LTE與WLAN網絡融合關鍵技術研究

孫 亮

中國移動通信集團內蒙古有限公司呼和浩特分公司

0 引言

5G無線網絡將會涵蓋多種無線技術如WLAN演進技術、LTE演進技術以及新的無線接入技術等，因此具有多接入技術、多網絡共存的特點，主要包括LAA技術（LTE載波聚合技術部分擴展于授權頻譜）、WLAN與LTE-A多連接技術以及WLAN與LTE-A鏈路聚合雙連接技術等。WLAN鏈路（非授權頻譜）具有數據流量承載力更高的特點，LTE鏈路（授權頻譜）則提供廣闊的覆蓋范圍，同時具有良好的移動魯棒性，而足以為UE（用戶終端）同時充分利用WLAN與LTE技術創造條件。3GPP R13中以聚合層的不同將聚合技術分為LWIP與LWA兩種，前者聚合于IP層，主要利用IP的安全機制；后者則聚合于PDCP層，利用PDCP的安全機制。以下將對LWA技術、協議架構作探討，提出LWA部署建議。

1 LWA技術

作為WLAN與LTE雙連接的關鍵技術，3GPP R13中的LWA在非授權頻譜只對5GHz與2.4GHz頻段提供支持，且僅對下行數據WLAN路徑提供支持。但是發展至3GPP R14時，新加入的eLWA（增強LWA）技術為上行鏈路聚合提供支持，同時對非授權頻譜中，也增加了60GHz這一頻段。

1.1 部署方式

3GPP中，對LWA部署方式進行了定義，分為非共址部署與共址部署兩種部署方式。共址部署指的是將LTE小站與WLAN AP（接入點）集成于一處，適用于人口密集的區域，能對人口密集的區域進行補盲，同時，還能加快數據下行速度。非共址部署是指利用LTE宏站廣覆蓋范圍的特點實現WLAN AP與LTE宏站的聚合，見圖1。

圖1 非共址部署網絡架構示意圖

非共址部署時，3GPP添加了新定義的邏輯網元設備WLAN邊緣設備（WT），WT的部署形式是非固定的，可以作為網絡設備而獨立出去，也可以根據需要集成于WLAP AP或WLAN AC（接入控制器）中。但是無論采取哪種接入方式進行非共址場景的部署，都需要將Xw接口設置于WT與LTE基站eNB之間，UE與WT之間還需要建立二層連接，因此仍然需要對當前的WLAN網絡進行改造。

1.2 LWA協議架構

1.2.1 共址部署

對采用共址部署方式的LWA，可采用小站Small Cell將WLAN與LTE集成于一處，此類場景的接口可選擇私有接口、Xw接口或者未定義基帶處理單元BBU與WLAN間的接口。

共址部署時，LWA協議架構見圖2。下行數據進行數據的傳輸、承載時可支持三種方式：分離式LWA承載（WLAN與LTE路徑分流）、切換式LWA承載（WLAN路徑傳輸）以及LTE承載（經LTE路徑進行傳輸）的方式，因此對提高LTE服務作用明顯。

圖2 共址部署下的L WA協議架構

1.2.2 非共址部署的LWA協議架構

非共址部署LWA適用于將WLAN與宏站進行融合的場景，其協議架構見圖3。將LWA AP的薄層實體模塊設置于基層eNB側PDCP層以下，將新添加數據承載的標識符DRB ID添加于PDCP PDU報文基礎上，從而生成LWA PDU, LWA

PDU經Xw結構傳輸給WT后，經WLAN 802.11 MAC層將數據傳送至UE。出于減少LWA對已有網絡部署造成的影響的考慮，可以采用將WT功能集成于基層eNB或WLAN AP內的方式。

圖3 非共址部署的LWA協議架構

1.2.3 LWA的激活

終端進行LWA的激活流程見圖4。以在WLAN AP中集成WT為例，其激活過程可包括：在LTE網絡上附著UE→WLAN完成信息獲取→激活WLAN,對已在基站內集成WT功能的可忽略示意圖中的步驟7與8。

圖4 LWA激活流程

從上圖可見，若UE支持LWA功能，則需要在UE附著完畢后測量WLAN AP的信號強度，也即執行步驟6的操作；當WLAN AP（支持LWA功能）的信號強度高于設定閾值時，需要執行步驟7與8的操作，即添加對應WT，添加完畢后即可連接至AP，即步驟9與10的操作，至此，LWA已激活成功。需注意，進行LWA的激活時，應對WLAN AP的信號測量報告作周期性上報，信號強度低于設定閾值時才能激活LWA。

1.2.4 LWA的流量控制算法

如前所述，激活LWA后，數據可通過WLAN與LTE兩條線路傳輸，也可以僅通過WLAN路徑傳輸或者僅通過LTE路徑傳輸。選取兩條線路傳輸數據的方式可以極大提升UE下行數據的速度，但是需要對PDCP層進行調度算法以尋找最優路徑來進行PDCP PDU的傳輸。

進行LTE路徑的時延dLTE計算時，有公式

公式中，PDUsize是指需要進行數據傳輸的PDU數據量；RLTE是LTE路徑的傳輸速率（外場測試時，設定周期為1TTI,初始值常為110MB/s,據此計算出實際LTE速率，作為下周期的RLTE）；BLTE是指已經發送完畢，但未接收ACK的PDU的數據量。

進行WLAN路徑的時延dWLAN計算時，有公式

公式中，PDUsize代表需要進行數據傳輸的PDU數據量；RWLAN是WLAN路徑的傳輸速率（外場測試時，設定周期為1TTI,初始值常為300MB/s,據此計算出實際LTE速率RWLAN），BWLAN是指已經發送完畢，但未接收ACK的PDU的數據量。

可見PDCP層進行PDCP PDU的傳輸時，根據dWLAN與dWLAN的數值選取時延更小的路徑。

2 外場測試

進行LWA前期的外場測試時，在eNB內集成WT功能，將WLAN AP與eNB直接連接，對單獨UE+單獨WLAN AP場景下峰值速率進行測試。設置WLAN AP支持802.11ac，頻段為5.8GHz頻段，LTE支持Band 41，發現峰值速度達到300MB/s，測試結果如圖5。

圖5 外場測試結果

展開進一步外場測試，在終端上使用USB網絡共享功能，采用FTP客戶端在筆記本PC上對三種場景下的FTP下載速度進行測試。由于ACK受到上行帶寬（9MB/s以下）以及應用層流控算法的限制，FTP的下行速率較低，但使用LTE路徑的FTP下行速率達到56MB/s；僅使用WLAN路徑下的FTP下行速率為70MB/s；同時使用兩種路徑的下行峰值速率為79MB/s。

采用iperf對UDP業務展開測試，單獨使用LTE路徑的峰值速率為100MB/s；單獨使用WLAN路徑的峰值為300MB/s；同時使用兩種路徑的峰值速率為400MB/s。

3 結束語

本文對WLAN與LTE網絡的融合技術做出探討，同時提出了相關部署建議，外場測試提示WLAN與LTE網絡融合對提升TCP業務、UDP業務下行速率明顯，但是對UDP業務的提升更大。關于提升TCP業務的下行速率的方法，仍需進一步研究。