為了利用未授權頻譜(特別是針對5GHz頻帶),提升手機的網路容量,可藉由該頻帶的現有技術(Wi-Fi),或透過修改手機技術將通道直接整合至手機的實體層(PHY)與媒介存取控制層(MAC)。後者的方法對於現有與未來的Wi-Fi網路而言,導致了手機與Wi-Fi二者的生態系統有所差異。因此,中立且可修改的原型製作平台非常重要,可讓工程師與研究人員評估並比較這類演算法在實際環境中的效能取捨。

本文將以國家儀器(NI) USRP RIO硬體、LabVIEW Communications System Design Suite與隨附的802.11/LTE參考架構,說明如何建立原型製作平台以及使用結果,包含LTE-U與LAA效能,以及其與Wi-Fi的關係。

LTE/Wi-Fi共存

手機網路業者已開始利用未授權頻譜的優勢,伺機將流量卸載到Wi-Fi網路,尤其是在高需求的熱點。而業者針對LTE Release-13的3GPP LTE/Wi-Fi聚合(LWA)作業項目,則更進一步整合封包資料聚合協定(PDCP)層中的LTE與Wi-Fi。上述兩個案例都在未授權頻帶中使用了Wi-Fi無線介面。接下來將說明在未授權頻帶中使用LTE架構無線介面的技術。

未授權LTE(LTE-U) 對於直接整合於較低LTE層的未授權頻帶,由LTE-U論壇建立的LTE-U預計將成為首項佈署於此頻帶的技術。推動此項專利技術的關鍵成員包括高通(Qualcomm)、Verizon、Ericsson、Samsung等。

LTE-U技術使用未授權頻帶作為LTE載波聚合架構中的次級蜂巢式單元(SCell),並使用授權的錨點作為主單元(PCell)。現有的規格只會在下行(DL)流量中伺機使用未授權頻帶,而上行(UL)在往後也將納入考量。

LTE-U透過工作週期形式的LTE波形存取未授權通道(圖1),並建構演算法以改善LTE-U網路與Wi-Fi網路間的共存。LTE-U存取點(AP)會主動聽取Wi-Fi與其他LTE-U傳輸,以預測網路的使用模式。透過主動接收Wi-Fi傳輸,便能解讀通道類型(主要/次要)、封包類型、封包長度等等。這些資訊可用於評估通道活動,進而用於動態通道選擇與自適應工作週期循環。LTE-U使用與適應工作週期的線上演算法稱為載波感測自適應傳輸(CSAT)。透過適時修改TON與TOFF值或跳過某些TON期間以定期產生較長的TOFF期間,便可改變工作週期。而工作週期的解析度則落在LTE子架構(1ms)的邊界範圍。

20161121 NI TA31P1 圖1:LTE-U波形範例

LTE-U的擁護者指出,佈署這類網路並不會顯著降低Wi-Fi網路效能。然而,其他研究則認為先聽後送(LBT)的機制(如Wi-Fi中CSMA/CA的延遲期與指數退回機制)對公平分享未授權通道而言相當重要,而LTE-U卻並未執行這種機制。歐洲與日本等地區的法規規定未授權頻帶必須採用LBT,因此這些地區無法佈署LTE-U。由於LTE-U的本質具有爭議,美國聯邦通訊委員會(FCC)等主管機關(在美國不需LBT即可佈署LTE-U)正在檢視無線通訊生態系統的反應,並評估是否有需要修訂相關法規。

授權輔助存取(LAA) LAA是標準架構的技術,同時也是未授權頻帶LTE技術之外的另一選項。3GPP目前正在擬訂LAA規格,其初版將納入LTE Release-13後發佈。未授權載波如同LTE-U,只會作為DL的SCell使用,並隨時以授權的PCell定錨,而UL作業則會納入未來的修訂考量。

LAA與LTE-U最主要的差異,是LAA的設計可適用於全球各地,因此具備了LBT架構。目前正在探討多種方案,並預計納入具備初始延遲期與指數退回機制的類Wi-Fi系統。舉例來說,圖2所示的波形範例便是由LBT程序感測通道,以取得高達 10 LTE 子架構的傳輸機會(TXOP)。

相較於LTE-U,Wi-Fi業者較偏好LAA,原因在於能夠參與開放標準的程序,且認為LBT設計對於提升共存效能極其關鍵。

20161121 NI TA31P2 圖2:LAA波形範例

LTE-U/LAA定義的設計目標

3GPP已開始研擬LAA,並將進行LTE/Wi-Fi共存的可行性研究,同時具體評估達成以下設計目標的可行性:

  • 全球性的解決方案,以確保符合各地法規,例如採用LBT可確保技術符合訂定LBT法規限制的地區
  • 確保LAA與Wi-Fi之間能有效且公平地共存
  • 確保不同LAA業者的節點之間有效且公平地共存

LTE-U主要針對美國、韓國、中國、印度等國的法規,這些地區皆不需LBT便能存取未授權通道。因此,LTE-U的設計目標是上述LAA清單中的後兩項。

達成設計目標的PHY改良方式 為了達到LTE-U/LAA定義的設計目標,建議提供啟用LAA所需的功能,包括通道存取架構 (包含空閒通道評估)、最大傳輸期間有限的非連續性傳輸、用於載波選擇與AGC的UE支援,以及粗略、精確時間與頻率同步功能。

如此則可整合以下的PHY改良方式:非連續性傳輸(DTX)以及先聽後送(LBT)。

以LTE-U而言,LTE架構主要依據LTE子架構的解析度,執行工作週期循環與打孔 (puncturing)作業。非連續性傳輸的建置作業也可支援LTE-U模式。

非連續性傳輸 針對未授權頻譜,日本等地的法規禁止連續性傳輸,並限制傳輸突波的最大期間。此外,由於某些使用者可能同時共用傳輸媒介,因此要隨時連續存取通道或許不可行,而在共用媒介公平性的考量下,也並非好的作法。由於LTE與其他手機標準目前在授權頻譜中(可使用連續性傳輸)皆可運作,因此非連續性傳輸的特徵便更提高了設計障礙。

先聽後送 由於3GPP規劃的是全球通用的LAA解決方案,而某些地區的法規又強制規定非授權通道必須採用LBT,因此LAA必須具備LBT功能。當裝置中有封包需要傳輸時,LBT Cat 4程序便會開始運作。接著,裝置開始執行初始空閒通道評估(iCCA),以檢查通道在特定期間內是否閒置。在判斷通道閒置時可進行傳輸,而如果通道並非閒置,裝置則執行槽式隨機退回程序(slotted random back-off procedure),從稱為競爭視窗(contention window)的特定區間中選取隨機數值。當通道判定為閒置時,便會執行退回倒數,如流程圖的CCA(eCCA)延伸部份所示;當退回計數器到達0時開始傳輸作業。

此程序與802.11分散式協調功能(DCF) MAC所佈署的的載波感測多重存取(CSMA)相似。而802.11/Wi-Fi社群有些使用者具備未授權頻譜公平分享的相關經驗,他們的寶貴意見便是開發此演算法時的重要依據。

然而,3GPP的參與者仍有幾點需要加以探討的項目,其中幾項該注意的關鍵差異如下:

  • 位於所有802.11封包起點的舊版802.11 Training Field為固定的已知序列,且用於802.11裝置以偵測通道為空閒或使用中,而 LAA/LTE-U節點可透過此方法將偵測效能最佳化。另一種方式是能量偵測架構感測法(energy detection-based sensing),較易於執行,但效能較低。
  • 依據傳輸失敗的競爭視窗更新:-802.11 CSMA使用指數退回功能,3GPP同時也在評估較緩和的架構。

LTE-U/LAA解決方案的原型製作

802.11與LTE參考架構 802.11與LTE參考架構分別建立了LTE/Wi-Fi共存原型製作範例的基礎。由於LAA通道存取架構與802.11通道存取架構相似,因此運用LAA LBT功能的基本概念之一,便是重複使用LTE參考架構中802.11通道存取相關的模組。

為了擴充現有的LTE參考架構,以實作非連續性傳輸與Cat 4 LBT,結構改變(如圖3、圖4)必須套用於下列模組/子系統:

  • Resource Mapper控制系統、TX觸發機制、非連續性傳輸與接收的同步化單元
  • 針對LBT整合的新通道感測單元與TX觸發機制

__PHY改良方式實作__)

以下將說明非連續性傳輸與LBT Category 4的實作方式。

非連續性傳輸 這是整個LTE計畫的重大變更部份。在LTE參考架構中,此功能可透過OFDM符碼級資源區塊分配(OFDM-symbol-wise resource block allocation)功能與嵌入式TX觸發機制加以實作。

無線電架構內的各個OFDM符號皆可定義資源區塊分配,分配可透過主機完成,包括以下兩個步驟:以子架構為基礎的無線電架構;以PRB的子架構與OFDM符碼為基礎。

這種方法十分靈活,可支援LAA所需的可設定最大傳輸作業時間,以及LTE所需的可設定週期、打孔作業與主週期等。

LTE參考架構具備多種觸發傳輸的功能。透過重複使用與擴充,這些功能可符合非連續性傳輸的需求,其中並整合了以下兩種改變:

  • 觸發傳輸的功能由無線電架構的觸發器(如傳統LTE與LTE-U所使用的)加以擴充,進而能以透過LBT功能(可感測通道並評估其是否為空閒、可用於傳輸的狀態)進行觸發器傳輸。
  • 額外的功能讓傳輸作業可設定TXOP子架構數量,而非針對整個無線電架構進行傳輸。根據TXOP這個額外參數,位元處理功能與I/Q基頻處理功能便會控制數個計數器,以便只傳輸TXOP連續子架構,而非整個無線電架構。

20161121 NI TA31P3 圖3:選擇無線電架構的觸發器或LBT架構的觸發器

先聽後送Category 4 如果取消‘固定退回’ (Fixed Backoff)功能,便會套用隨機退回程序。由於目前版本尚未包含HARQ回饋,因此退回作業會從區間[0, CWmax-1]中做選擇。 此外還可設定能量偵測臨界值。

LBT Cat 4頂層模組包含NI 802.11參考架構的狀態機器與功率量測單元。根據LBT Cat 4程序,此狀態機器的目的是控制功率量測單元,以便在適當時機執行空閒通道評估,並觸發非連續性傳輸。

目前的編碼版本無法執行LAA LBT 的 802.11前置區段檢測,但NI 802.11 Application Framework具備所需的區塊,可擴充該功能組,以包含前置區段檢測。

初步結果

為了深入了解背後的基本原則,此時使用一組簡易的設定,包含1組代表LTE eNB的USRP RIO、UE與市售的現成Wi-Fi元件。當搭配使用NI 802.11 Application Framework與USRP時,還可以模擬Wi-Fi網路。

20161121 NI TA31P4 圖4:基本LTE/Wi-Fi共存設定

20161121 NI TA31P5 圖5:實驗室環境中的基本LTE/Wi-Fi共存設定

圖6顯示LTE-U使用案例的初步結果。此案例改變連續DL子架構數量與1個無線電架構之間的比率,使得LTE-U工作週期隨之變動。此圖表針對Wi-Fi與LTE-U連結,顯示相對應的傳輸量改變。結果符合預期:當LTE-U工作週期縮短時,Wi-Fi傳輸量便會上升;反之亦然。

20161121 NI TA31P6 圖6:舊版Wi-Fi 802.11a與LTE-U在不同工作週期比率下的標準化傳輸量

圖7顯示LAA eNB的CCA能量偵測臨界值設定不同時,Wi-Fi 11ac VHT40與LAA LBT Cat 4系統各自的傳輸量如何變化。Wi-Fi 11ac VHT40節點與LAA節點在RSSI大約為-67dBm時交會。

20161121 NI TA31P7 圖7:不同LAA CCA能量偵測臨界值下的Wi-Fi 802.11ac VHT40與LAA (LBT cat 4)傳輸量

結論

透過像NI 802.11與LTE Application Framework測試方案建構應用,能夠滿足對中立平台的新需求,並協助研究LTE與Wi-Fi網路之間的共存。

藉由此非連續性傳輸的實作,便可支援LAA與LTE-U。此功能可自行設定,因此能透過簡易的插卡式演算法控制LTE-U工作週期,例如CSAT演算法。藉由結合非連續性傳輸與可設定 LBT Cat 4,便能建立LAA通道存取架構的骨幹,可用於實際實驗與進一步研究。初步結果證明測試台與工具已可用於 LTE-U 與 LAA。

原型可自行設定,例如設定LTE-U的工作週期、LAA的TXOP、CCA ED臨界值、競爭視窗大小等等,有助於進行各種實驗,以深入了解共存的運作方式,以及在不同使用案例中參數的最佳化方法。開放式架構則有助於修改或擴充作業,可輕鬆建立複雜的共存架構。