LTE與WLAN網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵技術(shù)研究

孫 亮

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)內(nèi)蒙古有限公司呼和浩特分公司

0 引言

5G無線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)涵蓋多種無線技術(shù)如WLAN演進(jìn)技術(shù)、LTE演進(jìn)技術(shù)以及新的無線接入技術(shù)等，因此具有多接入技術(shù)、多網(wǎng)絡(luò)共存的特點(diǎn)，主要包括LAA技術(shù)（LTE載波聚合技術(shù)部分?jǐn)U展于授權(quán)頻譜）、WLAN與LTE-A多連接技術(shù)以及WLAN與LTE-A鏈路聚合雙連接技術(shù)等。WLAN鏈路（非授權(quán)頻譜）具有數(shù)據(jù)流量承載力更高的特點(diǎn)，LTE鏈路（授權(quán)頻譜）則提供廣闊的覆蓋范圍，同時(shí)具有良好的移動(dòng)魯棒性，而足以為UE（用戶終端）同時(shí)充分利用WLAN與LTE技術(shù)創(chuàng)造條件。3GPP R13中以聚合層的不同將聚合技術(shù)分為L(zhǎng)WIP與LWA兩種，前者聚合于IP層，主要利用IP的安全機(jī)制；后者則聚合于PDCP層，利用PDCP的安全機(jī)制。以下將對(duì)LWA技術(shù)、協(xié)議架構(gòu)作探討，提出LWA部署建議。

1 LWA技術(shù)

作為WLAN與LTE雙連接的關(guān)鍵技術(shù)，3GPP R13中的LWA在非授權(quán)頻譜只對(duì)5GHz與2.4GHz頻段提供支持，且僅對(duì)下行數(shù)據(jù)WLAN路徑提供支持。但是發(fā)展至3GPP R14時(shí)，新加入的eLWA（增強(qiáng)LWA）技術(shù)為上行鏈路聚合提供支持，同時(shí)對(duì)非授權(quán)頻譜中，也增加了60GHz這一頻段。

1.1 部署方式

3GPP中，對(duì)LWA部署方式進(jìn)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(diǎn)）集成于一處，適用于人口密集的區(qū)域，能對(duì)人口密集的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)盲，同時(shí)，還能加快數(shù)據(jù)下行速度。非共址部署是指利用LTE宏站廣覆蓋范圍的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)WLAN AP與LTE宏站的聚合，見圖1。

圖1 非共址部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

非共址部署時(shí)，3GPP添加了新定義的邏輯網(wǎng)元設(shè)備WLAN邊緣設(shè)備（WT），WT的部署形式是非固定的，可以作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而獨(dú)立出去，也可以根據(jù)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(jìn)行非共址場(chǎng)景的部署，都需要將Xw接口設(shè)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(duì)當(dāng)前的WLAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。

1.2 LWA協(xié)議架構(gòu)

1.2.1 共址部署

對(duì)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(chǎng)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(shí)，LWA協(xié)議架構(gòu)見圖2。下行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、承載時(shí)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(jīng)LTE路徑進(jìn)行傳輸）的方式，因此對(duì)提高LTE服務(wù)作用明顯。

圖2 共址部署下的L WA協(xié)議架構(gòu)

1.2.2 非共址部署的LWA協(xié)議架構(gòu)

非共址部署LWA適用于將WLAN與宏站進(jìn)行融合的場(chǎng)景，其協(xié)議架構(gòu)見圖3。將LWA AP的薄層實(shí)體模塊設(shè)置于基層eNB側(cè)PDCP層以下，將新添加數(shù)據(jù)承載的標(biāo)識(shí)符DRB ID添加于PDCP PDU報(bào)文基礎(chǔ)上，從而生成LWA PDU, LWA

PDU經(jīng)Xw結(jié)構(gòu)傳輸給WT后，經(jīng)WLAN 802.11 MAC層將數(shù)據(jù)傳送至UE。出于減少LWA對(duì)已有網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的方式。

圖3 非共址部署的LWA協(xié)議架構(gòu)

1.2.3 LWA的激活

終端進(jìn)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(wǎng)絡(luò)上附著UE→WLAN完成信息獲取→激活WLAN,對(duì)已在基站內(nèi)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(cè)量WLAN AP的信號(hào)強(qiáng)度，也即執(zhí)行步驟6的操作；當(dāng)WLAN AP（支持LWA功能）的信號(hào)強(qiáng)度高于設(shè)定閾值時(shí)，需要執(zhí)行步驟7與8的操作，即添加對(duì)應(yīng)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(jìn)行LWA的激活時(shí)，應(yīng)對(duì)WLAN AP的信號(hào)測(cè)量報(bào)告作周期性上報(bào)，信號(hào)強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的方式可以極大提升UE下行數(shù)據(jù)的速度，但是需要對(duì)PDCP層進(jìn)行調(diào)度算法以尋找最優(yōu)路徑來進(jìn)行PDCP PDU的傳輸。

進(jìn)行LTE路徑的時(shí)延dLTE計(jì)算時(shí)，有公式

公式中，PDUsize是指需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DU數(shù)據(jù)量；RLTE是LTE路徑的傳輸速率（外場(chǎng)測(cè)試時(shí)，設(shè)定周期為1TTI,初始值常為110MB/s,據(jù)此計(jì)算出實(shí)際LTE速率，作為下周期的RLTE）；BLTE是指已經(jīng)發(fā)送完畢，但未接收ACK的PDU的數(shù)據(jù)量。

進(jìn)行WLAN路徑的時(shí)延dWLAN計(jì)算時(shí)，有公式

公式中，PDUsize代表需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DU數(shù)據(jù)量；RWLAN是WLAN路徑的傳輸速率（外場(chǎng)測(cè)試時(shí)，設(shè)定周期為1TTI,初始值常為300MB/s,據(jù)此計(jì)算出實(shí)際LTE速率RWLAN），BWLAN是指已經(jīng)發(fā)送完畢，但未接收ACK的PDU的數(shù)據(jù)量。

可見PDCP層進(jìn)行PDCP PDU的傳輸時(shí)，根據(jù)dWLAN與dWLAN的數(shù)值選取時(shí)延更小的路徑。

2 外場(chǎng)測(cè)試

進(jìn)行LWA前期的外場(chǎng)測(cè)試時(shí)，在eNB內(nèi)集成WT功能，將WLAN AP與eNB直接連接，對(duì)單獨(dú)UE+單獨(dú)WLAN AP場(chǎng)景下峰值速率進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置WLAN AP支持802.11ac，頻段為5.8GHz頻段，LTE支持Band 41，發(fā)現(xiàn)峰值速度達(dá)到300MB/s，測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

展開進(jìn)一步外場(chǎng)測(cè)試，在終端上使用USB網(wǎng)絡(luò)共享功能，采用FTP客戶端在筆記本PC上對(duì)三種場(chǎng)景下的FTP下載速度進(jìn)行測(cè)試。由于ACK受到上行帶寬（9MB/s以下）以及應(yīng)用層流控算法的限制，F(xiàn)TP的下行速率較低，但使用LTE路徑的FTP下行速率達(dá)到56MB/s；僅使用WLAN路徑下的FTP下行速率為70MB/s；同時(shí)使用兩種路徑的下行峰值速率為79MB/s。

采用iperf對(duì)UDP業(yè)務(wù)展開測(cè)試，單獨(dú)使用LTE路徑的峰值速率為100MB/s；單獨(dú)使用WLAN路徑的峰值為300MB/s；同時(shí)使用兩種路徑的峰值速率為400MB/s。

3 結(jié)束語

本文對(duì)WLAN與LTE網(wǎng)絡(luò)的融合技術(shù)做出探討，同時(shí)提出了相關(guān)部署建議，外場(chǎng)測(cè)試提示W(wǎng)LAN與LTE網(wǎng)絡(luò)融合對(duì)提升TCP業(yè)務(wù)、UDP業(yè)務(wù)下行速率明顯，但是對(duì)UDP業(yè)務(wù)的提升更大。關(guān)于提升TCP業(yè)務(wù)的下行速率的方法，仍需進(jìn)一步研究。