量的WiFi用戶情況下的碰撞概率相比較，LBT共存方案下的碰撞概率較小。這是因?yàn)?GPP提出的LBT共存方案不僅要求LAA用戶在接入信道前需要探測(cè)信道，而且在連續(xù)發(fā)送幀時(shí)為了不一直占用信道而直接進(jìn)入ECCA過(guò)程并執(zhí)行隨機(jī)退避過(guò)程。與WiFi用戶每發(fā)送一幀都需要探測(cè)信道相比，相同數(shù)量的LAA用戶與WiFi用戶相比，LAA用戶導(dǎo)致的碰撞概率較小。這也說(shuō)明了3GPP提出的LBT共存方案具有較好的友好性。圖中線性退避機(jī)制下WiFi碰撞概率均約大于同等情況下虛線所代表的二進(jìn)制退避機(jī)制下的碰撞概率，這是因?yàn)榉纸M在遭受沖突時(shí)，相對(duì)于二進(jìn)制退避機(jī)制而言，線性退避機(jī)制所產(chǎn)生的退避窗口值要更小。

圖6表示LAA用戶和WiFi用戶總數(shù)不變情況下（例如：nl+nw=11，nl從1遞增到10，nw反之），信道占用率（即Rs，l、Rs，w）與用戶數(shù)的關(guān)系。圖6中圓圈、矩形和橢圓標(biāo)注的位置分別表示固定、線性和3GPP LAA方案下WiFi的信道占用率等于LAA信道占用率的點(diǎn)（即Rs，l=Rs，w）。這些點(diǎn)為半共享點(diǎn)。從圖中可以看出，在LAA SBSs和WiFi用戶數(shù)量方面，W=16和W=32下的半共享點(diǎn)之間存在很大差異，這表明LAA共存方案中的參數(shù)W對(duì)共存性能具有很大的影響。固定LAA方案下LAA的信道占用率總是高于3GPP和線性LAA方案下的信道占用率，而WiFi的信道占用率則相反。這是因?yàn)楣潭↙AA方案比3GPP和線性LAA方案更具侵略性。因此，固定LAA方案可以為L(zhǎng)AA SBS/終端占用更多的機(jī)會(huì)，這降低了WiFi用戶同時(shí)使用該信道的機(jī)會(huì)，并且進(jìn)一步導(dǎo)致了抑制的WiFi性能。

圖6 信道占用率和LAA SBS/WiFi用戶數(shù)的關(guān)系

圖7表示固定WiFi用戶（例如：nw=10），步進(jìn)增大LAA用戶情況下，LAA和WiFi用戶信道占用率與LAA用戶數(shù)的關(guān)系。從圖7可以看出，隨著LAA用戶數(shù)的增加，LAA信道占用率越來(lái)越高，而WiFi占用率越來(lái)越低。同時(shí)也可以看出，在相同的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口大?。–ontention Window size，CWS）（W=16或W=32）下，固定LAA方案下LAA的信道占用率是3種LAA方案中最多的，而3GPP LAA方案下的信道占用率是最少的，WiFi的信道占用率正好相反。

圖7 WiFi用戶固定時(shí)信道占用率情況

從圖7還可以看出，當(dāng)LAA SBS的數(shù)量很大時(shí)，W=16的固定和線性LAA方案下的LAA信道占用率低于W=16的3GPP LAA方案下的LAA信道占用率。W=32的固定和線性方案下的LAA信道占用率仍高于W=32的3GPP LAA方案下的LAA信道占用率。這是因?yàn)榇罅縇AA SBSs產(chǎn)生的大量退避分組（因?yàn)長(zhǎng)AA在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前需要直接進(jìn)入退避過(guò)程）使固定和線性LAA方案中的CWS無(wú)法平滑負(fù)載。這導(dǎo)致高的碰撞概率，并最終導(dǎo)致信道占用率的降低。相反，在W=32下，可以使用更大的CWS來(lái)避免問(wèn)題的發(fā)生。

圖8表示固定LAA用戶（例如：nl=5），步進(jìn)增大WiFi用戶情況下，LAA與WiFi用戶信道占用率與WiFi用戶數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著WiFi用戶數(shù)量的增長(zhǎng)，LAA信道占用率越來(lái)越低，WiFi信道占用率相反。這是因?yàn)閃iFi用戶的數(shù)量的增加意味著更多的WiFi用戶與固定數(shù)量的LAA用戶競(jìng)爭(zhēng)免授權(quán)信道。這可能導(dǎo)致WiFi信道占用率的增加和LAA信道占用率的降低。從圖中還可以看出，在相同的最小CWS下，固定LAA方案下的LAA信道占用率最高，而3GPP LAA方案下的LAA信道占用率最低，WiFi信道占用率相反。

圖8 LAA SBSs數(shù)量固定時(shí)信道占用率情況

5 結(jié)論

考慮到3GPP LAA方案的2個(gè)特點(diǎn)，即采用二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制以及LAA SBSs發(fā)送新的數(shù)據(jù)前直接進(jìn)入到ECCA過(guò)程，本文將3GPP LAA方案建模成了一個(gè)新的馬爾科夫鏈，并基于提出的模型推導(dǎo)出了LAA和WiFi用戶的信道占用率和碰撞概率。為了通過(guò)比較深入分析，本文也對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口固定和線性退避的LAA方案進(jìn)行了研究分析。大量的仿真結(jié)果證明了本文所提出的模型的有效性。仿真結(jié)果還表明，最小CWS對(duì)免授權(quán)頻譜的共享有很大影響，而對(duì)總信道占用率的影響很小。同時(shí)，與線性和固定LAA方案相比，LTE R13中的3GPP LAA方案具有最佳的友好性和相當(dāng)?shù)男诺勒加寐剩潭↙AA方案比其他方案更具侵略性，有利于LAA，而不利于WiFi。因此，固定和線性方案可以應(yīng)用于WiFi用戶具有更高容忍度的一些特殊場(chǎng)合。

從本文分析可知，3GPP LAA方案更加注重與現(xiàn)有用戶WiFi網(wǎng)絡(luò)的影響，因而使用了一個(gè)類似DCF協(xié)議的接入機(jī)制。這使得3GPP LAA雖然是一個(gè)最友好的方案，然而是以犧牲總的頻譜利用效率為代價(jià)的方案。競(jìng)爭(zhēng)窗口固定的LAA和線性退避的LAA方案雖然能夠提升一定的頻譜利用效率，但是以對(duì)WiFi網(wǎng)絡(luò)的影響為代價(jià)的方案，這可能會(huì)導(dǎo)致WiFi利益方的反對(duì)。因此，一個(gè)WiFi流量負(fù)載適應(yīng)性的接入方案，既可以完全滿足WiFi網(wǎng)絡(luò)的流量需求，又可以最大化頻譜利用效率，是各方所期待的方案。