一种面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络载波选择方法技术

本发明专利技术公开了一种面向公平性的非授权频段NR‑U与WiFi共存网络载波选择方法，包括如下步骤：(1)获取共存网络用户数目；(2)面向公平性调节NR‑U与WiFi系统的信道占用时间；(3)为新到达共存网络的新用户选择最合适的载波。本发明专利技术有效保障了非授权频段NR‑U与WiFi共存的公平性，同时考虑信道质量和负载强度的差异性，为新用户选择最合适的载波，有效地提升了共存系统的吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络载波选择方法
本专利技术涉及移动通信中NR-U系统与WiFi系统在非授权频段共存的领域，具体涉及一种面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络载波选择方法。
技术介绍
随着移动终端的普及和移动应用的多样化，网络中的数据流量呈指数增长，需要更宽的带宽来提高蜂窝系统容量，人们对频谱的需求与日俱增。然而，授权频段的资源日益匮乏且开发新的授权频段成本昂贵。由于非授权频段有大量可用的频谱资源未得到充分利用，全球通用的非授权频段包括2.4GHz、5GHz和60GHz。自从2013年以来，学术界和工业界开始关注对非授权频段的开发利用，以获得额外的带宽进而改善未来通信网络的容量。3GPP组织相继发布了多个相关标准，如3GPPR10-R12中提出的LTE-U、R13中的LAA和新发布的R16中的5GNR-U，对非授权频段的共存问题加以规范。将蜂窝网络部署在非授权频段的一个关键任务和挑战就是确保其与其他现有的非授权系统的公平和谐共存，例如5GHz频段的WiFi(IEEE802.11a/n/ac/ax)和60GHz频段WiGig(IEEE802.11ad/ay)。由于蜂窝网络和WiFi系统具有不同的信道接入机制，为两个系统的友好共存带来挑战。蜂窝系统采用同步、免打扰的方式，使用正交频分多址接入(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)信道接入技术，通过基站集中式控制给用户分配时频资源，具有很高的频谱效率。而WiFi系统采用异步、基于竞争的方式，并使用载波监听多路访问/冲突避免(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidace，CSMA/CA)信道接入技术。因此，需要对蜂窝系统加以调整，与WiFi系统之间采用有效的协调机制，保障WiFi系统的性能不被降低。在保障NR-U系统和WiFi系统共存公平性的基础上，考虑新用户到达共存网络时的载波选择问题。传统LTE-A系统的载波选择方案主要有两大类：一类是基于负载均衡，一类是基于信道质量。非授权频段的载波选择问题不同于LTE-A系统的载波选择问题，因为除了考虑负载均衡和信道质量，还需要考虑与WiFi系统的共存公平性，因此需要在保障共存公平性的前提下，为新用户选择最合适的载波。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提供一种面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络载波选择方法，可以解决非授权频段NR-U和WiFi共存网络中新用户到达时的载波选择问题，有效地保障了共存网络的公平性并提升了共存系统的吞吐量。为达到上述目的，本专利技术采用的方法是：一种面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络载波选择方法，包括如下步骤：(1)获取共存网络用户数目：新用户到达共存网络时，NR-UgNB获取每个载波上的NR-U用户数，同时采用卡尔曼滤波方法预测每个AP的WiFi用户数；(2)面向公平性调节NR-U与WiFi系统的信道占用时间：提出了一种面向公平性的F-CSAT机制。该机制采用ON/OFF时分复用方式为NR-U系统和WiFi系统提供信道接入机会，并允许gNB根据收集的共存网络中不同载波上的用户数目信息，自适应地调节每个载波上共存的NR-U系统和WiFi系统的信道占用时间；(3)为新到达共存网络的新用户选择最合适的载波：在保障共存公平性的基础上，同时考虑不同载波信道质量的差异性和载波上不同类型用户的动态变化，为新用户选择能够获得最大吞吐量的载波。本专利技术方法中，步骤(2)中，提出了一种面向公平性的F-CSAT机制，该机制的具体过程为：假设R(n)表示用户数为n的纯WiFi系统的吞吐量。根据Bianchi经典模型，可以得到：其中E[L]表示平均分组大小，Ptr表示在所考虑的时隙内至少有一个用户发送的概率，Ps表示用户发送成功的概率，Ts为单次成功发送的时长，Tc为发送发生碰撞的时长，Tσ为空闲时隙的时长，且Ptr和Ps与用户数n有关，Ts、Tc、Tσ和E[L]为WiFi网络的系统参数。对于纯NR-U系统，其吞吐量RL可以根据香农公式计算得到，即：其中B为信道带宽，G为信道增益，P表示NR-UgNB的发送功率，N0表示加性高斯白噪声(AWGN)的功率谱密度。NR-U系统和WiFi系统在非授权频段共存时，采用ON/OFF时分复用方式接入信道。每个ON/OFF工作周期由NR-UON阶段和NR-UOFF阶段组成。在NR-UON阶段，NR-U系统占用非授权频段，在NR-UOFF阶段非授权频段为WiFi系统提供接入机会。假设在同一个载波上共存的NR-U用户数目为nL，WiFi用户的数目为nW，每个ON/OFF工作周期中NR-UON/OFF的占空比分别为pon和poff，R(nW)和R(nL+nW)分别表示用户数目为nW和(nL+nW)时WiFi系统的吞吐量。当nL个NR-U用户和nW个WiFi用户共存时，WiFi用户的平均吞吐量RWavgc为：将nL个NR-U用户替换成相同数目的WiFi用户，即(nL+nS)个WiFi用户共存时，WiFi用户的平均吞吐量RWavg为：NR-U用户的平均吞吐量RLavgc为：为了保障NR-U系统与WiFi系统在非授权频段共存的公平性，将共存的公平性准则定义为：WiFiAP和NR-UgNB在非授权频段共存时，WiFi用户的平均吞吐量不小于将NR-U用户等量替换为WiFi用户时的平均用户吞吐量，即：RWavgc≥RWavg#(6)可解出符合共存公平性准则的NR-UOFF占空比需满足：为了保障NR-U用户和WiFi用户的公平共存，poff的最小值为：衡量共存网络公平性的Jain公平性指数F定义为：当共存网络的公平性最大，即F＝1时可以得出：实际应用中，为了保障共存网络的公平性，NR-UOFF的占空比poff在[poffmin,poffmax]之间选取。本专利技术方法中，步骤(3)中，为新到达共存网络的新用户选择最合适的载波的具体过程为：一个NR-U子系统和N个WiFi子系统在非授权频段共存，其中NR-U子系统由一个gNB和若干随机均匀分布的用户UEs组成，每个WiFi子系统由一个AP和若干随机均匀分布的用户STAs组成。共存网络有N个正交的非授权频段载波分量，由CCi(i＝1,2,…,N)表示。每个WiFiAP只使用一个CC，不同的WiFiAPs使用不同的CC发送数据，以避免由于地理位置相邻而造成的同频干扰。NR-U的gNB可以使用所有的载波分量。当新用户到达共存网络时，采用步骤(2)中提出的面向公平性调节NR-U系统与WiFi系统信道占用时间的F-CSAT机制，根据公式(11)-(12)对每个载波的NR-UOFF占空比进行调节，保障共存系统满足公平性准则。在此基础上，根据公式(14)选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络载波选择方法，其特征在于：该载波选择方法包括以下步骤：/n(1)获取共存网络用户数目：新用户到达共存网络时，NR-U gNB获取每个载波上的NR-U用户数，同时采用卡尔曼滤波方法预测每个AP的WiFi用户数；/n(2)面向公平性调节NR-U系统与WiFi系统的信道占用时间：采用一种面向公平性的F-CSAT机制，该机制采用ON/OFF时分复用方式为NR-U系统和WiFi系统提供信道接入机会，并允许gNB根据收集的共存网络中不同载波上的用户数目信息，自适应地调节每个载波上共存的NR-U系统和WiFi系统的信道占用时间；/n(3)为新到达共存网络的新用户选择最合适的载波：在保障共存公平性的基础上，同时考虑不同载波信道质量的差异性和载波上不同类型用户的动态变化，为新用户选择能够获得最大吞吐量的载波。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络载波选择方法，其特征在于：该载波选择方法包括以下步骤：
(1)获取共存网络用户数目：新用户到达共存网络时，NR-UgNB获取每个载波上的NR-U用户数，同时采用卡尔曼滤波方法预测每个AP的WiFi用户数；
(2)面向公平性调节NR-U系统与WiFi系统的信道占用时间：采用一种面向公平性的F-CSAT机制，该机制采用ON/OFF时分复用方式为NR-U系统和WiFi系统提供信道接入机会，并允许gNB根据收集的共存网络中不同载波上的用户数目信息，自适应地调节每个载波上共存的NR-U系统和WiFi系统的信道占用时间；
(3)为新到达共存网络的新用户选择最合适的载波：在保障共存公平性的基础上，同时考虑不同载波信道质量的差异性和载波上不同类型用户的动态变化，为新用户选择能够获得最大吞吐量的载波。


2.如权利要求1所述的面向公平性的非授权频段NR-U与WiFi共存网络的载波选择方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的面向公平性的F-CSAT机制具体过程为：
假设R(n)表示用户数为n的纯WiFi系统的吞吐量，根据Bianchi经典模型，可以得出：



其中E[L]表示平均分组大小，Ptr表示在所考虑的时隙内至少有一个用户发送的概率，Ps表示用户发送成功的概率，Ts为单次成功发送的时长，Tc为发送发生碰撞的时长，Tσ为空闲时隙的时长，且Ptr和Ps与用户数n有关，Ts、Tc、Tσ和E[L]为WiFi网络的系统参数；
对于纯NR-U系统，其吞吐量RL可以根据香农公式计算得到，即：



其中B为信道带宽，G为信道增益，P表示NR-UgNB的发送功率，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度；
NR-U系统和WiFi系统在非授权频段共存时，采用ON/OFF时分复用方式接入信道，每个ON/OFF工作周期由NR-UON阶段和NR-UOFF阶段组成。在NR-UON阶段，NR-U系统占用非授权频段，在NR-UOFF阶段，非授权频段为WiFi系统提供发送机会。假设在同一个载波上共存的NR-U用户数目为nL，WiFi用户的数目为nW，每个ON/OFF工作周期中NR-UON/OFF的占空比分别为pon和poff，R(nW)和R(nL+nW)分别表示用户数目为nW和(nL+nW)时WiFi系统的吞...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑军，唐佳欣，肖杰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32