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基于强化学习的LTE与WiFi异构网络共存机制.docx
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基于强化学习的LTE与WiFi异构网络共存机制.docx
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随着无线通信技术的发展,LTE、5G、WiFi 等技术方兴未艾,8K 视频、VR、AR 等
新颖的高吞吐率、低时延业务需要更大的频谱带宽支持。现有频谱资源分为授权和非授权
频带,仅仅依靠授权频带已无法充分保证未来 4.5G、5G 高吞吐量业务的带宽 QoS 要求
[1]
。载波聚合(carrier aggregation, CA)或频谱聚合是 LTE-Advanced 标准 R10 的一个重要特
性,通过将多个连续或非连续的载波(频谱)聚合成更大的带宽(最大 100 MHz),能够实现在
100 MHz 的带宽内,提供下行 1 Gbit/s、上行 500 Mbit/s 的速率
[2]
。LTE 早期只专注于授权
频段的聚合,在 4.5G、5G 研究领域,聚焦于授权与非授权频段的频谱聚合技术也被提出
并得到广泛研究,其中将 LTE 部署在非授权频段的技术称为 LTE-U(unlicensed)
[3-4]
,使用
的是低于 6 GHz 的非授权频段。毫米波频段(如 60 GHz)不在 LTE-U 的研究范围内,有专
门的技术对 LTE 在毫米波频段部署进行研究
[5]
。
LTE-U 使用的 6 GHz 以内的非授权频段主要指 2.4 GHz 和 5.8 GHz 两个频段,在这两
个频段已经部署有 WiFi、蓝牙、雷达等无线通信系统,LTE-U 作为后来者,需要解决好
LTE 与现有无线通信网络(尤其是 WiFi 网络)之间的共存与干扰问题。主要有两种技术来解
决非授权频段中的已有无线通信系统与 LTE-U 的共存干扰问题,分别是:基于 listen-
before-talk(LBT)
[6-7]
和不基于 LBT(non-LBT)
[8]
的两类技术。LBT 类似于 WiFi 的(carrier sense
multiple access) CSMA/CA(载波侦听多址接入/冲突回避)多址接入协议,采用基于竞争的接
入策略。LTE-U 在发送数据前需要先探测信道是否空闲以决定是否接入,以降低 LTE-U
与 WiFi 的冲突概率。文献[9]使用基于 LBT 的方法处理多个 RAT 之间和 RAT 内部由于
LTE-U 与 WiFi 共存带来的干扰问题。在美国、中国、韩国、印度等国家,并没有强制要
求 LTE-U 必须实现 LBT 机制,并且在 LBT 机制下两种无线通信系统都要检测信道,频谱
利用率降低。non-LBT 机制中,LTE-U 会周期性地静默一段时间,在该段时间内不发送或
几乎不发送数据,从而使 WiFi 有更多机会发送数据。
文献[10-11]基于 non-LBT 方法处理了 LTE-U 和 WiFi 系统间的共存与干扰问题。文献
[10-12]分别使用了基于空白子帧、duty-cycle、上行链路功率控制的方法,都没有触及 ABS
空白子帧的比例问题。基于几乎空白子帧(almost blank subframe, ABS)(下面简称空白子帧)
的方法是一种典型的 non-LBT 的 LTE-U 与 WiFi 在非授权频段的共存机制,该机制最为重
要的是如何确定空白子帧所占无线帧的比例,以确保系统的公平性和性能。文献[13]使用
频谱侦听的方法对一定区域内 WiFi AP 的数目进行估算,进而提出了一种根据 LTE 基站周
围 WiFi 热点的强度调整空白子帧数目的方法。文献[14]基于排队论模型研究了数据包的到
达对 LTE-U 和 WiFi 的平均数据包时延的影响,但没有提出具体的异构网络共存机制,只
是为 WiFi 和 LTE-U 的共存提供了一个指导准则。文献[15-16]研究了如何决定 ABS 空白子
帧的比例以确保公平性,但是没有考虑无线网络的业务量负载情况。文献[17]考虑了业务
量负载情况,但只研究了单一的业务(FTP)和吞吐量 QoS 指标,没有考虑多业务场景和时
延等技术指标。
本文针对基于 ABS 空白子帧的 LTE-U 小基站(small BS/SBS)与 WiFi AP 共存的场
景,提出了基于强化学习算法的智能化 LTE-U 与 WiFi 的共存机制,考虑了无线网络的业
务量负载情况,能够提高不同无线网络的时延性能,进而提高系统的用户满意度。较已有
的动态配置 ABS 空白子帧的算法,提出的基于强化学习的 QL-ABS 算法能够较好地利用
以往学习经验(具有更好的在线性能),后续决策可以利用先前学到的经验,从而做出更为
合理的配置决策,提升系统的时延、在线性能及用户满意度。
1. 系统模型
考虑由一个宏基站(macro BS)、一个 LTE-U 小基站(small BS/SBS)、一个 WiFi AP 组
成的网络模型,如图 1 所示。分别有 N
l
个 SBS 用户设备(user equipment, UE)和 N
w
个 WiFi
终端(STA),LTE 基站可与 WiFi AP 进行协作式信息交互。在较低的授权频带,UE 的控制
数据由宏基站发送,UE 的业务数据由小基站发送。小基站和 AP 共享公共的非授权频带,
由小基站配置空白子帧。LTE 帧长 10 ms,包括 10 个 1 ms 的子帧,不允许小基站在空白
子帧期间发送数据。此时,相应信道将为空闲状态,并且可以被 WiFi AP 访问。本机制专
注于确定空白子帧的数量,当多个空白子帧为时间连续时,WiFi 可以获得更多的传输时
间,一旦确定了空白子帧的数量,n 帧的连续子帧就被指定为空白子帧。
图 1 网络模型
下载: 全尺寸图片 幻灯片
对于非授权共享频带(信道),在时间域 WiFi AP 基于 CSMA/CA 的讲前先听(LBT)的
接入方式进行访问,LTE-U 小基站则使用 ABS 空白子帧的方式降低与 WiFi 的冲突概率。
使用排队论对上述 WiFi AP 和 LTE-U 小基站的共享非授权无线频率的行为进行建模
[14, 18]
。
WiFi AP 和 LTE-U 小基站可以被看做两个互相独立的 M/G/1 队列,接收到的数据包被放入
队列。如图 2 所示,数据包的到达率服从强度为 λ
i
(i∈{w,l})的泊松分布,其中 λ
i
表示
LTE-U 或 WiFi 无线网络的业务负载强度。每个节点 S 的数据包服务时间互相独立,服从
一般分布。以 S
i,o
表示进行包传输的信道占用时间,S
i,o
服从强度为 μ
i
的指数分布,
E[S
i,o
]=1/μ
i
。以 S
i,v
表示占用业务信道之前数据包在队列中的等待时间。S
i,o
和 S
i,v
这两个时间
之和即为数据包服务时间(以 S
i
表示),即:
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