LTE與WLAN聚合技術(shù)研究*

曹玉群

（諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，浙江 杭州 350013）

LTE與WLAN聚合技術(shù)研究*

曹玉群

（諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，浙江 杭州 350013）

隨著移動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的急劇增加，運(yùn)營商面臨著需要支付高昂的頻譜占用費(fèi)用以申請更多的授權(quán)頻譜來滿足用戶需求。為了降低移動網(wǎng)絡(luò)的部署成本，通過對授權(quán)頻譜與非授權(quán)頻譜融合的技術(shù)進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了LTE與WLAN的聚合方案，并通過外場測試場景比較了不同負(fù)載條件下的下行速率的增益，給出了LWA的部署建議。

LWA Xw接口 eLWA

1 引言

5G無線網(wǎng)絡(luò)將包括新的無線接入技術(shù)、LTE演進(jìn)技術(shù)和WLAN演進(jìn)技術(shù)等多種無線接入技術(shù)。針對5G無線網(wǎng)絡(luò)存在的多網(wǎng)絡(luò)、多接入技術(shù)共存的網(wǎng)絡(luò)特性，我國“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng) ”重大專項(xiàng)2017年度課題1-7將完成“5G多接入融合組網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化與驗(yàn)證”方面的研究工作，包括：LTE-A與Wi-Fi鏈路聚合雙連接技術(shù)；5G、LTE-A與Wi-Fi多連接技術(shù)；將LTE的載波聚合技術(shù)部分?jǐn)U展到非授權(quán)頻譜的LAA（Licensed-Assisted Access，授權(quán)頻譜輔助接入）技術(shù)；等等。

3GPP R13[1-2]定義了LWA（LTE and WLAN Aggregation）與LWIP這兩種鏈路聚合技術(shù)，其中LTE鏈路（授權(quán)頻譜）提供移動魯棒性與較廣的覆蓋范圍，而WLAN鏈路（非授權(quán)頻譜）承載了更高的數(shù)據(jù)流量，使UE（User Equipment，用戶終端）更好地同時(shí)利用LTE與WLAN接入技術(shù)，從而可以達(dá)到更高的峰值速率[3-5]。這兩種聚合技術(shù)顯著的區(qū)別在于：LWA在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層聚合，重用PDCP的安全機(jī)制；LWIP在IP層聚合，重用IP的安全機(jī)制。基于此，本文在介紹LWA技術(shù)、協(xié)議架構(gòu)及外場測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，給出了LWA的部署建議。

2 LWA關(guān)鍵技術(shù)

LWA是LTE與Wi-Fi雙連接的關(guān)鍵技術(shù)之一，在3GPP R13中LWA只支持下行數(shù)據(jù)Wi-Fi路徑承載，非授權(quán)頻譜僅支持2.4 GHz與5 GHz頻段，而在3GPP R14中新增的eLWA（enhanced LWA，增強(qiáng)LWA）技術(shù)將支持上行鏈路聚合，非授權(quán)頻譜新增了60 GHz頻段。

3GPP定義了共址部署與非共址部署這兩種LWA部署方式。其中，共址部署是將Wi-Fi AP（Access Point，接入點(diǎn)）與LTE小站集成在一起，用于人口密集區(qū)域的補(bǔ)盲且提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下行速率。

典型的非共址部署場景如圖1所示，利用LTE宏站的廣覆蓋實(shí)現(xiàn)LTE宏站與WLAN AP的聚合。

圖1 非共址部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在非共址部署方案中，WT（WLAN Terminal，WLAN的邊緣設(shè)備）是3GPP新定義的邏輯網(wǎng)元設(shè)備，它既可以是一臺獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也可能需要集成在WLAN AC（Access Controller，接入控制器）或者WLAN AP中。不管采用什么方式來部署非共址場景，都需要在LTE基站eNB與WT之間建立Xw接口[1,6]，WT與UE之間建立二層連接，因此需要對現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。

2.1 LWA協(xié)議架構(gòu)

共址部署方式通常采用小站Small Cell，LTE與WLAN是集成在一起的，未定義基帶處理單元BBU與WLAN間的接口，Xw接口或者私有接口都可適用于此場景。

共址場景LWA協(xié)議架構(gòu)如圖2所示。下行數(shù)據(jù)承載傳輸支持三種方式：LTE路徑傳輸?shù)腖TE承載（LTE Bearer）方式、Wi-Fi路徑傳輸?shù)那袚Q式LWA承載（Switched LWA Bearer）方式、LTE與Wi-Fi路徑分流的分離式LWA承載（Split LWA Bearer）方式，從而大大提升LTE服務(wù)的性能。

圖2 共址場景LWA協(xié)議架構(gòu)

非共址場景LWA協(xié)議架構(gòu)如圖3所示，主要適用于宏站與WLAN的融合。在基站eNB側(cè)PDCP層以下新增一個(gè)LWAAP[2]的薄層實(shí)體模塊，在PDCP PDU的報(bào)文基礎(chǔ)上新填加數(shù)據(jù)承載的標(biāo)識符DRB ID生成LWA PDU，通過Xw接口將LWA PDU傳送給WT，WT則通過WLAN 802.11 MAC層[7]將數(shù)據(jù)傳送給UE。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中，為了降低LWA對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)部署的影響，可以將WT的功能集成到WLAN AP內(nèi)或者基站eNB內(nèi)，本文將采用這種方式實(shí)現(xiàn)LWA功能。

2.2 LWA激活過程

圖4是終端LWA激活過程的時(shí)序流程。以WT集成在WLAN AP中為例，主要包括以下三部分工作：

（1）UE附著到LTE網(wǎng)絡(luò)；

圖3 非共址場景LWA協(xié)議架構(gòu)

圖4 LWA激活時(shí)序流程

（2）WLAN信息獲取；

（3）WLAN聯(lián)接過程，即LWA激活。如果是將WT功能集成到基站內(nèi)，則可以忽略步驟7、8。

從圖4可以看出，UE附著成功后，如果UE支持LWA功能，則需要對Wi-Fi AP信號強(qiáng)度進(jìn)行測量（步驟6），若有支持LWA功能的WLAN AP的信號強(qiáng)度高于設(shè)定的門限值，則添加對應(yīng)的WT（步驟7、8）后UE就可以聯(lián)接到該AP（步驟9、10），LWA激活成功。在LWA激活過程中，需要周期性上報(bào)WLAN AP的信號測量報(bào)告，如果信號強(qiáng)度低于設(shè)定的門限值，則使能LWA去激活。

2.3 LWA流量控制算法

在LWA激活狀態(tài)下，下行數(shù)據(jù)承載支持以下三種方式來傳輸數(shù)據(jù)：

（1）只通過LTE路徑傳輸；

（2）只通過Wi-Fi路徑傳輸；

（3）通過LTE與Wi-Fi兩條路徑來傳輸。

通過兩條路徑傳輸可以明顯提升UE的下行數(shù)據(jù)速率，但需要在PDCP層實(shí)現(xiàn)調(diào)度算法，選擇最優(yōu)的一條路徑來傳輸PDCP PDU。David Lopez-Perez1等人[8]提出了一種流控算法：通過計(jì)算兩條路徑上的可能時(shí)延，選擇一條時(shí)延最小

的路徑來傳輸。

其中，PDUsize為需要傳輸?shù)腜DU數(shù)據(jù)量； BLTE為已發(fā)送但還沒有收到ACK的PDU（inflight）數(shù)據(jù)量； RLTE為LTE路徑的傳輸速率， 在外場測試場景下初始值設(shè)置為110 Mb/s，在設(shè)定的周期內(nèi)如1 TTI，計(jì)算出實(shí)際的LTE速率作為下一個(gè)周期的RLTE。

WLAN路徑的時(shí)延dWLAN公式如下：

其中，PDUsize為需要傳輸?shù)腜DU數(shù)據(jù)量；BWLAN為已發(fā)送但還沒有收到ACK的PDU（in flight）數(shù)據(jù)量；RWLAN為WLAN路徑的傳輸速率，在外場測試場景下初始值設(shè)置為300 Mb/s，在設(shè)定的周期內(nèi)如1 TTI，計(jì)算出實(shí)際的速率作為RWLAN；Xwlatency為Xw接口上數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，在外場測試場景下已將WT集成到eNB中，假設(shè)Xwlatency=0，則：

由此可知，PDCP層根據(jù)dLTE與dWLAN選擇時(shí)延較小的路徑來傳輸當(dāng)前的PDCP PDU。

3 LWA外場測試結(jié)果

LWA前期的外場測試將WT功能集成在eNB中，eNB與WLAN AP直連，測試一個(gè)WLAN AP+一個(gè)UE的場景。LTE選擇Band 41，WLAN AP支持802.11ac，5.8 GHz頻段，峰值速率可達(dá)300 Mb/s。LWA外場測試結(jié)果如圖5所示：

圖5 LWA外場測試結(jié)果

具體如下：

（1）UDP業(yè)務(wù)通過iperf網(wǎng)絡(luò)性能測試工具測試。如果僅使用LTE路徑，峰值速率可達(dá)到100 Mb/s；如果僅使用Wi-Fi路徑，峰值速率可達(dá)到300 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了200%；在同時(shí)使用LT E與Wi-Fi路徑的情況下，峰值速率可達(dá)到400 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了300%。

（2）在終端上使能USB網(wǎng)絡(luò)共享，筆記本PC通過FTP客戶端測試三種場景下的FTP下載速率。由于受限于應(yīng)用層流控算法及上行帶寬（～9 Mb/s）對ACK的限制，F(xiàn)TP下行速率要低于iperf UDP下行速率，其中僅適用LTE路徑的情況下，F(xiàn)TP下行速率為56 Mb/s；如果僅適用Wi-Fi路徑的情況下，F(xiàn)TP下行速率可達(dá)到70 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了25%；在同時(shí)使用LTE與Wi-Fi路徑的情況下，峰值速率可達(dá)到79 Mb/s，與LTE相比下行速率提升了41%。

4 LWA實(shí)現(xiàn)及部署建議

本文將部分WT的工作放在eNB宏站內(nèi)部：LWA AP添加了DRB ID后[9]，傳輸層添加LWA Specific Ether Type（0x9e65）及以太頭后根據(jù)目標(biāo)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)。圖6是LWA的報(bào)文格式，在外場測試中DRB ID設(shè)置為0x04。

運(yùn)營商部署LWA主要有以下三種場景：

（1）運(yùn)營商已部署了大量的傳統(tǒng)WLAN AP，不希望對WLAN網(wǎng)絡(luò)做大的改造及升級；

（2）運(yùn)營商希望對現(xiàn)有的WLAN AP升級支持WT的功能；

（3）運(yùn)營商希望有一個(gè)簡單可行的LWA補(bǔ)盲方案。

本文實(shí)現(xiàn)的LWA方案將WT的部分功能集成到宏站內(nèi)，省略了Xw接口，適合于第一種重用傳統(tǒng)WLAN AP的場景：該方案不需要額外引入WT設(shè)備。

如果現(xiàn)有的WLAN AP可以通過軟件方式升級來支持WT功能，則需要在eNB側(cè)實(shí)現(xiàn)Xw接口。

對于需要補(bǔ)盲且運(yùn)營商尚未部署WLAN AP的場景，則可以采用共址部署的小站LWA方案。相較于本文提出的非共址的宏站方案，部署起來更為靈活、方便，但需要將WLAN AP集成到小站內(nèi)。

采用LWA技術(shù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)錨定在LTE上：Wi-Fi在未授權(quán)頻譜上運(yùn)行，而LTE在授權(quán)頻譜上運(yùn)行并管理LWA，這兩種無線技術(shù)的結(jié)合將會帶來絕佳的用戶體驗(yàn)。LWA最大的優(yōu)勢是WLAN路徑上的流量能從移動運(yùn)營商EPC提供的服務(wù)中獲益，包括深度包檢測、流量計(jì)費(fèi)、報(bào)文合法攔截、用戶身份認(rèn)證等。

圖6 eN B與AP間LWA報(bào)文格式

5 結(jié)束語

本文通過對LTE與WLAN聚合技術(shù)進(jìn)行分析，提出了現(xiàn)網(wǎng)LWA部署建議。經(jīng)過外場測試研究結(jié)果表明：LTE與WLAN的聚合可以顯著提升UDP業(yè)務(wù)或TCP業(yè)務(wù)的下行速率，但對TCP業(yè)務(wù)的提升效果沒有UDP業(yè)務(wù)那么明顯，需要在今后的工作中做進(jìn)一步的優(yōu)化及研究。下一步，LWA的研究工作中還需要關(guān)注安全等方面的內(nèi)容，如：通過傳統(tǒng)的WLAN AC實(shí)現(xiàn)LWA用戶的身份認(rèn)證或者通過eNB實(shí)現(xiàn)輔助身份認(rèn)證[10]。

[1]3GPP TS 36.300 V13.4.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)[S]. 2016.

[2]3GPP TS 36.361 V13.2.0. E-UTRA – LTE/WLAN Radio Level Integration using IPsec Tunnel (LWIP)encapsulation – Protocol speci fi cation[S]. 2016.

[3]J Ling, S Kanugovi, S Vasudevan, et al. Enhanced Capacity amp; Coverage by Wi-Fi LTE Integration[J]. IEEE Communications Magazine, 2014,53(3)： 165-171.

[4]S Singh, M Geraseminko, SP Yeh, et al. Proportional Fair Traf fic Splitting and Aggregation in Heterogeneous Wireless Networks[J]. IEEE Communications Letters,2016,20(5)： 1010-1013.

[5]D López-Pérez, M Ding, H Claussen, et al. Towards 1Gbps/UE in Cellular Systems： Understanding Ultra-Dense Small Cell Deployments[J]. IEEE Communications Surveys amp; Tutorials, 2015,17(4)： 2078-2101.

[6]3GPP TS 36.360 V13.0.0. LTE-WLAN Aggregation Adaptation Protocol (LWAAP) specification[S]. 2016.

[7]IEEE standard 802.11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)specifications[S]. 2012.

[8]D López- Pérez, D Laselva, E Wallmeier, et al. Long Term Evolution-Wireless Local Area Network Aggregation Flow Control[J]. IEEE Access, 2016(4)： 9860-9869.

[9]3GPP TS 36.331 V13.2.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC);Protocol specification[S]. 2016.

[10]3GP P TS 33.401 V13.2.0. 3GPP System Architecture Evolution (SAE); Security architecture[S]. 2016.

Research on Aggregation Technology of LTE and WLAN

CAO Yuqun
(Nokia Networks, Hangzhou 350013, China)

With the drastic growth of mobile data traffic, operators are now facing a burden of tremendous spectrum occupancy costs to apply more licensed spectrums. In order to reduce the deployment costs of mobile networks, the solution of LTE and WLAN aggregation was analyzed in detail by studying the technique of licensed spectrum and unlicensed spectrum combination. The potential gains of downlink rate in different load conditions were compared infieldtrial scenarios. The corresponding deployment suggestion of LWA was proposed in this paper.

LWA Xw interface eLWA

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.004

TN929.5

A

1006-1010(2017)20-0022-05

曹玉群. LTE與WLAN聚合技術(shù)研究[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 22-26.

國家科技重大專項(xiàng)（2017ZX03001008）

2017-08-21

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

曹玉群：高級工程師，理學(xué)碩士畢業(yè)于廈門大學(xué)，現(xiàn)任職于諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，主要研究方向?yàn)榍度胂到y(tǒng)System on Chip（SoC）、L2VPN、固網(wǎng)及移動通信等領(lǐng)域，發(fā)表論文8篇，授權(quán)發(fā)明專利10多項(xiàng)。