[論文レビュー] Coexistence Gaps in Space: Cross-Technology Interference-Nulling for Improving LTE-U/WiFi Coexistence

Suzan Bayhan, Anatolij Zubow+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2017

Wireless Networks and Protocols被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、多素子アンテナを備えたLTE-Base Stationを用いて、クロステクノロジー干渉ノイズを用いて空間的共存ギャップを生成することで、LTE-UとWiFiネットワークの協調的共存スキームを提案する。隣接するWiFiノードに向けてローブを指向することで、LTE-Uは送信時間の利用効率を向上させるとともに干渉を低減し、シミュレーションではLTE-Uスループットが最大221%向上、WiFiスループットが44%向上する。特に中程度のセル間隔距離において顕著な効果を示す。

ABSTRACT

To avoid the foreseeable spectrum crunch, LTE operators have started to explore the option to directly use 5 GHz unlicensed spectrum band being used by IEEE 802.11 (WiFi). However, as LTE is not designed with shared spectrum access in mind, there is a major issue of coexistence with WiFi networks. Current coexistence schemes to be deployed at the LTE-U BS create coexistence gaps only in one domain (e.g., time, frequency, or space) and can provide only incremental gains due to the lack of coordination among the coexisting WiFi and LTE-U networks. Therefore, we propose a coordinated coexistence scheme which relies on cooperation between neighboring LTE-U and WiFi networks. Our proposal suggests that LTE-U BSs equipped with multiple antennas can create coexistence gaps in space domain in addition to the time domain gaps by means of cross-technology interference nulling towards WiFi nodes in the interference range. In return, LTE-U can increase its own airtime utilization while trading off slightly its antenna diversity. The cooperation offers benefits to both LTE-U and WiFi in terms of improved throughput and decreased channel access delay. More specifically, system-level simulations reveal a throughput gain up to 221% for LTE-U network and 44% for WiFi network depending on the setting, e.g., the distance between the two cell, number of LTE antennas, and WiFi users in the LTE-U BS neighborhood. Our proposal provides significant benefits especially for moderate separation distances between LTE-U/WiFi cells where interference from a neighboring network might be severe due to the hidden network problem.

研究の動機と目的

• 5 GHzの免許なしバンドにおけるLTE-UとWiFiの深刻な共存問題に対処すること。特に、LTE-UがLBTを採用しないことによる不平等なスペクトラムアクセスが原因である。
• 時間領域や周波数領域でのギャップのみを生成する従来の非協調的共存スキームの限界を克服すること。これらはわずかな利得しか得られない。
• ビームフォーミングと干渉ノイジングを活用した空間ドメインの柔軟性を活かして、LTE-UとWiFiネットワーク間の協調的連携を可能とすること。
• LTE-Uが待機時間の割合を増やす一方で、隣接するWiFiノードへの有害干渉を最小限に抑えることで、スペクトル効率と公平性を向上させること。
• 特に隠れノード問題が顕著になる中程度のセル間隔距離のシナリオにおいて、両ネットワークの性能向上を顕著に示すこと。

提案手法

• 均一線形アレイ（ULAs）を備えたLTE-Base Stationが、干渉範囲内の隣接WiFiノードに向けてローブを指向するビームフォーミングを実行する。
• チャネル状態情報とユーザー位置を考慮した空間干渉ノイジングアルゴリズムにより、どのWiFiノードをノイジング対象とするかを計算する。
• 干渉ノイジングにより空間ドメインに「共存ギャップ」が生成され、LTE-UはON期間中に隣接するWiFiを妨害せずに送信可能になる。
• このスキームにより、公平性計算からノイジング対象のWiFiノードを除外することで、LTE-Uの送信時間利用効率が向上する。
• このアプローチは協調的であり、WiFiノードの位置情報とビームフォーミングパrameterを交換するためのネットワーク間通信を要する。
• システムレベルのシミュレーションにより、セル距離、LTEアンテナ数、WiFiユーザー数の変動に伴う性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多素子アンテナを備えたLTE-Base Stationによる空間干渉ノイジングは、5 GHzの免許なしバンドにおけるLTE-UとWiFiの共存を顕著に改善できるか？
• RQ2 空間ドメインにおける協調的干渉ノイジングは、従来の時間領域および周波数領域の共存スキームと比較して、スループットと遅延の点でどのように差がつくか？
• RQ3 セル間隔距離とアンテナ数が、提案スキームの性能向上に与える影響は何か？
• RQ4 空間ノイジングにより、隣接するWiFiノードへの干渉を低減しながら、LTE-Uの送信時間利用効率を向上させられるか？
• RQ5 実用的展開において、空間ノイジングとLTE-Uの固有のアンテナダイバーシティの間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 空間干渉ノイジングを用いたシステムレベルのシミュレーションにおいて、LTE-Uスループットは最大221%向上し、特に中程度のセル間隔距離で顕著である。
• 干渉の減少に伴い、チャネルアクセス遅延が低下し衝突が減少したことで、WiFiネットワークのスループットは最大44%向上した。
• 本スキームは、隠れノード干渉が最も深刻になる中程度のLTE-UとWiFiセル間隔のシナリオで最も効果的である。
• 空間ノイジングにより、ノイジング対象のWiFiノードを送信時間公平性計算の対象外にすることで、LTE-Uの待機時間の割合を増加可能となった。
• LBTの導入を回避することで、スループット効率を維持し、LTE-Uのスケジューリングの利点を損なわない。
• 性能向上は、LTEアンテナ数と近隣WiFiユーザーの密度に敏感であり、中程度の構成で最適な利得が得られた。