在多数字场景中，对IEEE 802.11与NR-U共存情况的建模与分析

《Computer Networks》：Modeling and analysis of the coexistence of IEEE 802.11 and NR-U in multinumerology scenarios

5G NR-U与Wi-Fi共存机制研究中提出多Numerology场景下LBT数学模型，分析不同槽时长对信道公平性影响，发现通过调整竞争窗口可将公平性从0.6提升至0.9，采用最小槽技术进一步优化至0.97。同时验证Wi-Fi节点在共存中保持更高吞吐量特性。

　　

Akbar Basha K·M· | Anand M. Baswade

印度理工学院计算机科学与工程系，比莱，印度

摘要

5G新无线电非授权（NR-U）是最新的非授权蜂窝技术版本，可以与Wi-Fi共存。与4G不同，5G支持多种时隙长度（即不同的符号率），以提供5G所支持的各种用例。本文提出了一个数学模型，用于描述在不同时隙长度下运行的Wi-Fi和NR-U节点的共存情况，其中NR-U节点遵循基于间隙的信道接入机制。现有的基于间隙的授权辅助接入（LAA）eNodeB（eNB）的LBT（监听- bevor-传输）程序的数学模型被扩展到基于间隙的NR-U gNodeB（gNB）的LBT程序，考虑了不同时隙长度在各种场景下的影响。此外，我们推导出了一个分析模型来评估Wi-Fi/NR-U系统的吞吐量和公平性。分析显示，在多符号率场景中存在不公平现象，即具有较长时隙长度的NR-U节点的传输概率较低。通过增加共存节点的竞争窗口大小，可以将系统公平性从0.6提高到0.9。值得注意的是，无论NR-U的符号率如何，Wi-Fi节点在与NR-U共存时始终能够实现更高的吞吐量。而在NR-U节点中使用迷你时隙（minislots）后，公平性进一步提高到了0.97。

引言

随着对移动数据需求的增加，蜂窝网络经历了多代技术的演进。目前正在广泛部署的第五代（5G）将蜂窝通信扩展到了毫米波频段，以满足不断增长的数据需求。自长期演进（LTE）以来，人们一直在努力利用非授权频谱来扩大运营容量。使用非授权频谱为蜂窝运营商带来了经济优势，因为它允许将数据流量从授权频谱中转移出来。然而，IEEE 802.11（通常称为Wi-Fi）早已在这些频段中运行。因此，蜂窝对非授权频谱的接入必须确保不会降低Wi-Fi的性能，这促使人们开展了大量关于Wi-Fi与蜂窝共存机制的研究。

5G NR-U作为5G的非授权版本，将5G的通信能力扩展到了非授权频段，并提供了与授权频段相同的服务，例如大规模机器类型通信（mMTC）、增强型移动宽带（eMBB）和超可靠低延迟通信（URLLC）。不同的符号率（不同的子载波间隔）有助于5G支持这些多样化的用例[1]。

不同的子载波间隔及其对应的符号率在表1中给出。这些符号率适用于称为频率范围1（FR1）和频率范围2（FR2）的特定频率范围。FR1包括410 MHz至7125 MHz之间的频段[2]，其中适用符号率0-2。FR2进一步划分为FR2-1（24250 MHz – 52600 MHz）和FR2-2（52600 MHz – 71000 MHz），FR2-2适用于符号率2-6。

非授权频谱主要分布在2.4 GHz、5 GHz和60 GHz。由于2.4 GHz频段的拥挤，提供超过400 MHz频谱的5 GHz频段已成为6 GHz以下非授权操作的主要焦点。最近，美国和欧洲也开放了6 GHz频段供无需许可的使用[4]。预计最新一代的Wi-Fi（Wi-Fi 6）和蜂窝技术（NR-U）将在这些频段中共存。

尽管多种无线接入技术（RATs）共享相同的频谱，但它们的信道接入机制不同。在NR-U和Wi-Fi之间缺乏协调的情况下，确保公平共存成为一个关键的研究挑战。与它的前身授权辅助接入（LAA）类似，NR-U采用了监听- bevor-传输（LBT）机制，而Wi-Fi则使用带有碰撞避免（CSMA/CA）的载波感知多址接入（CSMA/CA）机制。

在CSMA/CA中，节点在开始传输之前会先感知信道。如果信道繁忙，节点会延迟传输并在随机退避期后重试。当信道空闲时，节点会等待一个随机退避时间后立即传输。NR-U也采用类似的方法；然而，在完成随机退避期后，NR-U节点必须等待下一个时隙边界才能传输。退避期结束到下一个时隙边界之间的时间称为间隙时间。在这段时间内，NR-U节点可以选择发送保留信号（RS）来占用信道，或者保持空闲状态直到下一个时隙边界。第一种方法称为基于RS的信道接入[5]，[6]，但它存在一些缺点，例如信道浪费[7]。相比之下，第二种方法称为基于间隙的信道接入。在这项工作中，我们将重点讨论基于间隙的信道接入。

与LAA节点不同，eNB可以具有单一的符号率，而NR-U gNB可以遵循不同的符号率，从而在NR-U节点之间引入多符号率共存，正如我们在之前的工作中所展示的[8]，我们通过模拟研究证明了基于间隙的信道接入下NR-U节点多符号率共存时的公平性问题。如果时隙长度较短，时隙边界出现的频率会更高；因此，间隙时间会较短，节点赢得信道的概率也会更高。

大多数关于Wi-Fi-NR-U共存的研究只考虑了NR-U的单一符号率；据我们所知，这是第一项考虑多符号率NR-U节点的建模工作。本文的主要贡献总结如下：

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  我们研究了多符号率场景下NR-U和Wi-Fi的共存建模。
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  我们提出了一个数学模型，用于描述在不同符号率下运行的Wi-Fi和NR-U节点的共存情况。利用该模型，我们推导出了一个分析模型，通过考虑所有可能的传输和碰撞情况来计算Wi-Fi和NR-U节点之间的信道共享公平性。
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  我们通过模拟结果验证了我们的分析模型。
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  此外，我们对各种共存场景进行了性能分析，并研究了不同符号率对共存性能的影响。
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  我们对不同竞争窗口设置和迷你时隙下的每种类型的吞吐量进行了公平性分析。

本文的其余部分安排如下。第二节回顾了相关工作。第三节介绍了系统模型和NR-U的LBT（监听- bevor-传输）程序。第四节给出了类别4 LBT程序的模型，随后是Wi-Fi DCF（动态频道分配）程序的模型。第五节我们推导了用于分析的性能模型。第六节我们对各种共存场景进行了性能分析，并研究了符号率对共存性能的影响。第七节给出了本文的全面结论。

相关文献摘录

相关工作

多项研究探讨了涉及Wi-Fi、LAA和NR-U的共存场景，其中大多数研究集中在Wi-Fi和LAA上，而NR-U受到的关注相对较少。在[9]中讨论了无线网络中的公平性问题，并识别和分析了不同类型的公平性问题。[10]和[11]中的工作研究了Wi-Fi-LAA共存场景中的公平性。在[10]中，使用马尔可夫模型评估了Wi-Fi和LTE-LAA之间的比例公平性。

系统模型和NR-U LBT程序

在这项工作中，我们考虑了Wi-Fi和NR-U节点之间的多技术、多符号率共存情况，其中Wi-Fi和多符号率蜂窝节点在FR1频段内竞争信道接入。NR-U节点可以遵循FR1中的符号率0、1或2[8]，如图1所示，我们考虑了Wi-Fi和NR-U节点在下行数据传输中的共存情况。需要注意的是，系统中的NR-U节点不需要遵循所有符号率；这些符号率可以有所不同

NR-U LBT程序

具有相同符号率的节点之间的转换概率是相似的，并且随着符号率的变化而变化，因为时隙长度也会改变。在这里，我们扩展了[26]中给出的模型以适应多符号率场景，其中间隙期被视为包含σ个感知时隙。如果T_slot是NR-U节点的时隙长度，σ是时隙间隔，则

归一化吞吐量

归一化吞吐量定义为单位时间内节点成功传输的比特数。在这里，我们通过改变模拟和分析中的节点数量来比较和分析了共存Wi-Fi AP和NR-U gNB的吞吐量性能。吞吐量分析考虑了以下情况：

数值结果

使用所提出的数学模型，在各种场景下研究了Wi-Fi和NR-U的性能。通过模拟结果，我们验证了为Wi-Fi和多符号率NR-U系统设计的分析模型，详见第6.1节。第6.2节详细介绍了用于性能分析的参数。我们根据不同的共存场景对Wi-Fi和NR-U多符号率系统进行了性能分析。

结论

本文研究了基于间隙接入的NR-U节点与Wi-Fi节点在多符号率场景下的共存建模。考虑到GAP周期的影响，我们提出了一个扩展的2-D马尔可夫模型，用于描述NR-U和Wi-Fi系统多符号率共存中的LBT程序。此外，我们还推导了用于评估这种共存系统性能的模型，重点关注吞吐量和公平性。然后，我们使用

CRediT作者贡献声明

Akbar Basha K·M·：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，概念化。Anand M. Baswade：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。

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