[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种利用多天线LTE-基站实现空间共存间隙的协调共存方案，通过跨技术干扰零点技术在LTE-U与WiFi网络之间实现共存。通过将零点波束指向附近的WiFi节点，LTE-U在提升自身空口利用率的同时减少对WiFi的干扰，在仿真中使LTE-U吞吐量最高提升221%，WiFi吞吐量提升44%，尤其在中等小区间距下效果显著。

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.

研究动机与目标

• 为解决5 GHz非授权频段中LTE-U与WiFi之间严重的共存问题，其中LTE-U缺乏LBT机制导致频谱访问不公平。
• 克服现有非协调共存方案仅在时域或频域创建间隙的局限性，此类方案仅带来增量增益。
• 通过波束成形与干扰零点技术利用空间域灵活性，实现LTE-U与WiFi网络之间的协调协作。
• 通过允许LTE-U提高其时隙占空比并最小化对共址WiFi节点的有害干扰，提升频谱效率与公平性。
• 在中等小区间距场景下，尤其在隐性节点问题突出时，显著提升两者的性能表现。

提出的方法

• 配备均匀线性阵列（ULAs）的LTE-基站执行波束成形，将零点波束指向干扰范围内的共址WiFi节点。
• 系统通过空间干扰零点算法确定需要零点化的WiFi节点，该算法综合考虑信道状态信息与用户位置。
• 干扰零点技术在空间域创建‘共存间隙’，使LTE-U能在其激活周期内传输，而不会干扰附近的WiFi节点。
• 该方案使LTE-U能够通过将目标WiFi节点排除在公平性计算之外，提升其空口利用率。
• 该方法为协调式方案，需通过网络间通信交换WiFi节点位置与波束成形参数信息。
• 通过系统级仿真评估在不同条件下的性能表现，包括小区间距、LTE天线数量及WiFi用户数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过多天线LTE-基站实现空间干扰零点技术，是否能显著改善5 GHz非授权频段中LTE-U与WiFi的共存性能？
• RQ2 与现有时域和频域共存方案相比，空间域的协调干扰零点技术在吞吐量与延迟方面表现如何？
• RQ3 小区间距与天线数量对所提方案性能增益有何影响？
• RQ4 LTE-U能否通过空间零点技术在提升空口利用率的同时减少对共址WiFi节点的干扰？
• RQ5 在实际部署中，空间零点技术与LTE-U固有的分集增益之间存在何种权衡？

主要发现

• 在系统级仿真中，采用空间干扰零点技术后，LTE-U吞吐量增益最高可达221%，尤其在中等小区间距下表现突出。
• 由于信道接入延迟降低与冲突减少，WiFi网络吞吐量最高提升44%。
• 该方案在LTE-U与WiFi小区间距适中时最为有效，此时隐性节点干扰最为严重。
• 空间零点技术使LTE-U能够通过将目标WiFi节点排除在空口公平性计算之外，提高其时隙占空比。
• 该方案通过避免LTE-U采用LBT，维持了其调度优势，从而保持了较高的频谱效率。
• 性能增益对LTE天线数量与附近WiFi用户密度敏感，在中等配置下可获得最优增益。