LTE、WIMAX與WIFI網(wǎng)絡架構之比較

李 群， 高海鶯

（富春通信股份有限公司，福建 福州 35003）

0 引言

隨著無線寬帶接入技術的發(fā)展，WIFI、WIMAX和LTE成為目前的技術熱點。由于免費、快速接入等特性，WIFI一直是用戶獲取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的主要手段，據(jù)預計 2015年全球 50%的數(shù)據(jù)流量都將通過WIFI方式入網(wǎng)[1]。WIMAX作為能夠提供高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務的技術，正引起越來越多的重視。而 LTE作為 3G長期演進方案，日前中移動正加速擴大TD-LTE實驗網(wǎng)建設進程。WIFI、WIMAX、LTE網(wǎng)絡架構的不同，致使它們的應用范圍、提供的網(wǎng)絡服務以及市場定位等都存在很大差異。

WIFI（Wireless Fidelity）即無線保真，是致力于解決符合802.11標準產品的生產及設備兼容性問題的組織。隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)在IEEE802.11系列標準已被統(tǒng)稱為 WIFI，它是一種短程無線傳輸技術，能在數(shù)百英尺范圍內支持互聯(lián)網(wǎng)的接入，可工作于2.4 GHz和5 GHz的頻段[2]。目前，在全球范圍內，基于WIFI技術的無線局域網(wǎng)已日趨普及，覆蓋范圍也越來越廣泛[2]。

WIMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）即全球微波接入互操作性。WIMAX也稱802.16無線城域網(wǎng)，是一項新興的寬帶無線接入技術，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接。該技術是針對微波和毫米波頻段提出的一種新空中接口標準，其主要目標是提供在城域網(wǎng)一點對多點的多廠商環(huán)境下有效地互操作的寬帶無線接入手段[2-4]。它可以解決高速連接“最后一公里”的無線寬帶城域網(wǎng)的接入問題[4-5]。

LTE（Long-Term Evolution）長期演進，被通俗地稱為3.9G。2004年11月，3GPP組織啟動LTE項目，其目標在于對抗 WIMAX競爭，打造超越WCDMA和TD-SCDMA的新一代無線通信系統(tǒng)，以確保在未來10年內領先[6-7]。LTE已經成為移動通信的主流演進方向。

1 WIFI、WIMAX、LTE的網(wǎng)絡架構

1.1 WIFI的網(wǎng)絡架構

自1997年第一代WIFI標準發(fā)布以來，到2012年2月已經發(fā)展到第五代WIFI標準。其發(fā)展進程如圖1所示。

圖1 WIFI標準進展

WIFI的網(wǎng)絡架構如圖2所示。

圖2 WIFI網(wǎng)絡架構

WIFI網(wǎng)絡架構中的各元素通過相互作用來提供WLAN服務，并向上層支持站點的移動性。站點是網(wǎng)絡最基本的組成部分，可以是一臺 PC機，也可是如PDA等手持無線設備；基本服務單元（BSS）是802.11標準規(guī)定的WLAN的最小構件。一個BSS包括一個基站和若干個站點，所有的站點在本 BSS內都可直接通信，但在與本BSS以外的站點通信時必須通過本BSS的基站；分配系統(tǒng)（DS）用于連接不同的 BSS，它通過必要的邏輯服務將匹配地址分配給目標站點，使移動終端設備得到支持，并在多個BSS間實現(xiàn)無縫整合；AP既有普通站點的身份，又有接入到 DS的功能；擴展服務單元（ESS）由DS和BSS組合而成。一個BSS可以是孤立的，也可通過 AP連接到主干 DS，然后再接入到另一個BSS，這樣就構成了一個ESS；門橋（Portal）的作用相當于網(wǎng)橋，用于將無線局域網(wǎng)和有線局域網(wǎng)或其它網(wǎng)絡聯(lián)系起來。所有來自非802.11局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)都要通過門橋才能進入IEEE 802.11的網(wǎng)絡結構。

1.2 WIMAX的網(wǎng)絡架構

WIMAX標準進展如圖3所示。

WIMAX的網(wǎng)絡架構如圖4所示。

圖 4中 R1為空中接口；R2為客戶界面；R3為WiMAX接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的接口；RASN與ASN的接口；R5為核心網(wǎng)WiMAX漫游接口；R6為BS與ASN GW之間的接口；R7為控制與承載的接口；R8為BS與BS之間的接口；ASP為應用業(yè)務供應商；ASN為接入業(yè)務網(wǎng)絡；CSN為核心業(yè)務網(wǎng)；NSP為網(wǎng)絡業(yè)務供應商。

圖3 WIMAX標準進展

圖4 WIMAX的網(wǎng)絡架構

ASN的功能是管理802.16空中接口。其主要功能包括發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡并選擇接入；連接到選定的CSN、ASN內切換和移動性管理；無線資源管理和分配等[8]。一個ASN由基站（BS）和接入網(wǎng)關（ASN- GW）組成，可連接到多個CSN，為不同NSP的CSN提供服務[5]。CSN為WIMAX用戶提供IP連接，主要包括Internet接入。其主要功能有IP地址管理；ASN間位置管理、移動性和漫游；為多種業(yè)務（如語音）提供基礎連接、策略控制和QoS管理等[8]。CSN可作為全新的WIMAX系統(tǒng)的新建網(wǎng)絡實體，也可利用部分現(xiàn)有網(wǎng)絡設備實現(xiàn)其功能。

1.3 LTE網(wǎng)絡架構

LTE的標準演進如圖5所示。

圖5 LTE的標準演進

LTE的網(wǎng)絡架構如圖6所示。

圖6 LTE的網(wǎng)絡架構

圖6中S1-MME為EPC與eNB接口；S11為控制面網(wǎng)元和用戶面網(wǎng)元間的信令接口；Gx為PCRF與PCEF（位于P-GW）間的接口；S1-U為用戶面接口；SGi為拜訪地PCRF與歸屬地PCEF互通接口；業(yè)務策略提供點通過Rx接口向PCRF通知業(yè)務屬性；S5為S-GW和P-GW間接口；P-GW為SAE網(wǎng)絡的邊界網(wǎng)關；HSS為SAE網(wǎng)絡用戶數(shù)據(jù)管理網(wǎng)元；MME通過S6a接口從HSS獲得鑒權和簽約信息；S8為PCEF國際漫游接口；PCRF為策略控制服務器。

LTE接入網(wǎng)由互連的演進型節(jié)點B（e-Node B）組成，提供UE的E-UTRA控制平面與用戶平面的協(xié)議終止點。e-Node B的主要任務就是處理移動基站（MS）的話務量。LTE中的移動管理實體（MME）與服務網(wǎng)關（S-GW）為核心網(wǎng)（EPC）提供空中接口。EPC信令處理部分稱為 MME，數(shù)據(jù)處理部分稱為S-GW。MME是控制面功能實體，負責處理與用戶終端（UE）相關的信令消息。S-GW是用戶面功能實體，負責為 UE提供承載通道來完成分組數(shù)據(jù)的路由和轉發(fā)。

2 比較

根據(jù)三者的網(wǎng)絡架構圖，發(fā)現(xiàn)LTE與WIMAX的網(wǎng)絡架構類似，都是全IP扁平化結構，其網(wǎng)絡架構大致可分為 3大邏輯部分：移動基站/用戶終端（MS/UE）、接入服務網(wǎng)/核心網(wǎng)（ASN/CN）和連接服務網(wǎng)/協(xié)議數(shù)據(jù)網(wǎng)（CSN/PDN）[9]。雖然 LTE與WIMAX在網(wǎng)絡架構上沒有較大區(qū)別，但它們的MS/UE模塊的功能不同。WIMAX中ASN-GW的功能由 LTE的兩個實體提供，即 MME和 S-GW。WIMAX中的ASN-GW與LTE中的MME和S-GW都為EPC提供空中接口，被認為是用戶話務量的聚合點。其任務都是用e-NB/BS建立、維持、終止流動隧道的移動性管理。兩者的區(qū)別主要在于LTE把處理控制層流量與用戶層流量分開，即 MME只用來處理控制層的流量，S-GW 只用來處理用戶層流量；而WIMAX在概念上沒有控制層和用戶層之分，控制層和用戶層流量統(tǒng)一由ASN-GW處理。另外，LTE定義的實體為 LTE以及傳統(tǒng) 3G網(wǎng)絡（如WCDMA）提供了接口；而WIMAX仍致力于完成這部分功能[9-10]。

WIFI實際上屬于WLAN范疇，它有3種工作方式：

1）基于AP組建的基礎無線網(wǎng)絡（Infrastructure）：由 AP創(chuàng)建，眾多站點加入所組成的無線網(wǎng)絡，這種類型網(wǎng)絡的特點是 AP是整個網(wǎng)絡的中心，網(wǎng)絡中所有的通信都通過AP來轉發(fā)完成。

2）基于自組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡（Ad hoc）：也稱為自組網(wǎng)，是僅由兩個及以上站點自己組成，網(wǎng)絡中不存在AP，這種類型的網(wǎng)絡是一種松散的結構，網(wǎng)絡中所有的站點都可直接通信。

3）WIFI Direct：可以在傳統(tǒng)AP網(wǎng)絡設備不存在的情況下支持點到點的通信。微軟計劃在 WIN8中內置WIFI Direct。

LTE與WIMAX、WIFI在各方面的性能比較如表1所示。

從表1中可看出，盡管LTE費用較高，但在靈活性、數(shù)據(jù)速率、穩(wěn)定性方面它更具技術優(yōu)勢。目前全球范圍內，各家運營商都在花費重金儲備 LTE頻譜資源，我國TD-LTE的工作頻段也已經確定。

表1 LTE、WIMAX、WIFI主要性能對照

3 結語

LTE、WIMAX與WIFI都有各自的特點， LTE與 WIMAX網(wǎng)絡架構有類似之處；WIFI標準與WIMAX標準都是由 IEEE制定的無線通信網(wǎng)絡標準。WIFI標準是針對WLAN設計的，而WIMAX標準則是針對WMAN設計的。目前進行的的“4G”體驗一般都是通過LTE信號轉換成WIFI信號后供用戶使用的。

[1] 中國移動通信移動 Labs:WIFI:4G LTE的攪局者還是支持者？[EB/OL].(2012-8-10)[2012-8-12]. http://labs.chinamobile.com/news/lte/77179.

[2] 王娟,郭家奇,劉微.WIFI技術的深入探討與研究[J].價值工程,2011(06):91.

[3] 王鶴鳴.無安全,不 WiFi[J].信息安全與通信保密,2012(10):37-38.

[4] HANZO L,AKHTMAN J,WANG L,et al.MIMO-OFDM for LTE,WIFI and WIMAX: Coherent Versus Non-coherent and Cooperative Turbo Transceivers[M].[s.l.]: Wiley-IEEE Press,2011:39-45.

[5] 朱蓉.WIMAX關鍵技術及網(wǎng)絡結構探討[J].通信技術,2010,43(01):85-87.

[6] 馮秀濤.3GPP LTE國際加密標準ZUC算法[J].信息安全與通信保密,2011(02)：45.

[7] 魏笑笑,周政華.WIMAX技術及其應用分析[J].通信技術,2009(03)：98-99.

[8] SIM S,HAN S J,PARK J S,et al.Seamless IP Mobility Support for Flat Architecture Mobile WIMAX Networks[J]. IEEE Communications Magazine,2009(06)：142.

[9] TAHA A M,HASSANEIN H S,ALI N A. LTE, Lte-Advanced and Wimax-Towards： Imt-Advanced Networks[M].United Kingdom： John Wiley & Sons Ltd., 2012：223-225.

[10] YI L,MIAO K,LIU A.A Comparative Study of WIMAX and LTE as the Next Generation Mobile Enterprise Network[C]//Advanced Communication Technology(ICACT). Beijing,China： Dept. of IT Res., 2011：654-658.