基于Wi—Fi Direct的WLAN与TD—LTE共存研究

【摘 要】Wi-Fi Direct在实际应用中有着广泛的发展前景。采用确定性分析以及蒙特卡洛静态仿真方法，通过系统级仿真，研究了室内场景下基于Wi-Fi Direct的WLAN系统对于TD-LTE系统的影响。

【关键词】Wi-Fi Direct TD-LTE 干扰共存 系统级仿真

中图分类号：TN929.531 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-03-0048-04

1 引言

Wi-Fi Direct（Wireless Fidelity Direct，Wi-Fi直连）因其在短距离的高传输速率和易连接性，能满足终端用户对于便携内容以及设备间无缝连接的需求，有着广泛的应用前景。根据我国频谱规划，2 300—2 400MHz是TDD方式的补充工作频段，因此在2.4GHz处，会出现移动通信系统和WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网络）共存的情况，文章主要研究了基于Wi-Fi Direct的WLAN系统干扰TD-LTE系统。在研究中，采用了确定性分析以及蒙特卡洛静态仿真作为研究手段。

2 系统介绍

2.1 TD-LTE系统

TD-LTE系统使用TDD双工方式，发送和接收信号在相同的频带内，上下行信号通过在时间轴上不同的时间段发送进行区分[1]。TD-LTE主要的关键技术与优势有：采用OFDM和MIMO技术，实现更高的峰值速率和频谱效率；灵活的系统带宽和载波聚合，满足各种频率场景的需求；动态的分组调度技术，兼顾服务质量和资源利用效率；以及灵活的上下行时隙比例配置，满足网络非对称业务量的需要。

2.2 Wi-Fi Direct介绍

Wi-Fi Direct在国内被称为Wi-Fi直连，基于Wi-Fi Alliance Peer-to-Peer（P2P）Specification技术，简单来说就是允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接。一个Wi-Fi P2P小组最少由两台具有Wi-Fi功能的设备组成，其中一台必须成为P2P小组的OWNER，另外一个（或一个以上）设备成为CLIENT（S）。小组有两种连接形式，1 to 1以及1 to N方式。

Wi-Fi Direct至少能够支持802.11g（包括支持WPA2安全认证）、WPS以及Wi-Fi多媒体服务质量。为提高无线带宽的使用效率，Wi-Fi Direct设备不采用802.11b数据或管理帧速率（1，2，5.5或11Mbps），也不对只支持802.11b速率的请求做出回应，而采用802.11g和802.11n。在2.4GHz频段，本文对于WLAN系统的研究主要讨论在IEEE 802.11g下，MAC层基本访问方式和物理层传输技术。

2.3 MAC层关键算法分析

文中IEEE 802.11 MAC采取的基本访问方法是DCF（Distributed Coordination Function，分布式协调函数），采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多点接入/冲突避免）访问机制，IEEE 802.11g亦遵循此方式。CSMA/CA的退避机制由下式表示：

（1）

Tslot为协议时隙，CW为退避窗口的大小，初始值为CWmin，最大值为CWmax，具体值由不同的物理层规范给出。

对CSMA/CA算法的建模[2]得到二维随机过程{s（t），b（t）}，这个过程为马尔可夫链。得到一次发送碰撞概率p：

（2）

以及发送概率τ：

（3）

根据（2）和（3）式可得发送概率τ。

由以上建模得到Wi-Fi P2P小组中OWNER和CLIENT的发射概率，通过判断有多少工作站在发送数据，可以判断系统处于以上哪种状态，从而达到在一个时间点模拟系统工作状态的目的。

2.4 PHY层技术分析

由于Wi-Fi Direct在2.4GHz采用IEEE 802.11g协议，因此当系统传输速率在20Mbps以下时，物理层采用CCK（Complementary Code Keying，补码键控）的DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频技术）技术，当传输速率超过20Mbps时，在物理层使用与802.11a相同的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术[3]，因此由对应的发射频谱模板如图1及图2所示，得到系统与之对应的确定性分析结果。

在进行确定性分析时，采用ACIR来衡量ACLR和ACS的综合作用结果，来表示信道到邻近信道之间的隔离程度。ACIR与ACLR、ACS的关系如式（4）所示：

（4）

干扰链路为WLAN系统CLIENT干扰LTE系统UE。根据现有的频率部署情况，工作在Channel 1（2 401—2 423MHz）、Channel 6（2 426—2 448MHz）和Channel 11（2 451—2 473MHz）的WLAN系统干扰

2 300—2 400MHz的TD-LTE系统。由确定性分析可以得到在两种发射频谱模板下，10MHz LTE位于WLAN系统第一邻频和第二邻频时：

（1）在CCK频谱模板下CLIENT干扰UE的隔离度，第一邻频为32.2dB，第二邻频为45.6dB；

（2）在OFDM频谱模板下 CLIENT干扰UE确定性分析得到的隔离度，第一邻频为19.9dB，第二邻频为29.9dB。

3 系统级仿真

3.1 网络拓扑结构

考虑到基于Wi-Fi Direct的WLAN设备主要在室内环境使用，在研究WLAN和TD-LTE共存时，采用5*5grid模型[4]。文章中假设1 to N拓扑形式中的Wi-Fi Direct小组会话只有设备之间的通信，小组不会接入Wi-Fi热点网络。

在5*5grid模型中，13根TD-LTE基站天线在25个房间中间隔配置，并且位于房间的中央；每个房间内有1个TD-LTE用户，共25个用户，用户在房间内的位置是随机的。WLAN系统OWNER采用激活率0.2、0.6和1.0的随机部署方式来模拟不同强度的干扰。OWNER在房间内的位置随机，每个OWNER接入10个CLIENT，在房间内位置随机。

3.2 吞吐量计算

LTE作为扰系统，其性能指标是平均用户吞吐量损失和5%用户吞吐量损失[5] 。考虑平均用户吞吐量损失来研究分析WLAN系统对TD-LTE整体性能的影响，如式（5）所示：

（5）

TPsingle是TD-LTE系统单独工作时，系统所能达到的系统吞吐量的平均值；TPmulti是当存在干扰时，TD-LTE系统能达到的系统吞吐量的平均值。

利用香农公式的衰减和截短形式将SINR值映射为吞吐量，如式（6）所示：

（6）

其中，S（SNIR）为香农边界；α为执行损失的衰减因子；SNIRMIN为最小SNIR；ThrMAX是最大吞吐量；SNIRMAX是在达到最大吞吐量时SNIR的值。

4 仿真结果及分析

此次仿真TD-LTE系统采用轮询调度算法。上行链路中，系统终端通过功率控制可以得到较大信噪比，对来自系统外的干扰不敏感。因此，文章只研究下行情况下系统的阻塞性能和平均用户吞吐量情况。

4.1 阻塞特性

通过系统级仿真得到Wi-Fi Direct小组中OWNER不同激活率情况下TD-LTE的UE所收到的干扰CDF曲线如图3所示：

图3 不同激活率下的阻塞率（BIG）

由CCDF=1-CDF关系式得到，在CDF中99%的用户未收到阻塞情况的Blocking值，即为1%的用户被阻塞时的Blocking值。由此不同激活率下系统1%阻塞值如表1所示：

表1 1%时阻塞值

激活率 Blocking值/dBm

0.2 -50.29

0.6 -49.55

1 -48.29

系统需要达到的标准为不大于[-44+lg（22/4）]dBm，即-37.57dBm[6]。根据仿真结果，在最差的情况下（激活率为1），阻塞值为-48.29dBm，比标准的要求值小10.72dBm。

因此可以得出结论：室内场景部署情况能够满足阻塞率的要求。

4.2 吞吐量特性

室内场景下，不同的激活率下LTE系统平均吞吐量仿真数据如图4所示。

一般地，认为系统性能下降5%为可以接受的范围，因此可得到在OWNER不同激活率下对应的系统所需的隔离度，如表2所示。

表2 不同激活下隔离度指标

OWNER激活率 系统性能下降5%时的隔离度/dB

0.2 43.91

0.6 50.04

1 52.7

由前文可知，当WLAN系统的传输速率小于20Mbps，且LTE系统工作在位于WLAN系统的第一邻频和第二邻频时，隔离度分别为32.2dB和45.6dB；当传输速率大于20Mbps时，隔离度分别为19.9dB和29.3dB。由此得到：

（1）当WLAN系统传输速率小于20Mbps时：

CLIENT激活率在0.2并且将10MHz LTE部署在基于Wi-Fi Direct的WLAN系统的第二邻频时，现有的设备性能可以满足要求，不用提供额外的隔离度。

在其他本文所考察的条件下，现有的设备性能都无法满足隔离度要求，两系统共存需要提供额外的隔离度来满足要求。

（2）当WLAN系统的传输速率大于20Mbps时：

对于所有的部署方式，现有的设备性能都无法满足隔离度要求，两系统共存需要提供额外的隔离度来满足要求。

5 结束语

Wi-Fi Direct由于其灵活性、短距离高速数据传输能力以及对于Wi-Fi基础设备的兼容性，使得其在不久的将来会普遍使用。本文对室内环境下基于Wi-Fi Direct 的WLAN系统对TD-LTE系统的干扰进行了研究，由于仿真参数的理想化，与现实情况可能有一定偏差，但仍具备一定参考意义。

参考文献：

[1] 沈嘉，索士强，全海洋，等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.

[2] Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. Selected Areas in Communications， IEEE Journal on， 2000，18（3）： 535-547.

[3] 加斯特. 802.11无线网络权威指南[M]. 南京： 东南大学出版社， 2007.

[4] Femto Forum Working Group 2. OFDMA Interference Study ：Evaluation Methodology Document[R]. 2009.

[5] 3GPP TR 36.942 v9.0.1. Radio Frequency（RF） system scenarios（Release 8）[S]. 2010.

[6] 3GPP TS 36.101 v9.3.0. User Equipment（UE） radio transmission and reception（Release 9）[S]. 2010.