LTE與Wi-Fi發展趨勢探討

董 哲

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

自2009年底全球首個LTE網絡商用以來，LTE在全球市場取得了快速發展。根據GSA的統計，至2013年4月，LTE已在全球67個國家得到商用，網絡數量達到163個。根 據Strategy Analytics的 統 計，至2012年 底LTE網絡已覆蓋了全球人口的11%，而在2013年內，這一數字將再翻一番，使LTE覆蓋人口數量達到全球人口的22%。預計Wi-Fi芯片2013年的出貨量將達到21.4億個，較2012年的17.8億個同比大增20%，預計Wi-Fi芯片2011-2017年的出貨量約為187億個。屆時，全球共有70億人口，而這一數字意味著Wi-Fi芯片的出貨量將是全球總人口的2.5倍之多。本文將對LTE與Wi-Fi的技術特征進行探討，通過技術分析推論出LTE和Wi-Fi之間的關系，最后對LTE和Wi-Fi的協同演進方案進行詳細闡述。

2 LTE與Wi-Fi的技術特征

LTE是全雙工通信技術，根據雙工方式分為FDD和TDD兩種，上行和下行的多址技術分別為SC-FDMA和OFDMA，采用了MIMO天線技術和高階調制技術，同時提供了靈活的帶寬配置。

Wi-Fi是半雙工通信技術，OFDM同樣在Wi-Fi中得到了 廣 泛 的 應 用，在IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中均采用了OFDM技術，而MIMO天線技術和高階調制技術也應用在IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac中，IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac在MAC層還采用了幀聚合技術，將目的地的多個相同幀合并為一個幀進行傳輸，有效地提高了傳輸效率，如圖1所示。

LTE與Wi-Fi的相關技術比較見表1。

圖1 LTE和Wi-Fi采用的主要技術

表1 LTE和Wi-Fi的技術比較

在數據速率方面，LTE-FDD在20 MHz帶寬條件下可以達到上行75 Mbit/s、下行150 Mbit/s；Wi-Fi與LTE相對應帶寬的是IEEE 802.11n單流，可以達到上行150 Mbit/s、下行150 Mbit/s，但目前市面上成熟的IEEE 802.11n雙流產品可以達到上行300 Mbit/s、下行300 Mbit/s。

在QoS方面，LTE具有低時延和完善的業務流QoS，有切換保證；而Wi-Fi時延較大，且無完善業務流QoS，僅瘦AP具備切換能力。

在移動性和覆蓋方面，LTE具有支持高速移動和廣覆蓋的特性，而Wi-Fi目前還無法做到，僅適用于室內等非高速移動環境。

LTE和Wi-Fi均具有豐富的頻率資源，但LTE頻率由國家無線電管理委員會劃定，因此不存在Wi-Fi 2.4 GHz免費頻段的干擾沖突。LTE在互操作和網管維護方面同樣具有優勢。

與Wi-Fi相比，LTE網絡雖然具有優勢，但同樣面臨挑戰，從某國外運營商的統計數據來看，用戶的業務速率隨LTE業務量增長呈現下降趨勢，如圖2所示。平均每個LTE用戶的月業務流量平穩地保持在2.5 GB左右，如圖3所示。

圖2 2012年某運營商LTE用戶速率趨勢

圖3 2012年某運營商LTE用戶業務流量

圖4 某運營商LTE小區負載趨勢

從該運營商對密集市區的400個eNode B（約2 100個小區）的數據來看，在兩個半月的時間里，小區連接用戶數增長了一倍，LTE小區負載隨業務量快速增長，如圖4所示。該網絡如果在密集市區，10%小區承載40%的話務量，LTE小區與話務量的關系如圖5所示。

圖5 某運營商LTE小區與話務量關系

基于以上分析，運營商在LTE時代很可能會采用“以LTE為主，Wi-Fi進行數據分流，LTE與Wi-Fi協 同 互 補”的策略。

3 LTE與Wi-Fi協同演進方案

既然電信運營商在LTE時代離不開Wi-Fi，那么如何實現二者的協同演進將是擺在運營商面前的一道難題。筆者給出兩種協同演進方案：無線融合和網絡融合。

無線融合，顧名思義，就是利用LTE與Wi-Fi解決無線覆蓋和容量的融合技術方案，根據具體場景和設備形態分為以下3種。

·方案1：LTE與Wi-Fi設備的融合式獨立布放。

·方案2：天線融合，即融合室內分布系統。

·方案3：無線設備融合，如Nanocell、LTE-Fi等。

在方案1中，針對特定目標區域（如圖6所示），用相對獨立的LTE和Wi-Fi設備進行重疊覆蓋，通過Wi-Fi分流LTE的數據業務，達到解決無線覆蓋和容量的目的。該方案適用于會議室、會展中心等用戶密集型場所。

圖6 LTE與Wi-Fi設備的融合式獨立布放示意

圖7 Nanocell組網架構

在方案2中，將LTE和Wi-Fi同時引入室內分布系統進行同區域重疊覆蓋，但需考慮LTE室內分布系統的多種改造方式。該方案主要適用于寫字樓、商場等大型樓宇。

在方案3中，LTE和Wi-Fi做到了無線側設備的物理融合，即同一個設備中包含了LTE和Wi-Fi兩種功能，這類設備常見的主要有兩種，一種是Nanocell，另一種是LTE-Fi。

Nanocell的架構和今天運營商的WLAN架構相同，通過寬帶回程網絡接入WLAN的認證系統，與AC、Portal和認證服務器AAA接口，一方面支持Web認證功能，另一方面也支持EAP-SIM/AKA/PEAP等自動認證方式。如圖7所示的系統架構可分為3個部分：EPC部分、WLAN接入控制部分及Nanocell新增網元部分。其中，EPC及WLAN接入控制的架構和組網方式沿用已有系統的架構和功能。而Nanocell新增網元的功能說明如下：

·Nanocell，為終端提供蜂窩網接入，和終端間通過Uu口進行空口的通信，其詳細信息參考第3節。同時提供WLAN接入，也和終端通過WLAN模塊進行通信。

圖8 LTE-Fi組網架構

圖9 LTE與Wi-Fi的技術演進示意

·Nanocell網關，對Nanocell設備進行雙向認證；對S1接口的信令和數據及Nanocell與網管間的消息通過IPSec進行加密；在Nanocell數量大時，Nanocell網關可根據配置進行S1接口信令面的匯聚，降低對MME的信令壓力。

·Nanocell網管，對Nanocell、Nanocell網關進行管理，在Nanocell啟動時對其參數進行配置，在運行中，對Nanocell進行性能管理。

·本地網關，是Nanocell的可選功能，可將用戶的數據通過本地網絡進行路由轉發，訪問本地網絡的IP資源，減少傳遞到核心網的IP數據分組。

LTE-Fi的網絡架構如圖8所示，采用LTE作為回傳鏈路，LTE-Fi設備同傳統AP一樣，由現網AC（AC池）統一管理調度。LTE-Fi的網絡架構及計費認證無需改造，采用瘦AP架構，即插即用，接入部分與傳統AP相同，目前可支持到雙流IEEE 802.11n。該方案部署靈活自由，可用于公交車等高速移動場景無線信號覆蓋以及自然風景區等特殊場景的無線數據回傳。

另一種協同演進的方案是網絡融合，即LTE與Wi-Fi端到端協同組網技術方案，該方案實現了LTE和Wi-Fi承載網的融合，Wi-Fi網關接入EPC，LTE和Wi-Fi雙模終端可在接入網進行發現和選擇。由于該方案實現起來較無線融合方案更為復雜，也可以作為無線融合方案的后續階段。

4 結束語

首先介紹了LTE和Wi-Fi的技術特征，通過技術分析推論出LTE和Wi-Fi之間的關系，最后詳細闡述了LTE和Wi-Fi的兩種協同演進方案。LTE和Wi-Fi在基于這兩種方案中分別在3GPP和IEEE兩個組織進行技術演進，演進路線如圖9所示，但不管兩者如何演進，由于二者的技術特點，運營商短期內將會繼續保持 “以LTE為 主，Wi-Fi進 行 數 據 分 流，LTE與Wi-Fi協 同 互補”的策略。

1 3GPP TS 36.201 V10.0.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA),LTE Physical Layer,General Description,2010

2 3GPP TS 36.300 V10.4.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN),Overall Description,2011

3 Wi-Fi Alliance.IEEE 802.11n System Interoperability Test Plan(V2.0.11),2011

4 3GPP TR 22.934.Feasibility Study on 3GPP System to Wireless Local Area Network Interworking,2002