Survey of Spectrum Sharing for Inter-Technology Coexistence

Increasing capacity demands in emerging wireless technologies are expected to be met by network densification and spectrum bands open to multiple technologies. These will, in turn, increase the level of interference and also result in more complex inter-technology interactions, which will need to be managed through spectrum sharing mechanisms. Consequently, novel spectrum sharing mechanisms should be designed to allow spectrum access for multiple technologies, while efficiently utilizing the spectrum resources overall. Importantly, it is not trivial to design such efficient mechanisms, not only due to technical aspects, but also due to regulatory and business model constraints. In this survey we address spectrum sharing mechanisms for wireless inter-technology coexistence by means of a technology circle that incorporates in a unified, system-level view the technical and non-technical aspects. We thus systematically explore the spectrum sharing design space consisting of parameters at different layers. Using this framework, we present a literature review on inter-technology coexistence with a focus on wireless technologies with equal spectrum access rights, i.e. (i) primary/primary, (ii) secondary/secondary, and (iii) technologies operating in a spectrum commons. Moreover, we reflect on our literature review to identify possible spectrum sharing design solutions and performance evaluation approaches useful for future coexistence cases. Finally, we discuss spectrum sharing design challenges and suggest future research directions

A Q-learning scheme for fair coexistence between LTE and Wi-Fi in unlicensed spectrum

During the last years, the growth of wireless traffic pushed the wireless community to search for solutions that can assist in a more efficient management of the spectrum. Toward this direction, the operation of long term evolution (LTE) in unlicensed spectrum (LTE-U) has been proposed. Targeting a global solution that respects the regional regulations worldwide, 3GPP has published the LTE licensed assisted access (LAA) standard. According to LTE LAA, a listen before talk (LBT) procedure must precede any LTE transmission burst in the unlicensed spectrum. However, the proposed standard may cause coexistence issues between LTE and Wi-Fi, especially in the case that the latter does not use frame aggregation. Toward the provision of a balanced channel access, we have proposed mLTE-U that is an adaptive LTE LBT scheme. According to mLTE-U, LTE uses a variable transmission opportunity (TXOP), followed by a variable muting period. This muting period can be exploited by co-located Wi-Fi networks to gain access to the medium. In this paper, the system model of the mLTE-U scheme in coexistence with Wi-Fi is studied. In addition, mLTE-U is enhanced with a Q-learning technique that is used for autonomous selection of the appropriate combinations of TXOP and muting period that can provide fair coexistence between co-located mLTE-U and Wi-Fi networks. Simulation results showcase the performance of the proposed model and reveal the benefit of using Q-learning for self-adaptation of mLTE-U to the changes of the dynamic wireless environment, toward fair coexistence with Wi-Fi. Finally, the Q-learning mechanism is compared with conventional selection schemes showing the superior performance of the proposed model over less complex mechanisms

CBRS Spectrum Sharing between LTE-U and WiFi: A Multiarmed Bandit Approach

The surge of mobile devices such as smartphone and tablets requires additional capacity. To achieve ubiquitous and high data rate Internet connectivity, effective spectrum sharing and utilization of the wireless spectrum carry critical importance. In this paper, we consider the use of unlicensed LTE (LTE-U) technology in the 3.5 GHz Citizens Broadband Radio Service (CBRS) band and develop a multiarmed bandit (MAB) based spectrum sharing technique for a smooth coexistence with WiFi. In particular, we consider LTE-U to operate as a General Authorized Access (GAA) user; hereby MAB is used to adaptively optimize the transmission duty cycle of LTE-U transmissions. Additionally, we incorporate downlink power control which yields a high energy efficiency and interference suppression. Simulation results demonstrate a significant improvement in the aggregate capacity (approximately 33%) and cell-edge throughput of coexisting LTE-U and WiFi networks for different base station densities and user densities

Cellular and Wi-Fi technologies evolution: from complementarity to competition

This PhD thesis has the characteristic to span over a long time because while working on it, I was working as a research engineer at CTTC with highly demanding development duties. This has delayed the deposit more than I would have liked. On the other hand, this has given me the privilege of witnessing and studying how wireless technologies have been evolving over a decade from 4G to 5G and beyond. When I started my PhD thesis, IEEE and 3GPP were defining the two main wireless technologies at the time, Wi-Fi and LTE, for covering two substantially complementary market targets. Wi-Fi was designed to operate mostly indoor, in unlicensed spectrum, and was aimed to be a simple and cheap technology. Its primary technology for coexistence was based on the assumption that the spectrum on which it was operating was for free, and so it was designed with interference avoidance through the famous CSMA/CA protocol. On the other hand, 3GPP was designing technologies for licensed spectrum, a costly kind of spectrum. As a result, LTE was designed to take the best advantage of it while providing the best QoE in mainly outdoor scenarios. The PhD thesis starts in this context and evolves with these two technologies. In the first chapters, the thesis studies radio resource management solutions for standalone operation of Wi-Fi in unlicensed and LTE in licensed spectrum. We anticipated the now fundamental machine learning trend by working on machine learning-based radio resource management solutions to improve LTE and Wi-Fi operation in their respective spectrum. We pay particular attention to small cell deployments aimed at improving the spectrum efficiency in licensed spectrum, reproducing small range scenarios typical of Wi-Fi settings. IEEE and 3GPP followed evolving the technologies over the years: Wi-Fi has grown into a much more complex and sophisticated technology, incorporating the key features of cellular technologies, like HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling and spatial reuse. On the other hand, since Release 13, cellular networks have also been designed for unlicensed spectrum. As a result, the two last chapters of this thesis focus on coexistence scenarios, in which LTE needs to be designed to coexist with Wi-Fi fairly, and NR, the radio access for 5G, with Wi-Fi in 5 GHz and WiGig in 60 GHz. Unlike LTE, which was adapted to operate in unlicensed spectrum, NR-U is natively designed with this feature, including its capability to operate in unlicensed in a complete standalone fashion, a fundamental new milestone for cellular. In this context, our focus of analysis changes. We consider that these two technological families are no longer targeting complementarity but are now competing, and we claim that this will be the trend for the years to come. To enable the research in these multi-RAT scenarios, another fundamental result of this PhD thesis, besides the scientific contributions, is the release of high fidelity models for LTE and NR and their coexistence with Wi-Fi and WiGig to the ns-3 open-source community. ns-3 is a popular open-source network simulator, with the characteristic to be multi-RAT and so naturally allows the evaluation of coexistence scenarios between different technologies. These models, for which I led the development, are by academic citations, the most used open-source simulation models for LTE and NR and havereceived fundings from industry (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) and federal agencies (NIST, LLNL) over the years.Aquesta tesi doctoral té la característica d’allargar-se durant un llarg període de temps ja que mentre treballava en ella, treballava com a enginyera investigadora a CTTC amb tasques de desenvolupament molt exigents. Això ha endarrerit el dipositar-la més del que m’hagués agradat. D’altra banda, això m’ha donat el privilegi de ser testimoni i estudiar com han evolucionat les tecnologies sense fils durant més d’una dècada des del 4G fins al 5G i més enllà. Quan vaig començar la tesi doctoral, IEEE i 3GPP estaven definint les dues tecnologies sense fils principals en aquell moment, Wi-Fi i LTE, que cobreixen dos objectius de mercat substancialment complementaris. Wi-Fi va ser dissenyat per funcionar principalment en interiors, en espectre sense llicència, i pretenia ser una tecnologia senzilla i barata. La seva tecnologia primària per a la convivència es basava en el supòsit que l’espectre en el que estava operant era de franc, i, per tant, es va dissenyar simplement evitant interferències a través del famós protocol CSMA/CA. D’altra banda, 3GPP estava dissenyant tecnologies per a espectres amb llicència, un tipus d’espectre costós. Com a resultat, LTE està dissenyat per treure’n el màxim profit alhora que proporciona el millor QoE en escenaris principalment a l’aire lliure. La tesi doctoral comença amb aquest context i evoluciona amb aquestes dues tecnologies. En els primers capítols, estudiem solucions de gestió de recursos de radio per a operacions en espectre de Wi-Fi sense llicència i LTE amb llicència. Hem anticipat l’actual tendència fonamental d’aprenentatge automàtic treballant solucions de gestió de recursos de radio basades en l’aprenentatge automàtic per millorar l’LTE i Wi-Fi en el seu espectre respectiu. Prestem especial atenció als desplegaments de cèl·lules petites destinades a millorar la eficiència d’espectre llicenciat, reproduint escenaris de petit abast típics de la configuració Wi-Fi. IEEE i 3GPP van seguir evolucionant les tecnologies al llarg dels anys: El Wi-Fi s’ha convertit en una tecnologia molt més complexa i sofisticada, incorporant les característiques clau de les tecnologies cel·lulars, com ara HARQ i la reutilització espacial. D’altra banda, des de la versió 13, també s’han dissenyat xarxes cel·lulars per a espectre sense llicència. Com a resultat, els dos darrers capítols d’aquesta tesi es centren en aquests escenaris de convivència, on s’ha de dissenyar LTE per conviure amb la Wi-Fi de manera justa, i NR, l’accés a la radio per a 5G amb Wi-Fi a 5 GHz i WiGig a 60 GHz. A diferència de LTE, que es va adaptar per funcionar en espectre sense llicència, NR-U està dissenyat de forma nativa amb aquesta característica, inclosa la seva capacitat per operar sense llicència de forma autònoma completa, una nova fita fonamental per al mòbil. En aquest context, el nostre focus d’anàlisi canvia. Considerem que aquestes dues famílies de tecnologia ja no estan orientades cap a la complementarietat, sinó que ara competeixen, i afirmem que aquesta serà el tendència per als propers anys. Per permetre la investigació en aquests escenaris multi-RAT, un altre resultat fonamental d’aquesta tesi doctoral, a més de les aportacions científiques, és l’alliberament de models d’alta fidelitat per a LTE i NR i la seva coexistència amb Wi-Fi a la comunitat de codi obert ns-3. ns-3 és un popular simulador de xarxa de codi obert, amb la característica de ser multi-RAT i, per tant, permet l’avaluació de manera natural d’escenaris de convivència entre diferents tecnologies. Aquests models, pels quals he liderat el desenvolupament, són per cites acadèmiques, els models de simulació de codi obert més utilitzats per a LTE i NR i que han rebut finançament de la indústria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) i agències federals (NIST, LLNL) al llarg dels anys.Esta tesis doctoral tiene la característica de extenderse durante mucho tiempo porque mientras trabajaba en ella, trabajaba como ingeniera de investigación en CTTC con tareas de desarrollo muy exigentes. Esto ha retrasado el depósito más de lo que me hubiera gustado. Por otro lado, gracias a ello, he tenido el privilegio de presenciar y estudiar como las tecnologías inalámbricas han evolucionado durante una década, de 4G a 5G y más allá. Cuando comencé mi tesis doctoral, IEEE y 3GPP estaban definiendo las dos principales tecnologías inalámbricas en ese momento, Wi-Fi y LTE, cumpliendo dos objetivos de mercado sustancialmente complementarios. Wi-Fi fue diseñado para funcionar principalmente en interiores, en un espectro sin licencia, y estaba destinado a ser una tecnología simple y barata. Su tecnología primaria para la convivencia se basaba en el supuesto en que el espectro en el que estaba operando era gratis, y así fue diseñado simplemente evitando interferencias a través del famoso protocolo CSMA/CA. Por otro lado, 3GPP estaba diseñando tecnologías para espectro con licencia, un tipo de espectro costoso. Como resultado, LTE está diseñado para aprovechar el espectro al máximo proporcionando al mismo tiempo el mejor QoE en escenarios principalmente al aire libre. La tesis doctoral parte de este contexto y evoluciona con estas dos tecnologías. En los primeros capítulos, estudiamos las soluciones de gestión de recursos de radio para operación en espectro Wi-Fi sin licencia y LTE con licencia. Anticipamos la tendencia ahora fundamental de aprendizaje automático trabajando en soluciones de gestión de recursos de radio para mejorar LTE y funcionamiento deWi-Fi en su respectivo espectro. Prestamos especial atención a las implementaciones de células pequeñas destinadas a mejorar la eficiencia de espectro licenciado, reproduciendo los típicos escenarios de rango pequeño de la configuración Wi-Fi. IEEE y 3GPP siguieron evolucionando las tecnologías a lo largo de los años: Wi-Fi se ha convertido en una tecnología mucho más compleja y sofisticada, incorporando las características clave de las tecnologías celulares, como HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling y la reutilización espacial. Por otro lado, desde la Release 13, también se han diseñado redes celulares para espectro sin licencia. Como resultado, los dos últimos capítulos de esta tesis se centran en estos escenarios de convivencia, donde LTE debe diseñarse para coexistir con Wi-Fi de manera justa, y NR, el acceso por radio para 5G con Wi-Fi en 5 GHz y WiGig en 60 GHz. A diferencia de LTE, que se adaptó para operar en espectro sin licencia, NR-U está diseñado de forma nativa con esta función, incluyendo su capacidad para operar sin licencia de forma completamente independiente, un nuevo hito fundamental para los celulares. En este contexto, cambia nuestro enfoque de análisis. Consideramos que estas dos familias tecnológicas ya no tienen como objetivo la complementariedad, sino que ahora están compitiendo, y afirmamos que esta será la tendencia para los próximos años. Para permitir la investigación en estos escenarios de múltiples RAT, otro resultado fundamental de esta tesis doctoral, además de los aportes científicos, es el lanzamiento de modelos de alta fidelidad para LTE y NR y su coexistencia con Wi-Fi y WiGig a la comunidad de código abierto de ns-3. ns-3 es un simulador popular de red de código abierto, con la característica de ser multi-RAT y así, naturalmente, permite la evaluación de escenarios de convivencia entre diferentes tecnologías. Estos modelos, para los cuales lideré el desarrollo, son por citas académicas, los modelos de simulación de código abierto más utilizados para LTE y NR y han recibido fondos de la industria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) y agencias federales (NIST, LLNL) a lo largo de los años.Postprint (published version

深層強化学習に基づいたD2D-UとWi-Fiの共存のためのモード選択

近年、モバイルデバイスの爆発的な増加に伴い、周波数スペクトル資源の効率的な利用がより重要な課題になりつつある。その中、近隣デバイス間の直接通信を用いるD2D通信が5Gの主要技術の一つとなっている。コアデバイスの介入の必要がなくなるため、コアネットワークのオーバヘッドを削減し、高周波数スペクトル利用効率と高スループットが期待できる。その中、免許不要な周波数帯を用いたD2D通信（D2D-U）では、普通のD2Dよりさらなる性能向上が期待される。この論文では、D2D通信が免許を要しない周波数帯への接続方法を提案している。D2D-UとWi-Fiの共存モードの性能のシミュレーション結果に基づき、深層強化学習（DRL）を用いた共存のためのモード選択の手法を提案している。アルゴリズムの主体となるD2D-Uが周囲の通信環境を学習して適切な通信モードを選び、Wi-Fiデバイスへの干渉を抑えながら、D2D-Uのスループットの向上を達成している。コンピュータシミュレーションに基づき、提案手法はWi-Fiの性能を確保し、D2D-Uの性能向上を実現できることを示している。比較実験を行い、他の手法より高いネットワーク性能を達成できることを示している。電気通信大学202

Cooperation techniques between LTE in unlicensed spectrum and Wi-Fi towards fair spectral efficiency

On the road towards 5G, a proliferation of Heterogeneous Networks (HetNets) is expected. Sensor networks are of great importance in this new wireless era, as they allow interaction with the environment. Additionally, the establishment of the Internet of Things (IoT) has incredibly increased the number of interconnected devices and consequently the already massive wirelessly transmitted traffic. The exponential growth of wireless traffic is pushing the wireless community to investigate solutions that maximally exploit the available spectrum. Recently, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) announced standards that permit the operation of Long Term Evolution (LTE) in the unlicensed spectrum in addition to the exclusive use of the licensed spectrum owned by a mobile operator. Alternatively, leading wireless technology developers examine standalone LTE operation in the unlicensed spectrum without any involvement of a mobile operator. In this article, we present a classification of different techniques that can be applied on co-located LTE and Wi-Fi networks. Up to today, Wi-Fi is the most widely-used wireless technology in the unlicensed spectrum. A review of the current state of the art further reveals the lack of cooperation schemes among co-located networks that can lead to more optimal usage of the available spectrum. This article fills this gap in the literature by conceptually describing different classes of cooperation between LTE and Wi-Fi. For each class, we provide a detailed presentation of possible cooperation techniques that can provide spectral efficiency in a fair manner