文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.026
中文引用格式: 趙思聰,黃磊,申濱. 基于多時(shí)隙融合的LTE-U空閑信道評(píng)估算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(2):107-111.
英文引用格式: Zhao Sicong,Huang Lei,Shen Bin. Multi-slot fusion based clear channel assessment algorithms for LTE-U systems[J].Application of Electronic Technique,2017,43(2):107-111.
0 引言
LTE-U(LTE in unlicensed spectrum)技術(shù)能夠讓運(yùn)營(yíng)商將其LTE系統(tǒng)部署于非授權(quán)頻段,利用LTE的技術(shù)優(yōu)勢(shì),提高非授權(quán)頻段的頻譜效率并緩解授權(quán)頻段的通信壓力[1]。
目前關(guān)于LTE-U的研究主要集中在如何讓LTE-U與WiFi在同頻段和諧共存?,F(xiàn)有基于公平性考慮的方案是讓LTE-U采用先聽后說(shuō)(Listen Before Talk,LBT)信道接入機(jī)制[2],即LTE-U設(shè)備在接入信道前先進(jìn)行空閑信道評(píng)估(Clear Channel Assessment,CCA),若在CCA過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)WiFi信號(hào),即視信道空閑,方可占用信道并傳輸數(shù)據(jù),否則將繼續(xù)感知等待。文獻(xiàn)[3]提出了一種依據(jù)目標(biāo)信道上WiFi系統(tǒng)流量大小而自動(dòng)調(diào)整傳輸時(shí)長(zhǎng)的自適應(yīng)LBT機(jī)制,配合空閑信道搜索及跳轉(zhuǎn)算法,實(shí)現(xiàn)了LTE-U與WiFi在非授權(quán)頻段的良好共存。文獻(xiàn)[4]為L(zhǎng)TE-U的不同應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了同步和異步兩種LBT機(jī)制,同時(shí)通過(guò)引入競(jìng)爭(zhēng)窗和隨機(jī)退避算法降低了數(shù)據(jù)包的碰撞概率。文獻(xiàn)[5]通過(guò)研究自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗提出了一種增強(qiáng)的LBT機(jī)制,使得LTE-U與WiFi公平共存的同時(shí)又有效減小了傳輸時(shí)延,保證了服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)空閑周期提出了一種更加公平高效的LBT機(jī)制,提高了共存系統(tǒng)的整體吞吐量并保證了接入的公平性。
本文基于LBT框架提出了一種多時(shí)隙CCA(Multi-Slot CCA,MSCCA)方案,從CCA的角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);基于多時(shí)隙的結(jié)構(gòu),本文分別從軟數(shù)據(jù)融合(Soft Data Fusion,SDF)和硬判決融合(Hard Decision Fusion,HDF)對(duì)MSCCA進(jìn)行進(jìn)一步研究;提出了4種數(shù)據(jù)融合算法,同時(shí)將判決復(fù)雜度更低的HDF引入到此結(jié)構(gòu),并得出多時(shí)隙最優(yōu)HDF準(zhǔn)則。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提方案和算法可使CCA變得更加靈活,且對(duì)信道狀態(tài)的判定更加準(zhǔn)確,進(jìn)而提升LTE-U與WiFi同信道共存的效率。
1 系統(tǒng)模型
WiFi(802.11a)采用OFDM調(diào)制,支持多種信道帶寬。OFDM符號(hào)可表示為X(0),X(1),…,X(Nt-1),經(jīng)串并變換和IFFT后,第n個(gè)子載波上的時(shí)域基帶信號(hào)為:
其中n=0,1,…,Nt-1,Nt是子載波個(gè)數(shù),也是IFFT的長(zhǎng)度。添加長(zhǎng)度為Nc(Nc<Nt/4)的循環(huán)前綴后,第m個(gè)OFDM符號(hào)表示為:
其中H為Nt+Nc階信道傳輸函數(shù)矩陣,H0、H1分別表示目標(biāo)信道上WiFi OFDM信號(hào)不存在和存在的兩種檢驗(yàn)假設(shè)。
2 CCA方法
2.1 基于ED的CCA
LBT下的CCA采用的是單節(jié)點(diǎn)ED。CCA周期內(nèi)在時(shí)域上的采樣信號(hào)可表示為(設(shè)采樣數(shù)為N):
根據(jù)協(xié)議,CCA時(shí)長(zhǎng)不少于20 μs[2],WiFi OFDM符號(hào)周期為4 μs[7],在圖1所示的采樣情形1下,20 μs可得到5個(gè)OFDM符號(hào)的信息。當(dāng)數(shù)據(jù)包與采樣周期完全對(duì)齊或錯(cuò)開時(shí),ED-CCA可相對(duì)較好地判斷信道狀態(tài)。而在實(shí)際中,由于WiFi數(shù)據(jù)包長(zhǎng)的不確定和LTE-U設(shè)備請(qǐng)求接入信道時(shí)間點(diǎn)與WiFi時(shí)序異步,使得實(shí)際采樣會(huì)發(fā)生不完全對(duì)齊的情況(如圖1情形2所示)。當(dāng)發(fā)生前向不完全對(duì)齊時(shí),少量WiFi信號(hào)出現(xiàn)在CCA后半段,噪聲部分稀釋了包含信號(hào)的部分,發(fā)生漏檢的概率增大。而后向不完全對(duì)齊時(shí),有較多信號(hào)出現(xiàn)在CCA周期的前半段,信號(hào)部分抬高了噪聲部分的等效功率,導(dǎo)致不能按需將信道狀態(tài)判為空閑,使得設(shè)備需等待至下一個(gè)周期再進(jìn)行接入嘗試,造成頻譜資源的浪費(fèi)。此外CCA結(jié)構(gòu)十分固定,只能通過(guò)設(shè)置采樣時(shí)長(zhǎng)來(lái)適應(yīng)共存環(huán)境,不能根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求靈活地應(yīng)用其他評(píng)估算法。
2.2 多時(shí)隙CCA
針對(duì)2.1節(jié)中描述的問(wèn)題,本文提出了如圖2所示的MSCCA方案,將CCA周期劃分為多個(gè)時(shí)隙。利用接收信號(hào)的特征值等信息對(duì)不同時(shí)隙的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,增加整體判決準(zhǔn)確性。另外從數(shù)據(jù)處理的角度考慮,可將判決復(fù)雜度更低的HDF應(yīng)用于此結(jié)構(gòu),即每個(gè)時(shí)隙單獨(dú)作出判決,然后將各時(shí)隙的判決結(jié)果進(jìn)行融合,作出最終判決。相比傳統(tǒng)CCA,MSCCA的結(jié)構(gòu)使得其在融合方式的選用上更加靈活多變,配合優(yōu)良的融合算法可帶來(lái)更好的判決性能。
2.2.1 MSCCA-SDF
MSCCA-SDF指將各時(shí)隙的接收數(shù)據(jù)按一定的方法融合,利用融合數(shù)據(jù)做最終判決。設(shè)MSCCA的時(shí)隙數(shù)為S,故根據(jù)式(4)可得每個(gè)時(shí)隙內(nèi)的采樣數(shù)為N′=N/S,第i個(gè)時(shí)隙內(nèi)的采樣信號(hào)可表示為:
(1)最優(yōu)主分量分析:首先考慮采用最優(yōu)主分量分析法(Optimal Principal Component Analysis,OPCA)找出接收信號(hào)的最優(yōu)主分量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。即選出可使得接收信號(hào)信噪比最大的S行矩陣Ω來(lái)合并接收信號(hào):z(n)=ΩTy(n),n=0,1,…,N′-1。然后利用z(n)生成檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量:
式中||·||2為向量二范數(shù),由文獻(xiàn)[8]的推導(dǎo)可得最優(yōu)合并矩陣Ω為Rx最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量v1的元素組成的對(duì)角矩陣,即:Ω=diag(v1)。
(2)盲主分量分析:由于OPCA需預(yù)知WiFi信號(hào)的先驗(yàn)信息,這在實(shí)際環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)??紤]到WiFi信號(hào)的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣Rx和LTE-U設(shè)備采樣信號(hào)的統(tǒng)計(jì)協(xié)方差矩陣Ry滿足如下關(guān)系:
Ry與Rx有著相同的特征向量,故采用一種通過(guò)接收信號(hào)樣本來(lái)估計(jì)特征向量的盲主分量分析法(Blind Principal Component Analysis,BPCA),利用估計(jì)的特征向量來(lái)融合接收數(shù)據(jù)。BPCA步驟如下:
④與門限值進(jìn)行比對(duì)判決。
(3)特征值比值檢測(cè):令λmax和λmin表示Ry的最大和最小特征值,βmax和βmin表示Rx的最大和最小特征值,根據(jù)式(13)可知特征值之間存在如下關(guān)系:
③利用特征值的比值生成全局檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量:
④與門限值進(jìn)行比對(duì)判決。
(4)特征值加權(quán)合并:利用接收信號(hào)協(xié)方差矩陣的特征值對(duì)所有時(shí)隙進(jìn)行不均等加權(quán)(Eigenvalue Weighting Combining,EWC),重新分配各時(shí)隙所占比重,可增加不完全對(duì)齊時(shí)的判決性能,EWC算法具體步驟如下:
④與門限值進(jìn)行比對(duì)判決。
當(dāng)采樣為前向不完全對(duì)齊時(shí),EWC予以后數(shù)個(gè)時(shí)隙更高的權(quán)重,使得接收信號(hào)中的WiFi信號(hào)分量得到放大和增強(qiáng),從而降低漏檢概率。當(dāng)采樣為后向不完全對(duì)齊時(shí),EWC使得接收信號(hào)中的噪聲分量得到放大和增強(qiáng),從而可降低虛警概率。
2.2.2 MSCCA-HDF
SDF因處理數(shù)據(jù)量較大且算法復(fù)雜度較高將帶來(lái)較大的系統(tǒng)開銷和判決時(shí)延。相比之下,HDF算法復(fù)雜度低且MSCCA結(jié)構(gòu)下單個(gè)時(shí)隙處理的數(shù)據(jù)量較少,可一定程度上克服SDF存在的問(wèn)題。此外HDF更方便于理論推導(dǎo)以適應(yīng)不同的CCA場(chǎng)景。
MSCCA采用HDF時(shí),每個(gè)時(shí)隙單獨(dú)作出二元判決,然后將各時(shí)隙的判決結(jié)果用下式的方式融合:
根據(jù)式(18)得出信道是否被占用的結(jié)論。顯然,當(dāng)K=1時(shí)相當(dāng)于OR準(zhǔn)則,當(dāng)K=S時(shí)相當(dāng)于AND準(zhǔn)則。若S個(gè)時(shí)隙均收到WiFi信號(hào),且二元判決使用相同的ED閾值ξ,將每個(gè)時(shí)隙的平均虛警率表示為Pf,平均檢測(cè)概率表示為Pd,令漏檢概率Pm=1-Pd。因此MSCCA硬判決的虛警概率為:
那么存在一個(gè)最優(yōu)融合準(zhǔn)則使得Qf+Qm(總錯(cuò)誤率)最小。根據(jù)推導(dǎo)可得出結(jié)論:當(dāng)S個(gè)時(shí)隙均存在數(shù)據(jù)且已知瞬時(shí)信噪比,最優(yōu)融合準(zhǔn)則是使得Qf+Qm最小的K,且K的取值如下:
通常情況下Pf和Pm同階,也就是α≈1,即最優(yōu)K取接收到WiFi數(shù)據(jù)的時(shí)隙數(shù)的一半(S/2)。當(dāng)α≥K-1時(shí),OR準(zhǔn)則是最優(yōu)融合準(zhǔn)則。當(dāng)α→1,即Pm<<Pf時(shí),AND準(zhǔn)則是最優(yōu)融合準(zhǔn)則。
多時(shí)隙HDF的算法復(fù)雜度較低,可降低系統(tǒng)開銷和判決時(shí)延。此外HDF還可根據(jù)需要靈活地選用融合準(zhǔn)則,如需最大化保護(hù)WiFi用戶免受LTE-U用戶因漏檢而造成的干擾時(shí),可采用OR準(zhǔn)則;如需追求頻譜資源利用率的最大化,可采用AND準(zhǔn)則。
3 仿真與分析
3.1 參數(shù)設(shè)置
設(shè)定CCA時(shí)長(zhǎng)為20 μs,時(shí)隙數(shù)S為5。將WiFi數(shù)據(jù)發(fā)送端部分參數(shù)及值列至表1。
首先采用恒定虛警率(設(shè)置為0.1)的仿真考察各算法在不同對(duì)齊狀態(tài)下對(duì)信道狀態(tài)的判斷能力,算法性能指標(biāo)有檢測(cè)概率和準(zhǔn)確率。隨后考察LTE-U與WiFi同信道共存狀態(tài)下,采用不同算法的LTE-U設(shè)備接入信道時(shí)與WiFi發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞的概率。
3.2 MSCCA軟數(shù)據(jù)融合
(1)仿真1:考察前向不完全對(duì)齊(LTE-U設(shè)備需檢測(cè)到WiFi數(shù)據(jù)存在)時(shí),采樣周期與WiFi數(shù)據(jù)包在多種對(duì)齊狀態(tài)下,各算法對(duì)信道狀態(tài)的判斷能力。
從圖3可看出,OPCA由于預(yù)知WiFi信號(hào)的相關(guān)信息,檢測(cè)性能較優(yōu)。當(dāng)采樣周期內(nèi)包含較少WiFi數(shù)據(jù)(對(duì)齊20%)時(shí),BPCA與EWC均擴(kuò)大了WiFi信號(hào)的比重,從而有著較好的檢測(cè)能力。采樣周期內(nèi)包含較多WiFi數(shù)據(jù)時(shí),EWC和ED-CCA的檢測(cè)性能較好。因此EWC在各情況下均有著不錯(cuò)的性能。
(2)仿真2:考察后向不完全對(duì)齊時(shí)(需將信道狀態(tài)判定為忙),各算法對(duì)信道狀態(tài)的判斷能力。
從圖4可以看出,在采樣周期內(nèi)包含較少WiFi數(shù)據(jù)(即對(duì)齊20%)時(shí),EWC有效擴(kuò)大了的噪聲功率比重,可教準(zhǔn)確地判斷信道狀態(tài)。ER在此有著不錯(cuò)的性能,但從圖3可看出,其檢測(cè)性能較弱。OPCA對(duì)WiFi信號(hào)十分敏感,在此不能按需將信道判為閑。需說(shuō)明的是,圖中的準(zhǔn)確率是指后向不完全對(duì)齊時(shí),需要將信道狀態(tài)準(zhǔn)確判為空閑的概率。隨著信噪比的增大,感知周期內(nèi)的WiFi信號(hào)功率會(huì)隨之增大,進(jìn)而使得各算法將信道判為空閑的概率降低。
綜上,由于EWC予以后數(shù)個(gè)時(shí)隙更高權(quán)重,使得其在不完全對(duì)齊時(shí)對(duì)信道狀態(tài)的判定都較為準(zhǔn)確,而完全對(duì)齊狀態(tài)下也有著不錯(cuò)的性能。因此EWC算法適用于采樣周期與數(shù)據(jù)包經(jīng)常發(fā)生不完全對(duì)齊的情況。OPCA需要先驗(yàn)信息,實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。BPCA在前向不完全對(duì)齊且采樣周期內(nèi)包含較少WiFi數(shù)據(jù)時(shí)有不錯(cuò)的性能,但在后向不完全對(duì)齊時(shí)判決性能欠佳。ER在前向不完全對(duì)齊時(shí)的判決性能較差,現(xiàn)實(shí)使用中難以達(dá)到性能要求。
3.3 共存碰撞概率
下面考察LTE-U與WiFi同信道共存時(shí),WiFi業(yè)務(wù)量處于高、中、低3種狀態(tài)下,LTE-U分別采用ED-CCA和基于多時(shí)隙的融合檢測(cè)算法隨機(jī)接入到信道時(shí)與WiFi發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞的概率大小。
從圖5可看出,當(dāng)WiFi信號(hào)多為長(zhǎng)數(shù)據(jù)包時(shí)(即采樣周期與數(shù)據(jù)包發(fā)生不完全對(duì)齊的情況較少),基于多時(shí)隙的EWC與ED-CCA的性能十分接近,BPCA相對(duì)較弱。而當(dāng)WiFi信號(hào)為連續(xù)短數(shù)據(jù)包時(shí)(即發(fā)生不完全對(duì)齊的概率增大時(shí)),EWC對(duì)信道狀態(tài)的判斷力相對(duì)ED-CCA提升較為明顯(如圖6所示),有效降低了數(shù)據(jù)包碰撞的概率。
4 總結(jié)
本文針對(duì)傳統(tǒng)CCA在不完全對(duì)齊狀態(tài)下對(duì)信道狀態(tài)的判斷不夠準(zhǔn)確且結(jié)構(gòu)過(guò)于單一的問(wèn)題提出了MSCCA結(jié)構(gòu)。結(jié)合提出的數(shù)據(jù)融合算法改善了不完全對(duì)齊狀態(tài)下的信道狀態(tài)評(píng)估能力,此外引入了有著更低計(jì)算復(fù)雜度和更低系統(tǒng)開銷的HDF算法, HDF可根據(jù)系統(tǒng)需要快速選用相應(yīng)的融合準(zhǔn)則而提高信道狀態(tài)評(píng)估的靈活性。后續(xù)研究可根據(jù)接收數(shù)據(jù)的信息自適應(yīng)地劃分時(shí)隙,另外,不完全對(duì)齊狀態(tài)下的自適應(yīng)最優(yōu)HDF準(zhǔn)則研究也值得深入探討。
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作者信息:
趙思聰,黃 磊,申 濱
(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)