[논문 리뷰] Coexistence Gaps in Space: Cross-Technology Interference-Nulling for Improving LTE-U/WiFi Coexistence

Suzan Bayhan, Anatolij Zubow외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 22.

Wireless Networks and Protocols인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 LTE-기지국을 활용하여 교차 기술 간 간섭을 제거함으로써 공간적 공존 간극을 생성함으로써 LTE-U와 WiFi 네트워크 간의 조율된 공존 기법을 제안한다. 근접한 WiFi 노드 쪽으로 음영을 향해 조절함으로써 LTE-U는 공중 시간 활용도를 높이면서 간섭을 줄일 수 있으며, 시뮬레이션 결과에서 LTE-U의 전송률은 최대 221% 향상되고 WiFi의 전송률은 44% 향상되며, 특히 중간 수준의 세포 간 거리에서 유리하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 5GHz 비허가 대역에서 LTE-U와 WiFi 간 심각한 공존 문제를 해결하기 위해, LTE-U가 LBT를 갖추지 않아 스펙트럼 접근이 불공평해지는 문제를 해결한다.
• 기존의 비협조적 공존 기법이 시간 또는 주파수 영역에서만 간극을 만드는 데 그쳐 임계적인 성능 향상만을 제공하는 한계를 극복한다.
• 빔포밍과 간섭 음영화를 통해 공간 도메인의 유연성을 활용하여 LTE-U와 WiFi 네트워크 간의 조율된 협업을 가능하게 한다.
• LTE-U가 공정성 고려 대상에서 제외된 WiFi 노드를 배제함으로써 공중 시간의 사용률을 높이고 인접한 WiFi 노드에 대한 해로운 간섭을 최소화함으로써 스펙트럼 효율성과 공정성을 향상시킨다.
• 특히 은닉 노드 문제 발생이 빈번한 중간 수준의 세포 간 거리가 있는 환경에서 두 네트워크의 성능 향상이 두드러지게 나타나도록 한다.

제안 방법

• 균일 선형 어레이(ULAs)를 장착한 LTE-기지국이 간섭 범위 내의 공존하는 WiFi 노드 쪽으로 음영을 향해 빔포밍을 수행한다.
• 채널 상태 정보와 사용자 위치를 고려하여 어떤 WiFi 노드를 음영화할지 계산하는 공간 간섭 음영화 알고리즘을 사용한다.
• 간섭 음영화는 공간 도메인에서 '공존 간극'을 생성하여, LTE-U가 ON 상태일 때 근접한 WiFi를 방해하지 않고 전송할 수 있도록 한다.
• 이 기법은 null 타겟으로 지정된 WiFi 노드를 공정성 고려 대상에서 제외함으로써 LTE-U의 공중 시간 활용도를 높일 수 있도록 한다.
• 이 접근법은 조율된 방식이며, WiFi 노드 위치와 빔포밍 파rameter 정보를 교환하기 위해 네트워크 간 통신이 필요하다.
• 시스템 수준의 시뮬레이션을 통해 세포 간 거리, LTE 안테나 수, WiFi 사용자 수 등 다양한 조건에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 안테나 LTE-기지국을 활용한 공간 간섭 음영화가 5GHz 비허가 대역에서 LTE-U와 WiFi 간의 공존을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 시간 및 주파수 도메인 공존 기법과 비교해 공간에서의 조율된 간섭 음영화는 전송률과 지연 측면에서 어떤가?
• RQ3 세포 간 거리와 안테나 수가 제안된 기법의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공간 음영화를 통해 LTE-U는 공존하는 WiFi 노드에 간섭을 줄이며 동시에 공중 시간 활용도를 높일 수 있는가?
• RQ5 실제 구현 환경에서 공간 음영화와 LTE-U의 고유한 안테나 다이버시티 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 시스템 수준의 시뮬레이션에서 공간 간섭 음영화를 적용한 결과, 특히 중간 수준의 세포 간 거리에서 LTE-U의 전송률 향상이 최대 221%에 이를 수 있다.
• 채널 접근 지연 감소와 충돌 감소로 인해 WiFi 네트워크의 전송률이 최대 44% 향상된다.
• 이 제안된 기법은 은닉 노드 간섭이 가장 심각한 중간 수준의 LTE-U와 WiFi 세포 간 거리가 있는 환경에서 가장 효과적이다.
• 공간 음영화를 통해 LTE-U는 공중 시간 공정성 계산에서 음영 대상이 된 WiFi 노드를 배제함으로써 자기의 도움 주기(duty cycle)를 늘릴 수 있다.
• LBT 도입이 필요 없어 스펙트럼 효율성이 유지되며, LTE-U의 스케줄링 이점을 보존함으로써 높은 스펙트럼 효율성을 유지한다.
• 성능 향상 정도는 LTE 안테나 수와 근접한 WiFi 사용자 밀도에 민감하며, 중간 수준의 구성에서 최적의 성능 향상이 관찰된다.