适用于非授权频段的增强型FBE帧结构及信道接入方法与流程

本发明涉及热点地区的无线移动通信网络技术领域，尤其涉及一种适用于非授权频段的增强型FBE帧结构及信道接入方法。

背景技术：

面向2020年及未来，5G网络面临着数据流量千倍增长、千亿设备连接和多样化的业务需求等挑战，为了满足未来无线通信业务指数增长和数据流量增长需求，挖掘更多可用的频谱资源，运营商考虑将LTE以节点的形式部署到未授权频段(未授权频段是指在满足政府部门无线电管制下，不需要政府授权就能直接使用的频段资源，Wi-Fi是部署在未授权频段的典型技术)，在未授权频段上采用LTE空口协议，即LTE-U，完成通信。采用LTE-U技术，可以利用集中调度、干扰协调，自适应请求重传(HARQ)等技术，相比于WIFI等接入技术，LTE-U系统具有更好的鲁棒性，可以获得更高的频谱效率，扩大LTE系统容量，提供更大的覆盖范围以及更好的用户体验，降低通信成本，提高LTE在授权频段和未授权频段的经济效益。

LTE在未授权频段部署面临的首要问题是与其他现有接入技术的共存问题，而LBT(Listen before Talk，先听后说)机制在解决共存问题方面得到了一致认可。3GPP(第三代合作伙伴计划)拟采用ESTI(European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准协会)标准中的两种机制Load Based Equipment(LBE，基于负载的信道检测机制)和Frame Based Equipment(FBE，基于帧结构的信道检测机制)进行LBT过程，其中FBE帧结构如图1所示，包括空闲时隙和传输时隙，空闲时隙中包含CCA时隙，其中传输时隙的长度为1ms～10ms，空闲时隙的长度至少为传输时隙的5％。

FBE信道接入的执行流程如下：首先执行CCA(Clear Channel Assessment，空闲信道评估)检测，若在持续时间内检测到信道空闲，则立即发送数据，在CoT(传输时间)结束或者数据发送完毕时，则释放信道资源，然后保留一段至少为CoT的5％的理想空闲时间，其中包括一个CCA持续时间；若检测到信道忙碌，则不进行传输数据，在下一帧结构进行CCA检测，若信道空闲，则发送数据，否则，继续等待下一帧结构，如此往复。

采用FBE机制进行LBT的LTE-U节点与采用CSMA/CA机制进行LBT的WIFI的AP节点竞争同一信道资源时，由于FBE帧结构中CCA时隙的位置相对固定且侦听机会少，可能会出现以下两个问题：

第一个问题，如图2所示，在热点地区，当LTE-U节点进行连续传输时，WIFI的AP节点的退避计数器只能在FBE帧结构的理想空闲时间段内进行退避计数器的递减，从而导致WIFI节点接入信道机会过少。

第二个问题，如图3和图4所示，在热点地区，不同运营商之间可能存在共享同一未授权频谱的情况，当一个运营商的LTE-U节点接入信道且一直进行数据业务传输的时候，那么其他运营商的LTE-U节点侦听信道时总是反馈信道忙碌的信息，从而导致阻塞，无法接入信道，无论各运营商的信号在时序上是同步还是异步。

基于以上阐述可知，当LTE-U与WIFI共存时，FBE帧结构会导致WIFI的AP节点接入信道的机会大大减少；同时不同运营商所部署的LTE-U节点共存时，FBE帧结构会导致只有一个运营商可以接入信道进行传输。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于非授权频段的增强型FBE帧结构及信道接入方法，以解决现有FBE机制由于侦听信道机会少且侦听位置相对固定所导致的当LTE-U和WIFI共存时WIFI吞吐量被压制以及不同运营商的LTE-U节点共存时只有一个运营商的LTE-U节点可以成功接入信道的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种适用于非授权频段的增强型FBE帧结构，其包括一空闲时隙和一传输时隙，所述空闲时隙中包含一初始CCA时隙，其特征在于，所述空闲时隙与所述传输时隙之间设有一随机退避时隙，所述随机退避时隙包含N个扩展CCA时隙，其中N为[1q]之间的随机数，且q的取值范围为4～32。

优选地，所述初始CCA时隙的长度不小于20us。

优选地，所述扩展CCA时隙的长度不小于20us。

优选地，所述传输时隙的长度为1ms～10ms。

优选地，所述空闲时隙的长度至少为所述传输时隙的5％。

本发明另一方面提供一种适用于非授权频段的增强型FBE信道接入方法，以实现LTE-U节点的信道接入，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在[1q]之间选取随机数N存入LTE-U节点的退避计数器，q的取值范围为4～32；

S2，使LTE-U节点执行初始CCA检测，如果在初始CCA持续时间内检测到信道空闲，则执行步骤S3；否则，使LTE-U节点持续执行初始CCA检测，直至初始CCA持续时间结束；

S3，检测所述退避计数器是否为0，如果不为0，则执行步骤S4；如果为0，使LTE-U节点立即接入信道并在传输时间内进行数据传输，数据传输结束后保留一段空白时间，然后返回步骤S1；

S4，使LTE-U节点执行扩展CCA检测，如果在扩展CCA持续时间内检测到信道空闲，则使所述退避计数器减1，然后判断所述退避计数器减是否为0，如果为0，则转入步骤S3，如果不为0，则使LTE-U节点重复执行扩展CCA检测，直至退避计数器为0；如果在扩展CCA持续时间内未检测到信道空闲，则冻结所述退避计数器，返回步骤S2。

优选地，所述步骤S2中的初始CCA持续时间不小于20us。

优选地，所述步骤S3中的传输时间为1ms～10ms。

优选地，所述步骤S3中的空白时间与所述步骤S2中的初始CCA持续时间之和至少为传输时间的5％。

优选地，所述步骤S4中的扩展CCA持续时间不小于20us。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过引入随机退避机制实现信道侦听及接入，从而可以根据信道的空闲与否调整接入信道的时间，以解决LTE-U节点与WIFI的AP节点共存、以及不同运营商的LTE-U节点共存时所可能产生的碰撞问题，进而实现WIFI的AP节点与LTE-U节点之间的、以及不同运营商的LTE-U节点之间的公平竞争信道资源的目的。可见，采用本发明后，在热点地区的无线移动通信网络中，未授权频段上LTE-U节点与WIFI的AP节点可以和谐共存。

附图说明

图1为现有技术适用于非授权频段的FBE帧结构的结构示意图；

图2为采用现有FBE帧结构的LTE-U节点与WIFI的AP节点竞争信道的示意图；

图3为不同运营商采用现有FBE帧结构的LTE-U节点在时序同步时竞争信道的示意图；

图4为不同运营商采用现有FBE帧结构的LTE-U节点在时序异步时竞争信道的示意图；

图5为本发明适用于非授权频段的增强型FBE帧结构的结构示意图；

图6为本发明适用于非授权频段的增强型FBE信道接入方法的流程图；

图7为室内热点共存场景的示意图；

图8为不同运营商采用本发明增强型FBE帧结构的LTE-U节点与WIFI的AP节点共存时，信道资源可能被利用的时序图；

图9为不同低功率节点共存方案的吞吐量对比图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

针对在热点地区适用于未授权频段的传统FBE帧结构，本发明提出一种改进的增强型FBE帧结构，即E-FBE(Enhanced FBE)帧结构。E-FBE帧结构如图5所示，其保留了传统FBE帧结构的空闲时隙和传输时隙设计，传输时隙的长度为1ms～10ms，空闲时隙的长度至少为传输时隙的5％，且空闲时隙包含一长度不小于20us的CCA时隙，为了与后面的CCA时隙进行区分，此处命名为初始CCA(ICCA)时隙，其中ICCA时隙的长度不小于20us。除此以外，本发明在空闲时隙与传输时隙之间增设了随机退避时隙，该随机退避时隙由N个扩展CCA(ECCA)时隙构成，其中N为[1q]之间的随机数，q的取值范围由运营商决定，依据ESTI规定，q的范围为[4 32]。

E-FBE帧结构最大的特点就是引入了随机退避机制来进行信道侦听以及接入，并且数据发送之前始终需要执行随机退避过程，其对应的E-FBE信道接入方法如图6所示，包括以下步骤：

S1，当LTE-U节点需要进行数据传输时，首先在[1q]中随机选取数N存入退避计数器，q的取值范围由运营商决定，依据ESTI规定，q的范围为[4 32]。

S2，LTE-U节点执行初始CCA检测，如果在初始CCA持续时间(不小于20us)内检测到信道空闲，则执行步骤S3；否则，LTE-U节点持续执行初始CCA检测，直至初始CCA持续时间结束；

S3，检测退避计数器是否为0，如果不为0，则执行步骤S4；否则，LTE-U节点立即接入信道并在一传输时间CoT内进行数据传输，传输时间保持传统FBE机制的设计，可在1ms到10ms中选择，数据传输结束后保留一段空白时间，该空白时间也保持传统FBE机制的设计，其与初始CCA持续时间之和称为空闲时间，空闲时间至少为传输时长CoT的5％，空白时间结束后返回步骤S1。

S4，LTE-U节点执行扩展CCA(即ECCA)检测，扩展CCA持续时间不小于20us，如果ECCA失败，即在扩展CCA持续时间内未检测到信道空闲，则冻结退避计数器，返回步骤S2；如果ECCA成功，即在扩展CCA持续时间内检测到信道空闲，则退避计数器减1，然后检测退避计数器是否为0，如果为0，则转入步骤S3，否则，重复执行扩展CCA检测，直至退避计数器为0。

可见，本发明在传统FBE机制中引入了随机退避机制进行信道侦听，从而可依据信道状态灵活地进行信道侦听以及接入。而且，在侦听信道过程中，本发明一开始就进行随机退避以避免碰撞的产生，而不是由于产生碰撞而进行随机退避。

基于以上叙述，本发明可应用在热点地区的无线移动通信系统中，主要用于LTE在未授权频段上更加合理地竞争频谱资源，应用场景如图7所示。图7示出的是一个室内LTE-U与WIFI共存的场景示例，在长L为120m、宽W为50m的写字楼(单层)中，LTE-U节点和WIFI的AP节点随机均匀地布置在走廊中。写字楼是人口稠密的地方，无论是LTE-U节点还是WIFI的AP节点都需要进行大量的数据流量卸载。假设LTE-U节点和WIFI的AP节点都持续不断地需要进行数据流量卸载，其共存竞争信道资源的过程如下：

当LTE-U节点和WIFI的AP节点均有传输需求时，AP节点采用CSMA/CA机制进行信道侦听，如果信道空闲，则立即接入信道进行数据传输，传输完毕或者传输时间结束时，释放信道资源；如果还需要继续进行传输，则需要执行二进制指数退避过程，即在竞争窗口中随机生成一个随机数，当侦测到信道空闲时，随机数减1，直到随机数减为0时，继续接入信道进行传输；而LTE-U节点在侦听信道时，无论信道空闲与否，均需要依据E-FBE帧结构，在数据传输之前执行随机退避过程，即在竞争窗口中随机生成一个随机数，当侦测到信道空闲时，随机数减1，直到随机数减为0时，接入信道进行数据传输，这样就可以避免当AP节点和LTE-U节点都侦测到信道空闲时同时接入信道而产生碰撞的情况。值得说明的一点是，CSMA/CA机制和E-FBE结构的竞争窗口大小是不同的，且CSMA/CA机制的竞争窗口在产生碰撞后会依据二进制指数规则进行增大，而E-FBE结构的竞争窗口则由运营商决定，与碰撞与否无关，此处的竞争窗口是指随机数据的取值范围。

将图中一部分的WIFI的AP节点或者LTE-U节点换成另一运营商的LTE-U节点，当不同运营商的LTE-U节点竞争信道资源时，由于都依据E-FBE结构在发送数据业务之前执行随机退避过程，而且随机数N是在不同运营商所设置的竞争窗口中随机选择，所以节点同时接入信道的概率非常小，从而解决了不同运营商LTE-U节点之间产生碰撞的问题。

当WIFI的AP节点和不同运营商的LTE-U节点共存时，构成混合的部署场景。假设所有“节点”对单一的信道资源进行竞争，信道资源可能被利用的时序如图8所示。从信道被利用的时序图可以看出，E-FBE帧结构可以根据信道的空闲与否调整接入信道的时间，以解决LTE-U节点和WIFI的AP节点共存时以及不同运营商的LTE-U节点之间共存时所可能产生的碰撞问题，实现WIFI的AP节点和LTE-U节点以及不同运营商的LTE-U节点之间公平竞争信道资源的目的。

为了简化混合的部署场景，假设所设实施例中有两个运营商，取名为运营商A和运营商B，按如下三种方案共存时的吞吐量对比如图9所示(将AP节点和LTE-U节点统称为低功率节点)：

(1)运营商A和B都部署WIFI，AP节点的数目分别为6。

(2)运营商A部署WIFI，AP节点数目为6，而运营商B部署LTE-U节点，数目也为6，6个LTE-U节点分别使用FBE帧结构和E-FBE帧结构。

(3)运营商A和B都部署LTE-U节点，数目分别为6，并且分别同时使用FBE和E-FBE帧结构。

在WIFI和LTE-U共存场景下，从图9中3和4可以看出，采用FBE帧结构的LTE-U节点压制了WIFI的AP节点的吞吐量；而5和6则表明采用了E-FBE帧结构的LTE-U节点在共存场景中可以让WIFI的AP节点获取与之几乎相等的吞吐量；从7和8可得，在不同运营商部署的采用FBE帧结构的LTE-U节点共存场景下，只有一个运营商的LTE-U节点可以传输，而9和10则反映出采用了E-FBE帧结构的LTE-U节点，不同运营商的LTE-U节点获得了几乎相等的吞吐量。

以上结果表明，E-FBE帧结构可以基本解决FBE帧结构易产生碰撞的问题，实现WIFI的AP节点和LTE-U节点以及不同运营商的LTE-U节点之间公平竞争信道资源的目的。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。