[论文解读] Modeling, Simulation and Fairness Analysis of Wi-Fi and Unlicensed LTE Coexistence

Morteza Mehrnoush, Rohan Patidar+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2018

Wireless Networks and Protocols参考文献 6被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新的分析模型和基于 ns-3 的仿真框架，用于研究 5 GHz 频段中 Wi-Fi 与采用固定占空比的免许可 LTE（LTE-DC）之间的共存问题。结果表明，在 50% 占空比条件下，与另一台相同的 Wi-Fi 网络共存相比，Wi-Fi 在与 LTE-DC 共存时吞吐量更高，尤其在 Wi-Fi 节点数量增加时更为明显。

ABSTRACT

Coexistence of small-cell LTE and Wi-Fi networks in unlicensed bands at $5$ GHz is a topic of active interest, primarily driven by industry groups affiliated with the two (cellular and Wi-Fi) segments. A notable alternative to the 3GPP Rel. 13 defined LTE-Licensed Assisted Access (LTE-LAA) mechanism for coexistence is the unlicensed LTE (LTE-U) Forum \cite{lteuforum} that prescribed Carrier Sense Adaptive Transmission (CSAT) whereby LTE utilizes the unlicensed band as a supplemental downlink unlicensed carrier (to enhance downlink data rate) to normal operation using licensed spectrum. In this work, we provide a new analytical model for performance analysis of unlicensed LTE with fixed duty cycling (LTE-DC) in coexistence with Wi-Fi. Further, the analytical results are cross-validated with ns-3 (www.nsnam.org) based simulation results using a newly developed coexistence stack. Thereafter, notions of {\em fair coexistence} are investigated that can be achieved by tuning the LTE duty cycle. The results show that as the number of Wi-Fi nodes increases, the Wi-Fi network in coexistence with LTE-DC with 0.5 duty cycling achieves a higher throughput than with an identical Wi-Fi network.

研究动机与目标

• 开发一种透明且经过分析验证的模型，用于评估在免许可 5 GHz 频段中，Wi-Fi 与 LTE-DC 共存时的吞吐量性能。
• 研究 Wi-Fi 与 LTE-DC 之间的共存公平性，重点关注接入公平性和吞吐量公平性指标。
• 评估在满缓冲条件和不同 Wi-Fi 节点数量下，LTE-DC 占空比对 Wi-Fi 性能的影响。
• 通过使用新实现的共存栈进行 ns-3 仿真，验证分析模型的准确性。
• 评估现有 LTE-U 论坛关于占空比的建议是否足以确保与 Wi-Fi 的公平共存。

提出的方法

• 在满缓冲条件下，基于载波侦听和退避行为，开发了 Wi-Fi 与 LTE-DC 共存时的吞吐量新分析模型。
• 制定了公平性度量指标：接入公平性（访问概率相等）和吞吐量公平性（Wi-Fi 实现其独立运行时吞吐量的一半）。
• 在 ns-3 中实现了共存栈，以仿真 LTE-DC 与 Wi-Fi 的交互，包括固定占空比和载波侦听机制。
• 通过在多种场景下对比分析模型预测结果与 ns-3 仿真结果，验证了分析模型的准确性。
• 使用 MATLAB 数值求解优化问题，以确定实现接入公平性和吞吐量公平性的最优 LTE-DC 占空比 α。
• 在三种不同场景下评估公平性，包括不同的信道条件（T_C = 10ms, 30ms）和 Wi-Fi 数据速率（6 Mbps, 54 Mbps），且固定数据包大小为 1500 字节。

实验结果

研究问题

• RQ1 在固定占空比条件下，与独立运行的 Wi-Fi 网络相比，与 LTE-DC 共存的 Wi-Fi 网络吞吐量如何？
• RQ2 何种 LTE-DC 占空比 α 可实现接入公平性（即共存 Wi-Fi 与独立运行 Wi-Fi 的访问概率相等）？
• RQ3 何种 LTE-DC 占空比 α 可实现吞吐量公平性（即 Wi-Fi 实现其独立运行时吞吐量的一半）？
• RQ4 Wi-Fi 节点数量如何影响实现公平性所需的 LTE-DC 占空比？
• RQ5 在现实条件下，LTE-U 论坛建议的占空比（α < 0.5）是否足以确保与 Wi-Fi 的公平共存？

主要发现

• Wi-Fi 与 LTE-DC 共存时的吞吐量分析模型与 ns-3 仿真结果高度一致，验证了其准确性。
• 对于接入公平性，最优的 LTE-DC 占空比 α 极高（接近 1），表明 Wi-Fi 所占无线时间与吞吐量极低，因此在资源使用方面 LTE-DC 明显不公平。
• 对于吞吐量公平性，随着 Wi-Fi 节点数量的增加，所需的 LTE-DC 占空比 α 也随之增加，意味着 LTE-DC 可在保持对 Wi-Fi 公平的前提下使用更多无线时间。
• 当 α = 0.5 时，Wi-Fi 网络在与 LTE-DC 共存时的吞吐量高于与另一台相同 Wi-Fi 网络共存时的吞吐量，尤其在 Wi-Fi 节点数量增加时更为显著。
• 当存在五个或更多 Wi-Fi 节点时，LTE-U 论坛建议的 α < 0.5 不足以实现公平共存，因为此时实现公平性所需的 α 超过 0.5。
• 与接入公平性相比，吞吐量公平性更有利，因为它允许 LTE-DC 更充分地利用频谱，而不会相对于其他 Wi-Fi 网络降低 Wi-Fi 性能。