Efficient resource utilization for throughput enhancement in coexisting NR-U and wi-fi (ax) wireless networks

The demand in mobile traffic has been growing rapidly since the introduction of smart phones and internet based services. Since then, cellular operators are looking for innovative solutions such as Massive Multiple Input Multiple Output (mMIMO) and millimeter Wave (mmWave) Communication to meet the traffic demand. However, the scarcity of licensed bands remains one of the major restrictions to achieve a higher capacity. Due to need of more spectrum, exploiting the unlicensed bands, such as the 2.4 GHz, 5.0 GHz, and 60 GHz bands, becomes a promising solution. The Third Generation Partnership Project (3GPP) has specified the standardization of the Long Term Evolution (LTE) - Licensed Assisted Access (LAA), its enhanced LAA (eLAA) extension, and New Radio Unlicensed (NR-U), to opportunistically transmit in the unlicensed spectrum. The LAA/eLAA/NR-U systems share unlicensed spectrum resources with other networks, e.g., Wi-Fi systems. So, a harmonious coexistence between LTE/NR-U base stations and Wi-Fi nodes must be guaranteed in the unlicensed bands. Listen Before Talk (LBT) has been developed in 3GPP standardization as a mechanism to guarantee the coexistence of Cellular Networks with Wi-Fi. Additionally, NR has been introduced with new features such as Numerologies, Bandwidth Part (BWP), uplink OFDMA, and new operating spectrum compared to LTE. Considering an inevitable operation of cellular networks in unlicensed band motivates us to analyze coexistence of the 5th Generation (5G) mobile network with the latest version of Wi-Fi which is known as 802.11ax. We propose to exploit BWP definition of 5G in order to improve the coexistence performance in context of throughput, latency and fairness. In our proposal we define multiple bandwidth parts for 5G base stations (gNB) and exploit them in two possible manners. The first is to offload traffic loads into another idle BWP if the main BWP is classified as busy after LBT process. The second is to divide a wideband channel into smaller BWPs. If LBT assesses the channel as busy, while it is only partially occupied, then the gNB will be able to use the idle part for transmission rather than postponing it. In order to justify our proposal benefits in coexistence scenario, we have run simulation following deployment scenario suggested by 3GPP. Finally, our numerical results show an enhancement in overall performance of the NR-U and Wi-Fi users. They demonstrate an increase in system throughput and reduction in latency without loosing fairness between two networks.

Il consumo di traffico mobile è in rapida crescita sin dall’introduzione degli smartphone e dei servizi basati sull’internet. Fin dal principio, gli operatori hanno esplorato soluzioni innovative, quali Massive MIMO e onde millimetriche, che permettessero di soddisfare la domanda. Tuttavia, la scarsità di banda continua a essere il principale ostacolo verso il raggiungimento di capacità elevate. Necessitando di una porzione di spettro sempre più ampia, l’utilizzo delle bande non soggette a licenza quali i 2.4 GHz, 5 GHz e 60 GHz si propone come una soluzione promettente. Il Third Generation Partnership Project (3GPP) ha prodotto le specifiche per gli standard Licensed Assisted Access (LAA), l’estensione enhanced LAA (eLAA) e New Radio Unlicensed (NR-U) che permettono di trasmettere opportunisticamente nello spettro non soggetto a licenza. I sistemi LAA/eLAA/NR-U condividono le risorse di spettro con altri sistemi, come il Wi-Fi. Dunque, una coesistenza armoniosa tra stazioni base LTE/NR-U e nodi WiFi è necessaria in queste porzioni di sbanda. Nello standard 3GPP, il meccanismo Listen Before Talk (LBT) è stato sviluppato per garantire la coesistenza delle reti cellulari con il WiFi. In aggiunta, caratteristiche come Bandwidth Part (BWP), uplink OFDMA e nuovi spettri operativi non esistenti in LTE sono state introdotte con NR. L’inevitabile considerazione che le reti cellulari debbano quindi operare in bande non soggette a licenza motiva l’analisi della coesistenza della quinta generazione di reti radiomobili (5G) con l’ultima versione dello standard Wi-Fi, noto come 802.11ax. Proponiamo lo sfruttamento della BWP definition del 5G per migliorare le prestazioni del sistema in termini di throughput, latenza e fairness. Nella nostra proposta, definiamo diverse BWP per le stazioni base 5G (gNB), per poi sfruttarle in due modi. La prima opzione consiste nell’utilizzare una BWP alternativa per la trasmissione dei dati, nel caso in cui la principale risulti occupata in seguito alla fase LBT. La seconda alternativa è basata sulla divisione del canale in BWP più piccole, tra queste vengono poi utilizzate quelle risultanti libere dopo la fase LBT per trasmettere i dati, evitando di dover posticipare la trasmissione. Per valutare la bontà della nostra proposta in un ambiente di coeasistenza, abbiamo eseguito delle simulazioni basate su degli scenari suggeriti da 3GPP. I risultati numerici mostrano un incremento delle prestazioni totali per gli utenti Wi-Fi e NR-U. In particolare, è possibile constatare che il throughput risulta aumentato e la latenza risulta diminuita senza perdita di fairness per alcuna delle due reti.