[论文解读] NR-U and WiGig Coexistence in 60 GHz Bands

Natale Patriciello, Sanjay Goyal+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用 11

一句话总结

本论文提出了一款用于 60 GHz 非授权频段中 3GPP NR-U 与 IEEE 802.11ad（WiGig）共存研究的开源 ns-3 模拟器扩展。该研究评估了 Listen-Before-Talk（LBT）和基于占空比的信道接入机制，结果表明，采用 LBT 或占空比机制的 NR-U 对 WiGig 的吞吐量和时延均无负面影响，证明在毫米波非授权频谱中实现公平共存是可行的。

ABSTRACT

In December 2019, the 3GPP defined the road-map for Release-17, which includes new features on the operation of New Radio (NR) in millimeter-wave bands with highly directional communications systems, i.e., up to 52.6 GHz. In this paper, a system-level simulation based study on the coexistence of NR-based access to unlicensed spectrum (NR-U) and an IEEE technology, i.e., 802.11ad Wireless Gigabit (WiGig), at 60 GHz bands is conducted. For NR-U, an extension of NR Release-15 based model is used such that the 60 GHz regulatory requirements are satisfied. First, the design and capabilities of the developed open source ns-3 based simulator are presented and then end-to-end performance results of coexistence with different channel access mechanisms for NR-U in a 3GPP indoor scenario are discussed. It is shown that NR-U with Listen-Before-Talk channel access mechanism does not have any adverse impact on WiGig performance in terms of throughput and latency, which demonstrates that NR-U design fulfills the fairness coexistence objective, i.e., NR-U and WiGig coexistence is proven to be feasible.

研究动机与目标

• 实现对 60 GHz 频段中 NR-U 与 WiGig 共存的可复现、高保真度系统级模拟。
• 评估不同 NR-U 信道接入机制（LBT、占空比和始终开启）对 WiGig 性能指标（如吞吐量、时延和信道占用率）的影响。
• 验证 NR-U 设计在毫米波非授权频谱中，特别是在具有方向性波束成形的室内场景下，是否满足公平共存目标。
• 扩展开源 ns-3 模拟器，提供完整的端到端 NR-U 和 WiGig 模型，包括 60 GHz 频段的法规合规性支持。
• 为未来在非授权毫米波频段中多无线接入技术（RAT）共存的研究提供公开可用的模拟框架。

提出的方法

• 扩展了基于 3GPP Release-15 的现有 ns-3 模型，以支持 NR-U 在 60 GHz 频段的法规要求。
• 集成了高保真、全栈的 3GPP NR-U 和 IEEE 802.11ad（WiGig）模型，包括方向性波束成形和毫米波传播模型。
• 实现了三种 NR-U 信道接入机制：Listen-Before-Talk（LBT）、基于占空比的接入（受 LTE-U 启发）以及始终开启（不间断）的基准方案。
• 在包含多个用户、多条数据流以及混合 NR-U 和 WiGig 节点的 3GPP 室内场景中，执行了端到端系统级模拟。
• 采用具有方向性传输和波束成形的三维真实信道模型，以反映毫米波传播特性。
• 测量了关键性能指标：信道占用率、端到端时延以及 NR-U 和 WiGig 设备的吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 60 GHz 频段中，采用 Listen-Before-Talk（LBT）信道接入的 NR-U 是否会对 WiGig 的吞吐量和时延性能产生负面影响？
• RQ2 与 LBT 相比，基于占空比的 NR-U 接入机制在与 WiGig 共存时的公平性和性能表现如何？
• RQ3 在相同 60 GHz 频谱中，始终开启、不间断的 NR-U 传输对 WiGig 节点的性能影响如何？
• RQ4 方向性波束成形和毫米波传播特性在多大程度上提升了 NR-U 与 WiGig 之间的共存公平性？
• RQ5 开源模拟工具在多无线接入技术（RAT）共存于非授权毫米波频段的研究中，是否能够实现可复现和协作式研究？

主要发现

• 采用 LBT 信道接入的 NR-U 对 WiGig 吞吐量或时延均无负面影响，表明在 60 GHz 频段中 NR-U 与 WiGig 可实现公平共存。
• 在所有 NR-U 配置下，WiGig 设备的中位吞吐量均接近最大可实现速率，仅在始终开启的 NR-U 情况下，由于信道竞争导致性能下降。
• 与共存于其他 WiGig 设备时相比，WiGig 设备在与 NR-U 共存时经历的退避时间更短，表明 NR-U 是更优的共存邻居。
• 采用 LBT 或占空比接入时，NR-U 设备的端到端时延标准差显著降低，这是由于波束成形和 HARQ 合并带来的优势；而 WiGig 由于非方向性接收和 ACK 丢失，时延方差更高。
• 始终开启的 NR-U 配置严重损害了 WiGig 性能，部分 STAs 因持续的信道竞争而无法关联，证实不间断传输对 WiGig 不公平。
• 具体的 LBT 类别（例如仅 gNB 执行 LBT 与 gNB 和 UE 均执行 LBT）对公平性影响极小，因为方向性与毫米波传播特性主导了共存行为。