Performance Analysis and Enhancing Strategies for Unlicensed Band Cellular Communication System

Abstract

3GPP는 LAA (licensed-assisted access)라고하는 5GHz 비면허 대역 LTE를 개발했습니다. LAA는 충돌 방지 기능을 사용하기 위해 Wi-Fi의 CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision avoidance)와 유사한 LBT (Listen Before Talk) 작업을 채택하여 각 LAA 다운 링크 버스트의 프레임 구조 오버 헤드는 각각의 종료 시간에 따라 달라집니다. 이전 LBT 작업. 이 논문에서는 비면허 대역 셀룰러 통신을 분석하기위한 수치 모델을 제안한다. 다음으로, 비면허 대역 셀룰러 통신의 다음 두 가지 향상된 기능을 고려합니다. 대역 독립형 셀룰러 통신. 기존 WiFi 분석 모델로는 LAA의 성능을 평가할 수 없다는 점을 감안하여 본 서신에서는 여러 경합 진화 된 NodeB로 구성된 LAA 네트워크의 성능을 분석하기위한 새로운 Markov 체인 기반 분석 모델을 제안합니다. LAA 프레임 구조 오버 헤드의 변형. LTE-LAA는 LTE에서 상속 된 속도 적응 알고리즘을 위해 적응 변조 및 코딩 (AMC) 을 채택합니다. AMC는 진화 된 nodeB (eNB)가 현재 전송의 채널 품질 표시기 피드 백을 사용하여 다음 전송을위한 변조 및 코딩 방식 (MCS)을 선택하도록 돕습니다. 라이선스 대역에서 동작하는 기존 LTE의 경우 노드 경합 문제가 없으며 AMC 성능 에 대한 연구가 잘 진행되고 있습니다. 그러나 비면허 대역에서 동작하는 LTE-LAA 의 경우 충돌 문제로 인해 AMC 성능이 제대로 처리되지 않았습니다. 이 편지에서는 AMC 운영을 고려한 현실적인 채널 모델에서 LTELAA 성능을 분석하기위한 새로 운 Markov 체인 기반 분석 모델을 제안합니다. 무선 네트워크 분석에 널리 사용되는 Rayleigh 페이딩 채널 모델을 채택하고 분석 결과를 ns-3 시뮬레이터에서 얻은 결과 와 비교합니다. 비교 결과는 평균 정확도가 99.5%로 분석 모델의 정확도를 보여줍니다. 높은 데이터 속도에 대한 요구 사항으로 인해 3GPP는 LTE-LAA를위한 다중 반송파 운영을 제공했습니다. 그러나 다중 반송파 동작은 OOBE에 취약하고 제한된 전송 전력을 사용하여 비효율적 인 채널 사용을 초래합니다. 본 논문은 채널 효율을 높이기위한 새로운 다중 반송파 접근 방식을 제안한다. 우리가 제안한 방식은 전송 버스트를 여러 개로 분할하고 전송 전력 제한을 충족하면서 짧은 서브 프레임 전송 을 사용합니다. 또한 채널 상태를 정확하게 판단하여 OOBE 문제를 극복 할 수있는 에너지 감지 알고리즘을 제안합니다. 소프트웨어 정의 라디오를 사용하는 프로토 타입은 99% 이상의 정확도로 채널 상태를 결정하는 에너지 감지 알고리즘의 실행 가능성과 성능을 보여줍니다. ns-3 시뮬레이션을 통해 제안 된 다중 반송파 액세스 방식이 기존 LBT 유형 A 및 유형 B에 비해 사용자인지 처리량에서 각각 최대 59% 및 21.5%의 성능 향상을 달성 함을 확인했습니다. 레거시 LAA에는 배포 문제가 있기 때문에 3GPP와 MulteFire 얼라이언스는 비면허 대역 독립형 셀룰러 통신 시스 템을 제안했습니다. 그러나, 종래의 비면허 대역 독립형 셀룰러 통신 시스템은 상향 링크 제어 메시지의 전송 확률이 낮다. 이 논문은 Wi-Fi 블록 ACK 프레임에 업 링크 제어 메시지를 넣는 W ARQ : Wi-Fi 지원 HARQ를 제안합니다. 또한 W-ARQ의 처 리 성능을 향상시키기 위해 병렬 HARQ 및 클러스터링 된 Minstrel을 제안합니다. 우리가 제안한 알고리즘은 기존 MulteFire가 거의 제로 처리량 성능을 보이는 경우 높은 처리량 성능을 보여줍니다. 요약하면 비면허 대역 셀룰러 통신의 성능을 분석 합니다. 제안 된 모델을 사용함으로써 우리는 레거시 다중 반송파 동작을 주장하며 비면허 셀룰러 통신의 HARQ는 효율적이지 않다. 이러한 이유로, 우리는 최첨단 기 술에 비해 UPT 및 처리량과 같은 네트워크 성능 향상을 달성하는 OOBE 인식 추가 액세스 및 W-ARQ를 제안합니다.

3GPP has developed 5 GHz unlicensed band LTE, referred to as licensed-assisted access (LAA). LAA adopts listen before talk (LBT) operation, resembling Wi-Fis carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA), to enable collision avoidance capability, while the frame structure overhead of each LAA downlink burst varies with the ending time of each preceding LBT operation. In this dissertation, we propose numerical model to analyze unlicensed band cellular communication. Next, we consider the following two enhancements of unlicensed band cellular communication: (i) out-of-band emission (OOBE) aware additional carrier access, and (ii) Wi-Fi assisted hybrid automatic repeat request (H-ARQ) for unlicensed-band stand-alone cellular communication. Given that, existing analytic models of Wi-Fi cannot be used to evaluate the performance of LAA, in this letter, we propose a novel Markov chain-based analytic model to analyze the performance of LAA network composed of multiple contending evolved NodeBs by considering the variation of the LAA frame structure overhead. LTE-LAA adopts adaptive modulation and coding (AMC) for the rate adaptation algorithm inherited from LTE. AMC helps the evolved nodeB (eNB) to select a modulation and coding scheme (MCS) for the next transmission using the channel quality indicator feedback of the current transmission. For the conventional LTE operating in the licensed band, there is no node contention problem and AMC performance has been well studied. However, in the case of LTE-LAA operating in the unlicensed band, AMC performance has not been properly addressed due to the collision problem. In this letter, we propose a novel Markov chain-based analysis model for analyzing LTELAA performance under a realistic channel model considering AMC operation. We adopt Rayleigh fading channel model widely used in wireless network analysis, and compare our analysis results with the results obtained from ns-3 simulator. Comparison results show an average accuracy of 99.5%, which demonstrates the accuracy of our analysis model. Due to the requirement for a high data rate, the 3GPP has provided multi-carrier operation for LTE-LAA. However, multi-carrier operation is susceptible to OOBE and uses limited transmission power, resulting in inefficient channel usage. This paper proposes a novel multi-carrier access scheme to enhance channel efficiency. Our proposed scheme divides a transmission burst into multiple ones and uses short subframe transmission while meeting the transmission power limitation. In addition, we propose an energy detection algorithm to overcome the OOBE problem by deciding the channel status accurately. Our prototype using software-defined radio shows the feasibility and performance of the energy detection algorithm that determines the channel status with over 99% accuracy. Through ns-3 simulation, we confirm that the proposed multi-carrier access scheme achieves up to 59% and 21.5% performance gain in userperceived throughput compared with the conventional LBT type A and type B, respectively. Since the legacy LAA has deployment problem, 3GPP and MulteFire alliance proposed unlicensed band stand-alone cellular communication system. However, conventional unlicensed band stand-alone cellular communication system has low transmission probability of uplink control messages. This disertation proposes W-ARQ: Wi-Fi assisted HARQ which put uplink control messages into Wi-Fi block ACK frame. In addition we propose parallel HARQ and clustered Minstrel to enhance throughput performance of W-ARQ. Our proposed algorithm shows high throughput performance where conventional MulteFire shows almost zero throughput performance. In summary, we analyze the performance of unlicensed-band cellular communication. By using the proposed model, we insist the legacy multi-carrier operation and HARQ of unlicensed cellular communication is not efficient. By this reason, we propose OOBE aware additional access and W-ARQ which achievee enhancements of network performance such as UPT and throughput compared with state-of-the-art techniques.