비면허대역에서 광대역 시스템과 공존을 위한 협대역 Listen-Before-Talk 기법 연구

Narrowband Listen-Before-Talk under Coexistence with Wideband Systems in Unlicensed Spectrum

Abstract

3GPP LTE의 비면허대역 솔루션인 Licensed Assisted Access (LAA) 기술은 Listen-Before-Talk (LBT)을 수행한다. 이는 Wi-Fi와의 공존을 위해 Wi-Fi의 백오프 기법과 매우 유사하게 설계되었다. 하지만, Wi-Fi의 백오프 기법은 기존 장치와의 호환 및 공존을 위해 오래된 설계에 기반하고 있어, LAA의 LBT 또한 스펙트럼 이용에 있어 비효율성을 보인다. 만약 근처에 Wi-Fi 시스템이 없는 환경이라면 LAA는 보다 효율적인 LBT를 수행할 수 있다. 이 논문은 협대역 전송을 위한 Narrowband Clear Channel Assessment (NCCA)를 제안한다. NCCA에서 LAA 기지국은 광대역 또는 각 협대역 밴드에서 LBT를 수행한다. 이를 통해, 복수의 LAA 노드가 서로 다른 협대역에서 동시에 전송할 수 있게 한다. NCCA 구현을 위해 네 가지의 설계안을 제시하고, 성능 예측을 위한 수학 모델을 제시한다. 기존 광대역 시스템과 공존하는 시나리오에서 시뮬레이션을 통해 NCCA의 공존 성능과 제시한 성능 모델의 정확성을 보인다.

LTE's extension for unlicensed spectrum called Licensed Assisted Access (LAA) is equipped with Listen-Before-Talk (LBT) designed similar with the backoff mechanism of Wi-Fi for coexistence. However, Wi-Fi's backoff mechanism has not evolved from its old design for compatibility with legacy devices, thus LAA's LBT is not efficient either in utilizing spectrum. If LAA operates with no Wi-Fi systems in proximity, it can run more efficient LBT. In this paper, we propose Narrowband Clear Channel Assessment (NCCA) for narrowband transmission. In NCCA, an LAA node performs LBT in either wide or each narrow bandwidth segment. This allows multiple LAA nodes to perform simultaneous transmissions in orthogonal bandwidth segments in the same time slot. We design four variants of NCCA implementation and model their performance using a mathematical model. The coexistence performance of NCCA with conventional wideband nodes and the accuracy of the model are shown via simulation.

Fig. 1. Narrowband Clear Channel Assessment:a) Unsynchronized, b) Synchronized. 그림 1. 협대역 CCA: a) 비동기식, b) 동기식

Fig. 2. NCCA implementation variants: a) NCCA with WCCA, b) NCCA with trigger signal, c) NCCA with equal data size, d) NCCA with handicapped contention window. 그림 2. NCCA 구현 방식: a) WCCA 결합, b) 트리거 시그널 사용, c) 동일 데이터 크기 사용, d) 경쟁윈도우 불이익 부여

Fig. 3. Mathematical model vs. Simulation result for NBT with 1 MHz segment. 그림 3. 1 MHz 세그먼트에 대한 NBT의 수학 모델과 시뮬레이션 결과 비교

Fig. 4. Mathematical model vs. Simulation result for NBT with 5 MHz. 그림 4. 5 MHz 세그먼트에 대한 NBT의 수학 모델과 시뮬레이션 결과 비교

Fig. 5. Mathematical model vs. Simulation result for NBT with 10 MHz. 그림 5. 10 MHz 세그먼트에 대한 NBT의 수학 모델과 시뮬레이션 결과 비교

Fig. 6. Throughput and collision probability in 1 MHz segment for: a) Method 1, b) Method 2, c) Method 3, d) Method 4. 그림 6. 1 MHz 세그먼트에 대한 수율과 충돌확률 결과: a) 방법 1, b) 방법 2, c) 방법 3, d) 방법 4

Fig. 7. Throughput and collision probability in 5 MHz segment for: a) Method 1, b) Method 2, c) Method 3, d) Method 4. 그림 7. 5 MHz 세그먼트에 대한 수율과 충돌확률 결과: a) 방법 1, b) 방법 2, c) 방법 3, d) 방법 4

Fig. 8. Throughput and collision probability in 10 MHz segment for: a) Method 1, b) Method 2, c) Method 3, d) Method 4. 그림 8. 10 MHz 세그먼트에 대한 수율과 충돌확률 결과: a) 방법 1, b) 방법 2, c) 방법 3, d) 방법 4